ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОТСЛЕЖИВАНИЯ МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА Российский патент 1994 года по МПК G01N21/84 G01B21/00 

Предполагаемое изобретение относится к оптико-электронным устройствам, формирующим и отслеживающим пространственное положение модулированных оптических пучков с равносигнальными зонами (РСЗ) и может быть использовано в контрольно-измерительной технике для измерения профилей полированных поверхностей, в гидрологии для измерения уровня водной поверхности, в машиностроении при создании машин управляемых оптическим лучом.

Известны оптико-электронные устройства, обеспечивающие формирование и пространственное отслеживание модулированного оптического пучка с РСЗ с целью контроля положения управляемого объекта. Все они содержат систему излучения, включающую источники излучения, объектив, устройство модуляции, а также фоторегистрирующий блок, включающий объектив и фотоприемник с известной электронной схемой обработки. РСЗ в пучках, формируемых этими устройствами, создается вдоль оптической оси за счет резкого скачка свойств оптического излучения в частях пучка разграниченных оптической осью.

Недостаток этих устройств состоит в использовании механического способа модуляции оптических пучков, который не свободен от вибраций, ведущих к нестабилизации положения оптической оси излучения, что снижает точность отслеживания положения оптического пучка. Известны устройства, лишенные указанного недостатка, в которых в системе излучения в качестве источников излучения используются светодиоды, расположенные у боковых граней прямоугольной призмы, непритупленное ребро которой помещено вблизи фокуса объектива. В этих устройствах модуляция излучения осуществляется за счет модуляции тока питания светодиодов. Однако, подобные устройства также не обеспечивают формирования РСЗ непосредственно за объективом системы излучения, что ограничивает возможность применения устройства. На качество РСЗ отрицательно сказываются аберрации объектива, который в самом простейшем случае имеет не менее трех преломляющих поверхностей. Аберрации приводят к "размытости" границы РСЗ и, следовательно, к снижению чувствительности отслеживания модулированного пучка. Кроме того, "размытость" границ РСЗ обуславливается конструкцией систем излучения, не исключающей возможность "перемешивания" световых потоков от различных источников.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предлагаемому устройству и принятому за прототип является устройство, содержащее систему излучения, имеющую два источника излучения, два конденсатора, блок противофазного питания источников излучения, систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров, на боковой поверхности которых симметрично относительно плоскости соединения и параллельно ей выполнены прямоугольные пазы, напротив которых размещены конденсоры и светодиоды, одно из оснований цилиндрического блока выполнено криволинейным и образует объектив, а другое - выполнено в виде двугранного угла, являющегося светоделителем, ребро которого находится в фокусе объектива и пересекается совпадающими осями обоих конденсоров и светодиодов, кроме того, устройство содержит фоторегистрирующий блок, включающий объектив и фотодоид, а также электронную схему обработки сигнала.

Принцип действия прототипа состоит в следующем. Блок противофазного питания обеспечивает излучение светодиодов с одинаковой частотой в противофазе. Конденсоры через прямоугольные пазы в цилиндрическом блоке заполняют светом отражающие грани светоделителя, изображение которого создается в бесконечности объективом. Сформулированный таким образом пучок обладает РСЗ вдоль плоскости соединения полуцилиндров. Пучок воспринимается фоторегистрирующим блоком. При смещении пучка с оси фоторегистрирующего блока с его фотоприемника поступает разностный сигнал, который через электронную схему обработки управляет исполнительным приводом, перемещающим фоторегистрирующий блок до совпадения его оптической оси с осью объектива системы передачи изображения.

Недостаток прототипа состоит в том, что конденсорная система перед каждым светодиодом имеет не менее трех отражающих поверхностей. При однолинзовом конденсоре это две поверхности линзы конденсора и поверхность прямоугольного паза на боковой поверхности полуцилиндра. Поэтом в конденсорных системах происходят на отражающих поверхностях потери света, которые снижают световые потоки на выходе системы передачи изображения, что в конечном счете снижает чувствительность и точность отслеживания модулированного пучка фоторегистрирующим блоком.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. повышение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронном устройстве для формирования и пространственного отслеживания модулированного оптического пучка, содержащем систему излучения, имеющую два оптически связанных источника излучения, узел конденсоров, блок противофазного питания, два выхода которого подключены соответственно к входам двух источников излучения, систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров, соединенных плоскими гранями, одно из оснований которого выполнено криволинейным и образует объектив, а также фоторегистрирующий блок, электронную схему обработки сигнала, второе основание цилиндрического блока выполнено в виде плоскости перпендикулярной оси цилиндра и оптической оси объектива, а узел конденсоров представляет собой шаровидный оптический прозрачный блок с отсеченным от него шаровым сегментом, состоящий из двух полушарий-конденсоров, присоединенных друг к другу посредством оптического клея с показателем преломления, меньшим чем у материала блока по плоскости большого круга, причем, в части шаровидного блока, диаметрально противоположной основанию отсеченного сегмента, выполнен двугранный угол, отражающие грани которого составляют светоделитель и образованы фасками, снятыми с каждого полушария под равными углами к плоскости соединения так, что ребро двугранного угла параллельно основанию отсеченного сегмента и пересекает центр шаровидного блока, при этом шаровидный и цилиндрический блоки прилегают друг к другу соответственно основанием отсеченного сегмента и плоским основанием так, что плоскости соединения полушарий и полуцилиндров совпадают, а источники излучения расположены напротив каждого из полушарий-конденсоров так, что их оптические оси находятся на одной прямой, проходящей через центр шаровидного блока, пересекающей ребро двугранного угла, перпендикулярной плоскости большого круга, причем, ребро двугранного угла находится в фокусе объектива, при этом радиус шаровидного блока и расстояния от источников излучения до поверхности шаровидного блока выбирается такими, чтобы полушария-конденсоры обеспечивали проектирование изображений излучающих площадок источников излучения в центр шаровидного блока.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается новым исполнением системы передачи изображения, в которой второе основание цилиндрического блока выполнено в виде плоскости, по которой к нему прилегает узел конденсоров, выполненный в виде шаровидного оптического прозрачного блока, состоящего из двух полушарий, присоединенных друг к другу посредством оптического клея с показателем преломления, меньшим чем у материала блока, имеющего светоделительный элемент, образованный фасками, снятыми с каждого полушария.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство состоит из системы излучения, системы передачи изображения, фоторегистрирующего блока, электронной схемы обработки сигнала.

