УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2004 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, более конкретно к приборам для контроля фокусных расстояний оптических систем, преимущественно объективов.

Известно устройство для контроля фокусных расстояний оптических систем, включающее тест-объект, освещаемый с помощью системы подсветки, и зрительную трубу с окуляр-микрометром [1]. Контролируемая оптическая система устанавливается между тест-объектом и зрительной трубой так, чтобы ее передняя фокальная плоскость совпала с тест-объектом. Основными недостатками этого устройства являются невысокие производительность, точность и надежность измерений, обусловленные необходимостью перемещения измерительного перекрестия сетки окуляр-микрометра с одной части тест-объекта на другую, в результате чего может произойти изменение относительного положения элементов измерительной схемы, приводящее к погрешностям измерений.

Известно также устройство для контроля фокусных расстояний оптических систем, включающее коллиматор, в фокальной плоскости объектива которого расположен тест-объект в виде щели, устройство преобразования и отклонения на фиксированный угол коллимированного светового пучка, а также микроскоп, установленный с возможностью перемещения в направлении измерения [2]. Контролируемая измерительная система устанавливается между устройством преобразования коллимированного светового пучка и микроскопом. Данное устройство обеспечивает высокую точность контроля, однако его недостатками являются сложность конструкции и невысокая производительность труда, связанная с длительной настройкой, необходимостью изменять при выполнении измерений направление коллимированного светового пучка, а также положение измерительного микроскопа.

Из всех известных технических решений наиболее близким к заявляемому является устройство для контроля фокусного расстояния оптических систем, содержащее коллиматор, в фокальной плоскости объектива которого расположен тест-объект в виде группы параллельных штрихов, например шкалы, и микроскоп, включающий проекционный объектив и отсчетное устройство в виде окуляр-микрометра [3].

Основными недостатками прототипа являются невысокие точность и производительность измерений. Невысокая точность измерений обусловлена необходимостью двухкратного снятия отсчетов с определенной точностью при наводке на каждое из двух изображений штрихов шкалы коллиматора, а также возможностью расстраивания измерительной схемы при перемещении перекрестия сетки окуляр-микрометра от одного штриха к другому, что приводит к увеличению случайной составляющей погрешности измерений. Невысокая производительность измерений связана с необходимостью двух наводок окуляр-микрометра на изображения штрихов шкалы, а также с необходимостью механического перемещения сетки окуляр-микрометра в процессе измерений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и производительности измерений.

Для решения поставленной задачи в устройстве для контроля фокусных расстояний оптических систем, включающем оптически связанные коллиматор, в фокальной плоскости объектива которого расположен тест-объект в виде группы параллельных штрихов, и микроскоп, содержащий проекционный объектив и отсчетное устройство, в отличие от прототипа отсчетное устройство содержит два зеркала, установленные под углом к оптической оси проекционного объектива и пересекающиеся на ней по линии, параллельной штрихам тест-объекта, две видеокамеры, каждая из которых оптически связана с соответствующим зеркалом, причем одна из видеокамер установлена с возможностью котировочных перемещений в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива и линии пересечения зеркал, коммутатор, первый и второй входы которого соединены с соответствующей видеокамерой, а также формирователь контрольных меток, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, а выход подключен к видеоконтрольному устройству.

Выполнение отсчетного устройства в виде двух зеркал, установленных под углом к оптической оси проекционного объектива и пересекающихся на ней по линии, параллельной штрихам тест-объекта, двух видеокамер, каждая из которых оптически связана с соответствующим зеркалом, причем одна из видеокамер установлена с возможностью котировочных перемещений в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива и линии пересечения зеркал, коммутатор, первый и второй входы которого соединены с соответствующей видеокамерой, а также формирователь контрольных меток, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, а выход подключен к видеоконтрольному устройству, обеспечивает исключение необходимости осуществлять перемещение элементов отсчетного устройства при выполнении измерений и выполнять две наводки на изображения штрихов тест-объекта коллиматора, что позволяет повысить производительность измерений. Исключение же двух наводок на изображения штрихов тест-объекта обеспечивает повышение точности контроля, так как при этом исключаются погрешности наводок. Кроме того, исключается возможность расстраивания измерительной схемы при выполнении перемещения элементов отсчетного устройства, а следовательно, исключаются дополнительно связанные с этим случайные составляющие погрешности измерений.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для контроля фокусных расстояний оптических систем; на фиг.2 изображена электрическая структурная схема устройства для контроля фокусных расстояний оптических систем; на фиг. 3 показан ход лучей внутри микроскопа; на фиг.4 показан вид наблюдаемой на экране видеоконтрольного устройства картины при подключении к формирователю контрольных меток одной из видеокамер; на фиг.5 показан вид наблюдаемой на экране видеоконтрольного устройства картины при подключении к формирователю контрольных меток второй видеокамеры.

