ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ ОТ РЕФЕРЕНТНОГО НАПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01C3/06 G01C15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении, строительстве и других отраслях науки и техники для измерения отклонений расположения отдельных участков поверхностей различных объектов, или отдельных точек на их поверхности, относительно референтных направлений, задаваемых лазерным пучком, например его энергетической осью.

Известно устройство для измерения отклонений, в котором измерения расстояний от референтных направлений до определенных точек объектов на трассе определенной длины производится с помощью фотоэлектрического датчика, устанавливаемого последовательно на измеряемых точках и имеющего возможность смещения на величину, компенсирующую указанные расстояния. При этом измерения величин смещений от исходного положения до нулевого, фиксируемого различными регистраторами, производят различными способами [1]. Однако это устройство не позволяет производить одновременно измерения отклонений нескольких точек от референтных направлений, включая последнюю, что существенно снижает точность измерений вследствие нестабильности пространственного положения референтных направлений и отсутствия возможности регистрации последней точки во время измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является измерительное устройство, в котором последовательно на трассе установлены лазер, формирующее оптическое устройство и фотоэлектрические марки, содержащие светоделительные зеркала, расположенные под углом 45° к референтному направлению и отклоняющие референтный пучок в сторону фотоэлектрических координатно-чувствительных устройств и дающие возможность проходить лазерному пучку вдоль измеряемой трассы, вплоть до последней марки, это дает возможность контролировать пространственное положение референтного направления.

В качестве координатно-чувствительного устройства в настоящее время используются различные устройства, соответствующие современному уровню развития элементной базы. К таким координатно-чувствительным устройствам относятся, например, фотодиодные матрицы, размеры элементов которых сравнимы с энергетическими профилями падающих на них лазерных пучков. К другим конструкциям координатно-чувствительных устройств относятся следящие системы, в состав которых входят фотоэлектрические нуль-индикаторы, и ПЗС-матрицы, позволяющие производить измерения на основе серийных ПЗС-камер [2].

К недостаткам данного устройства относятся следующие факторы. Использование следящих систем и специальных фотодиодных матриц удорожает конструкции устройств, а использование ПЗС-матриц требует введение специальных оптических устройств, которые могли бы обеспечить размеры сфокусированных лазерных пучков в плоскостях светочувствительных площадок, сравнимых с размерами ячеек ПЗС-матрицы (≈20 мкм), и одновременно связать их смещения со сдвигами координатно-чувствительных устройств, закрепленных на измеряемых объектах. ПЗС-камеры имеют в своем составе объективы с малыми фокусными расстояниями, которые позволяют сформировать на ПЗС-матрицах референтный лазерный пучок требуемых размеров. Реализация второго требования весьма затруднительна, т.к. приводит к неработоспособности координатно-чувствительного устройства согласно геометрооптическому принципу: при параллельном смещении лучей, падающих на объектив, они собираются в точке фокуса, лежащей в близи задней фокальной плоскости объектива.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения отклонений отдельных участков поверхностей от референтных направлений в состав координатно-чувствительных устройств входит светорассеивающий экран, используемый, например в кинофотоустановках, расположенный за светоделительным зеркалом по ходу отраженного лазерного пучка и перпендикулярного ему.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема устройства для измерения отклонений отдельных участков поверхностей от референтного направления.

Устройство содержит лазер 1, оптическую систему 2, формирующую референтный лазерный пучок 3, светоделительные зеркала 4, светорассеивающие экраны 5, объективы 6, координатно-чувствительные элементы 7, координатно-чувствительные устройства 8, референтное направление 9, лазерный пучок 10 и фотоэлектрические марки 11.

Работает устройство следующим образом.

При попадании референтного лазерного пучка 3 на светоделительные зеркала 4 большая часть его мощности проходит по референтному направлению 9, а меньшая - отражается светоделительными зеркалами 4 в направлении, перпендикулярном плоскости светорассеивающих экранов 5, которые рассеивают лазерное излучение при отражении референтного лазерного пучка 3, создавая определенную индикатрису рассеяния. Этот пучок после отражения от экрана и рассеяния проходит через зеркала 4 и попадает на объективы 6, которые проецируют световые пятна на экранах 5 и на светочувствительные плоскости координатно-чувствительных фотоприемников 7, например ПЗС-матриц.

При проведении измерений путем перемещения экранов 5 вдоль оси, перпендикулярной плоскости экранов 5, осуществляется наилучшая фокусировка световых пятен на экранах в плоскости ПЗС-матриц объективами 6.

При этом диаметры 2Δ (-Δ; Δ) индикатрис рассеянных лазерных пучков 10 в главных плоскостях объективов 6 должны быть ориентировочно равны или больше величины диапазона измерений. Размеры сфокусированных лазерных пучков в плоскостях ПЗС объективами определяются выражением:

Использованные обозначения показаны на чертеже, где

d_ПЗС - диаметр лазерного пучка на ПЗС-матрице;

d_РП - диаметр референтного пучка;

а - расстояние до передней фокальной плоскости объектива;

а' - расстояние до задней фокальной плоскости объектива.

Устройство позволяет использовать в конструкции широкий диапазон модификаций серийных ПЗС-камер, т.к. изменение увеличения (Г*) осуществляется сравнительно легко. При этом работоспособность предлагаемого устройства сохраняется во всем диапазоне измерений, т.к. перемещение пятна сформированного лазерным пучком 10 по экрану пропорционально смещению фотоэлектрической марки 11.

Источники информации

1. Авт.св. СССР № 474677, кл. G01B 21/00, от 19.07.1973

2. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. - М.: Машиностроение, 1992, с.368, 451-454 (прототип).

Лазерное устройство для измерения отклонений отдельных участков поверхностей объектов от референтного направления, содержащее последовательно установленные лазер, оптическое устройство формирования референтного лазерного пучка и светоделительные зеркала, расположенные вдоль трассы измерений, установленные под углом к референтному направлению и частично отражающие референтный лазерный пучок, отличающееся тем, что перпендикулярно к отраженному от светоделительных зеркал лазерному пучку установлены светорассеивающие экраны, оптически согласованные с помощью объективов со светочувствительными поверхностями координатно-чувствительных элементов, подключенных к координатно-чувствительным устройствам, причем лазерный пучок после отражения от светорассеивающих экранов и рассеивания проходит через светоделительные зеркала и попадает на объективы. Технический результат - упрощение конструкции, повышение точности измерения. 1 ил.

Лазерное устройство для измерения отклонений отдельных участков поверхностей объектов от референтного направления, содержащее последовательно установленные лазер, оптическое устройство формирования референтного лазерного пучка и светоделительные зеркала, расположенные вдоль трассы измерений, установленные под углом к референтному направлению и частично отражающие референтный лазерный пучок, отличающееся тем, что перпендикулярно к отраженному от светоделительных зеркал лазерному пучку установлены светорассеивающие экраны, оптически согласованные с помощью объективов со светочувствительными поверхностями координатно-чувствительных элементов, подключенных к координатно-чувствительным устройствам, причем лазерный пучок после отражения от светорассеивающих экранов и рассеивания проходит через светоделительные зеркала и попадает на объективы.