В состав системы излучения входят источники излучения - светодиоды 1, 2, блок противофазного питания 3, узел конденсоров, выполненный в виде шаровидного блока, составленного из двух полушарий 4, 5, изготовленных из оптического стекла и присоединенных друг к другу по плоскостям большого круга при помощи клея, имеющего коэффициент преломления меньше, чем у материала полушарий. Шаровидный блок содержит светоделитель в виде двугранного угла, равного 90^о, отражающие грани 6, 7 которого образованы фасками, снятыми с полушарий 4, 5, а ребро проходит через центр шаровидного блока. Светодиоды 1, 2 расположены соответственно напротив полушарий 4, 5 так, что их геометрические оси лежат на одной прямой нормальной к плоскости большого круга и проходящей через центр шаровидного блока. Кроме того, со стороны противоположной светоделителю от шаровидного блока отсечен шаровой сегмент, в результате чего образовалась плоскость, по которой посредством оптического контакта к шаровидному блоку примыкает своим плоским основанием система передачи изображения.

Система передачи изображения выполнена в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, составленного из двух полуцилиндров 8, 9, присоединенных друг к другу посредством оптического клея, имеющего меньший показатель преломления, чем материал полуцилиндров. Одно из оснований цилиндрического блока плоское и примыкает к шаровидному блоку. Другое основание 10 выполнено в виде сферической или асферической поверхности и выполняет роль объектива, фокус которого совпадает с центром шаровидного блока.

Фоторегистрирующий блок выполнен в виде оптической системы, содержащей объектив 11 с помещенным в его фокусе фотоприемником 12, например фотодиодом.

Выход фотодиода 12 подключен на вход схемы обработки сигнала, состоящей из усилителя 13, фазового детектора 14, индикатора 15, усилителя мощности 16, имеющего выход к исполнительному приводу (не показан). К фазовому детектору 14 подключен один из выходов блока противофазного питания 3 с целью подачи опорного сигнала, соответствующего фазе излучения одного из светодиодов.

Устройство работает следующим образом. Блок противофазного питания 3 обеспечивает излучение светодиодов 2 и 1 в противофазе на одной частоте. Полушарии-конденсоры проецируют изображения излучающих площадок светодиодов 1, 2 соответственно на отражающие грани 6, 7 светоделители вблизи ребра двугранного угла. В свою очередь объектив 10 формирует коллимированный пучок, имеющий резко выраженную равносигнальную зону (РСЗ) вдоль плоскости, в которой лежит ребро светоделителя и оптическая ось объектива 10 и которая является границей между частями пучка, переносящего противофазные потоки излучения от светодиодов 1, 2. Коллимированный пучок воспринимается объективом 11 фоторегистрирующего блока и направляется на фотодиод 12. При совпадении оптической оси фоторегистрирующего блока с плоскостью РСЗ с фотодиода 12 снимается постоянный сигнал, так как в зрачок объектива 11 поступают равные по величине световые потоки от светодиодов 1 и 2. Несовпадение оси фоторегистрирующего блока с плоскостью РСЗ обуславливает неравенство противофазных потоков, прошедших через зрачок объектива 11 и, следовательно, неодинаковость облученностей этими потоками приемной площадки фотодиода 12, что обуславливает появление разностного сигнала на выходе фотодиода 12. Сигнал с фотодиода 12 поступает в усилитель 13 и после усиления - в фазовый детектор, где определяется знак смещения оси фоторегистрирующего блока относительно плоскости РСЗ по совпадению фазы опорного сигнала с разностным сигналом. Величина и знак разностного сигнала регистрируется индикатором 15. С фазового детектора 14 сигнал направляется в усилитель мощности, который обеспечивает работу исполнительного привода, перемещающего фоторегистрирующий блок относительно плоскости РСЗ до совпадения с нею оптической оси объектива 11.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает формирование модулированного пучка с РСЗ и обеспечивает отслеживание его пространственного положения. При помощи предлагаемого устройства можно решать широкий круг задач, связанных с управлением машинами при помощи оптического луча, выполнением линейных и угловых измерений. В схеме системы излучения заявляемого устройства благодаря использованию узла конденсоров, выполненного в виде шаровидного оптически прозрачного блока, обеспечивается за счет снижения числа отражающих поверхностей и, следовательно, уменьшения потерь при отражении более эффективный сбор излучений светодиодов на отражающих гранях светоделителя. В результате через зрачок объектива системы передачи изображения проходит большие потоки противофазных излучений, что в свою очередь повышает облученность чувствительной площадки фотодиода фоторегистрирющего блока. Увеличение облученности влечет за собой повышение чувствительности и точности пространственного отслеживания модулированного оптического пучка. Известно, что чувствительность систем отслеживания оптических пучков с РСЗ определяется прежде всего величиной градиента облученности на границе двух зон пучка, переносящих противофазные излучения:
(gradE)_x = , (1) где Е_о - облученность в плоскости площадки фотодиода;
L_o - расстояние от системы передачи изображения до фоторегистрирующего блока;
δϕ_s - суммарная угловая аберрация объектива прожектора.