Устройство для контроля фокусных расстояний оптических систем содержит (фиг. 1) коллиматор 1, оптически связанный с микроскопом 2. Коллиматор 1 включает источник света 3, конденсор 4, тест-объект 5 с двумя прозрачными штрихами, удаленными друг от друга на фиксированное расстояние t, и объектив 6, причем тест-объект установлен в фокальной плоскости объектива 6. Микроскоп 2 включает проекционный объектив 7 и отсчетное устройство, содержащее два плоских зеркала 8 и 9, две видеокамеры 10 и 11, каждая из которых оптически связана с соответствующим зеркалом 8, 9, коммутатор 12, первый и второй входы которого соединены с соответствующей видеокамерой 10, 11, а также формирователь контрольных меток 13, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора 12, а выход подключен к видеоконтрольному устройству 14. На фиг. 1 показана также контролируемая оптическая система 15, которая расположена на оси коллиматора перед микроскопом 2. Зеркала 8 и 9 в данной реализации устройства установлены под углом 45^o к оптической оси проекционного объектива и пересекаются на ней по линии, параллельной штрихам тест-объекта 5. Видеокамера 11 имеет возможность перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива и линии пересечения зеркал, как это показано на фиг.1 стрелкой. В качестве видеокамер 10 и 11 могут быть использованы черно-белые видеокамеры на основе ПЗС-матриц. Микроскоп 2 имеет возможность перемещения в направлении измерения, условно показанном стрелкой.

Коммутатор 12 может быть выполнен в виде тумблера с двумя группами контактов, одна из которых осуществляет переключение видеосигналов видеокамер, а другая формирует логический сигнал о выбранной видеокамере. Формирователь контрольных меток 13 предназначен для наложения контрольных меток на видеосигнал изображения тест-объекта, сформированного выбранной видеокамерой. Формирователь контрольных меток 13 (см.фиг.2) включает в себя селектор синхроимпульсов 16, смеситель 17, который может быть реализован в виде быстродействующего аналогового мультиплексора или транзистора, знакогенератор 18, реализованный в виде электрически связанных программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), кварцевого генератора и ПЗУ, в памяти которого хранятся изображения контрольных меток в электронном виде. Причем вход селектора 16 и сигнальный вход смесителя 17 соединены с первым выходом коммутатора 12, первый вход знакогенератора 18 соединен со вторым выходом коммутатора 12, а второй и третий входы - с первым и вторым выходами селектора синхроимпульсов 16. Выход знакогенератора 18 соединен с управляющим входом смесителя 17, выход которого подключен к видеоконтрольному устройству 14.

Работает устройство следующим образом.

Источник света 3 (фиг.1) через конденсор 4 подсвечивает тест-объект 5 с двумя штрихами. Расстояние между штрихами заранее определено исходя из номинального значения фокусного расстояния контролируемой оптической системы. Изображения штрихов с помощью объектива 6 коллиматора 1 и контролируемой оптической системы 15 формируются в плоскости Р, расположенной в задней фокальной плоскости последней. На фиг.3 показан ход главных лучей световых пучков (сплошные линии), формирующих изображения I₁ и I₂ в плоскости Р, наблюдаемые на экране монитора видеоконтрольного устройства 14. Проекционный объектив 7 отсчетного устройства проектирует изображения с помощью зеркал 8 и 9 в плоскости ПЗС-матриц видеокамер 10 и 11. Измерение фокусного расстояния контролируемой оптической системы осуществляют следующим образом. Юcтировочными перемещениями микроскопа 2 (фиг.1) добиваются появления вблизи центра экрана видеоконтрольного устройства 14 резкого изображения одного из штрихов тест-объекта, например I₁. При этом с помощью коммутатора 12 включена видеокамера 10 (фиг.3), а видеокамера 11 при этом выключена. Одновременно с изображением штриха тест-объекта I₁ на экране наблюдается неподвижный биссектор, который формируется формирователем контрольных меток 13.

Алгоритм формирования контрольных меток можно представить следующим образом. Полный телевизионный сигнал (ПТС) с видеокамер 10 или 11 через коммутатор 12 поступает на вход селектора синхроимпульсов 16 и на сигнальный вход смесителя 17 устройства формирования контрольных меток 13. Одновременно со второго выхода коммутатора 12 на первый вход знакогенератора 18 поступает логический сигнал, определяющий выбранную видеокамеру. Селектор синхроимпульсов 16 выделяет из видеосигнала строчные и кадровые синхроимпульсы, которые поступают на знакогенератор 18. Знакогенератор 18 синхронно с кадровыми и строчными синхроимпульсами формирует сигнал (контрольные метки) в соответствии с информацией, хранящейся в его постоянном запоминающем устройстве, для выбранной коммутатором 12 видеокамеры. В смесителе 17 осуществляется наложение видеосигнала с сигналом знакогенератора 18. Видеосигнал с выхода смесителя 17, содержащий информацию о контрольных метках, поступает на монитор видеоконтрольного устройства 14 для отображения. На экране монитора наблюдается изображение тест-объекта, сформированное в плоскости ПЗС-матрицы выбранной видеокамеры и контрольные метки, вид которых зависит от информации, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве знакогенератора 18, например штрихи измерительной шкалы или биссектор.

С помощью тонкой подвижки микроскопа 2 (фиг.1) в направлении измерений (показано стрелкой) добиваются точного совмещения изображения штриха тест-объекта I₁ с биссектором, как это показано на фиг.4. После этого с помощью коммутатора 12 отключают от видеоконтрольного устройства 14 видеокамеру 10 (фиг. 3) и включают видеокамеру 11. При этом на экране видеоконтрольного устройства 14 наблюдают изображение другого штриха тест-объекта I₂ и контрольных меток в виде делений измерительной шкалы, создаваемой формирователем контрольных меток 13, как это показано на фиг.5, или штрихи биссектора, которые ограничивают зону, в пределах которой может находиться изображение штриха тест-объекта I₂ в случае годной оптической системы. Видеокамеры 10 и 11 (фиг.3) установлены таким образом, что при номинальном значении фокусного расстояния контролируемой системы изображение I₂ совпадает с нулевой отметкой шкалы, что достигается юстировочной подвижкой видеокамеры 11 в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива 7 и линии пересечения зеркал. Суммарное номинальное смещение Т центров ПЗС-матриц видеокамер 10 и 11 с оптической оси проекционного объектива 7 может быть определено по формуле:
T=T₁+T₂=f'₀tv/f'_K,
где T₁ и Т₂ - смещения центров ПЗС-матриц видеокамер 10 и 11 с оптической оси проекционного объектива 7 (фиг.3);
f'₀ - номинальное значение фокусного расстояния контролируемой оптической системы;
t -расстояние между штрихами тест-объекта;
v - линейное увеличение проекционного объектива 7 микроскопа;
f_K - фокусное расстояние объектива 6 коллиматора.

В этом случае при отклонении фокусного расстояния контролируемой системы от номинального значения изображение I₂ оказывается смещенным относительно нулевой отметки шкалы (фиг.5). Относительное смещение изображения I₂ в случае завышенного значения фокусного расстояния контролируемой оптической системы поясняет ход главного луча, показанный на фиг.3 пунктиром. Измерительная шкала может быть проградуирована в процентах от измеряемой величины фокусного расстояния. Для настройки отсчетного устройства на заданное значение фокусного расстояния предусмотрена подвижка видеокамеры 11 (фиг.3) в направлении измерений (показано стрелкой).

Таким образом, описанное устройство позволяет выполнить измерение фокусного расстояния оптической системы без осуществления перемещений его элементов, обеспечивая тем самым повышение не только производительности, но и точности контроля.

Источники информации:
1. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. Под ред. проф. Д.Т.Пуряева. М.: Машиностроение, 1987, с. 156.

2. Патент РФ N 2072217, 1997 г.

3. ГОСТ 13095-82. Объективы. Методы измерения фокусного расстояния. - М: Госстандарт, 1982 (прототип).

Устройство включает коллиматор, в фокальной плоскости объектива которого расположен тест-объект в виде группы параллельных штрихов, и микроскоп, содержащий проекционный объектив и отсчетное устройство. Отсчетное устройство содержит два зеркала, установленные под углом к оптической оси проекционного объектива и пересекающиеся на ней по линии, параллельной штрихам тест-объекта, две видеокамеры, каждая из которых оптически связана с соответствующим зеркалом, коммутатор, формирователь контрольных меток и видеоконтрольное устройство. Одна из видеокамер установлена с возможностью котировочных перемещений в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива и линии пересечения зеркал. Первый и второй входы коммутатора соединены с соответствующей видеокамерой, а первый и второй входы формирователя контрольных меток соединены с соответствующими выходами коммутатора, а выход подключен к видеоконтрольному устройству. Обеспечивается повышение точности и производительности измерений. 5 ил.

Устройство для контроля фокусных расстояний оптических систем, включающее оптически связанные коллиматор, в фокальной плоскости объектива которого расположен тест-объект в виде группы параллельных штрихов, и микроскоп, содержащий проекционный объектив и отсчетное устройство, отличающееся тем, что отсчетное устройство содержит два зеркала, установленные под углом к оптической оси проекционного объектива и пересекающиеся на ней по линии, параллельной штрихам тест-объекта, две видеокамеры, каждая из которых оптически связана с соответствующим зеркалом, причем одна из видеокамер установлена с возможностью котировочных перемещений в направлении, перпендикулярном оптической оси проекционного объектива и линии пересечения зеркал, коммутатор, первый и второй входы которого соединены с соответствующей видеокамерой, а также формирователь контрольных меток, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами коммутатора, а выход подключен к видеоконтрольному устройству.