С другой стороны значение чувствительности, т.е. минимальная фиксируемая величина смещения относительно друг друга осей приемного и передающего объективов определяется по формуле:
ΔX = , (2) где ΔΦ - пороговый поток фотодиода;
А_n - апертурный коэффициент фотоприемника;
τ₂ - коэффициент пропускания объектива фоторегистрирующего блока;
S_on - площадь входного зрачка объектива фоторегистрирующего блока. Анализ формул (1) и (2) позволяет сделать вывод о том, что увеличение облученности повышает чувствительность устройства.

Кроме того, применение клея с показателем преломления меньшим, чем материал полушарий узла конденсоров, препятствует (в соответствии с законом полного внутреннего отражения) перемешиванию противофазных излучений, что также способствует повышению чувствительности и точности устройства.

Использование: оптико-электронные устройства, формирующие и отслеживающие пространственное положение модулированных оптических пучков с равносигнальными зонами в метрологии и в системах управления различными объектами. Сущность изобретения: устройство содержит систему излучения, состоящую из двух источников излучения, узла конденсоров, выполненного в виде шаровидного оптически прозрачного блока из двух полушарий конденсоров, образующих светоделительный элемент, систему передачи изображения в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, примыкающего к узлу конденсоров и выполненного в виде двух полуцилиндров, при этом одно из оснований блока имеет криволинейную поверхность и образует объектив, а также фоторегистрирующий блок с фотоприемником и электронной схемой обработки. Система излучения формирует пучок с равносигнальной зоной (РСЗ), который воспринимается фоторегистрирующим блоком, выдающим разностный сигнал при смещении РСЗ с центра фотоприемника. 1 ил.

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОТСЛЕЖИВАНИЯ МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА, содержащее систему излучения, включающую по крайней мере два источника излучения, блок противофазного питания, два выхода которого подключены соответственно к входам двух источников излучения, установленные последовательно по ходу излучения узел конденсоров, систему передачи изображения, выполненную в виде цилиндрического оптически прозрачного блока, состоящего из двух полуцилиндров, соединенных плоскими гранями, одно из оснований которого выполнено криволинейным и образует объектив, а также фоторегистрирующий блок, соединенный с электронной схемой обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, второе основание цилиндрического блока выполнено в виде плоскости, перпендикулярной к оси цилиндра, а узел конденсоров представляет собой шаровидный оптически прозрачный блок с отсеченным от него шаровым сегментом, состоящего из двух полушарий-конденсоров, присоединенных друг к другу посредством оптического клея с показателем преломления, меньшим, чем у материала блока по плоскости большого круга, причем в части шаровидного блока, диаметрально противоположной основанию отсеченного сегмента, выполнен двугранный угол, отражающие грани которого составляют светоделитель и образованы фасками, снятыми с каждого полушария под равными углами к плоскости их соединения так, что ребро двугранного угла параллельно основанию отсеченного сегмента и пересекают центр шаровидного блока, при этом шаровидный и цилиндрический блоки прилегают друг к другу соответственно основанием отсеченного сегмента и плоским основанием так, что плоскости соединения полушарий и полуцилиндров совпадают, а источники излучения расположены напротив каждого из полушарий-конденсоров так, что их оптические оси находятся на одной прямой, проходящей через центр шаровидного блока, пересекающей ребро двугранного угла, перпендикулярно к плоскости большого круга, причем ребро двугранного угла находится в фокусе объектива, при этом радиус шаровидного блока и расстояния от источников излучения до поверхности шаровидного блока выбираются такими, чтобы полушария-конденсоры обеспечивали проектирования изображения излучающих площадок источников излучения в центре шаровидного блока.