Способ измерений угловых параметров уголкового отражателя и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК G01B11/26 G01B5/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений угловых параметров зеркальных и призменных уголковых отражателей:

- углов между направлениями отраженных уголковым отражателем пучков параллельных световых лучей и направлением падающего на уголковый отражатель (УО) пучка параллельных световых лучей;

- погрешностей изготовления двугранных углов между его отражающими гранями.

УО [1] разделяет падающий на него пучок параллельных световых лучей одного направления на шесть отраженных им пучков параллельных световых лучей, каждый из которых после отражения выходит через свою зону выходного окна. Если имеется УО с тремя плоскими и строго перпендикулярными отражающими гранями, то в соответствии с геометрической оптикой все шесть пучков параллельных световых лучей отражаются по одному направлению, параллельному направлению падающего пучка.

Известен способ измерений угловых параметров уголкового отражателя и устройство для его осуществления [1], при котором пучок параллельных световых лучей (ПСЛ) из автоколлиматора направляют на УО, отражают от него шесть пучков ПСЛ, возвращают их по тому же пути обратно в автоколлиматор с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и измеряют микрометром координаты изображений автоколлимационной марки автоколлиматора.

Устройство, реализующее этот способ, состоит из предметного столика и автоколлиматора с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора.

Недостатком данного способа и устройства являются погрешности измерений угловых параметров УО из-за дифракционного размытия и слияния изображений автоколлимационной марки, полученной от шести пучков ПСЛ в фокальной плоскости объектива автоколлиматора.

Также известен способ [2] измерения угловых параметров УО, при котором пучок ПСЛ из автоколлиматора направляют на выбранную зону входного/выходного окна УО, равную одной шестой площади входного/выходного окна УО, который после отражения в УО направляют на плоское зеркало, отражают от него и возвращают по тому же пути обратно в автоколлиматор с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, измеряют микрометром координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора.

Устройство [2], реализующее этот способ, состоит из предметного столика, автоколлиматора с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и плоского зеркала, жестко скрепленного с автоколлиматором и установленным по ходу лучей, отраженных от граней контролируемого двугранного угла УО.

Недостатками данного способа и устройства являются невозможность проведения высокоточных измерений углов между направлениями отраженных УО пучков параллельных световых лучей относительно направления падающего на УО пучка ПСЛ, а также ограничение повышения точности измерений двугранных углов между отражающими гранями.

Решение задачи, высокоточных измерений углов между направлениями отраженных УО пучков ПСЛ и направлением падающего на УО пучка ПСЛ и определение погрешностей изготовления углов между его отражающими гранями, особенно актуально в связи с созданием УО, который разделяет падающий на него пучок ПСЛ одного направления на отраженные пучки ПСЛ двух заданных направлений.

Необходимость же изготовления УО, разделяющего падающий на него пучок ПСЛ одного направления на отраженные пучки ПСЛ двух заданных направлений, связана с возможностью уменьшения влияния скоростной аберрации при дальномерных измерениях, например, для ГЛОНАС и GPS. В этом случае от УО, установленного на спутнике с целью лазерной дальнометрии, можно получать отраженные сигналы с большей мощностью.

По совокупности и последовательности технологических операций, способ [2] является наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению.

Задачей изобретения является создание способа измерений угловых параметров уголкового отражателя и устройства для его осуществления, устраняющих указанные недостатки.

Технический результат - получение способа измерений угловых параметров уголкового отражателя и устройства для его осуществления с возможностями измерений большего числа угловых параметров УО с повышенной точностью и надежностью.

Это достигается тем, что в способе измерений угловых параметров уголкового отражателя (УО) плоскость входного/выходного окна УО связывают с системой координат OXYZ, у которой точка О начала координат совпадает с проекцией вершины УО на плоскость входного/выходного окна, ось OZ перпендикулярна плоскости входного/выходного окна УО и направлена по направлению от вершины к плоскости входного/выходного окна, ось ОХ параллельна проекции ребра УО, образованного пересечением первой и второй отражающих граней, на плоскость входного/выходного окна УО и направлена по направлению от точки О к ребру УО, образованному пересечением третьей отражающей грани с плоскостью входного/выходного окна, фокальную плоскость объектива автоколлиматора связывают с системой координат X'O'Y', у которой оси О'Х' и O'Y' соответственно параллельны плоскостям XOZ и YOZ, пучок ПСЛ направленный из автоколлиматора на выбранную зону входного/выходного окна УО, равную одной шестой его площади, предварительно пропускают через окно в плоском зеркале, при этом над выбранной зоной входного/выходного окна УО ориентируют одну из двух открытых симметричных зон непрозрачной диафрагмы так, чтобы полностью открылась выбранная зона на входном/выходном окне УО для прохода пучка ПСЛ из автоколлиматора, кроме того, измерения микрометром координат изображения автоколлимационной марки автоколлиматора ведут для шести зон (i=1, 2, …6) входного/выходного окна УО дважды, т.е. для каждого из двух положений УО, где второе положение отличается от первого на разворот УО вместе с диафрагмой на угол 180° вокруг оси, параллельной падающему на УО пучку ПСЛ и проходящей через центр окна в плоском зеркале и центр открытой зоны диафрагмы, затем по разности координат определяют угловые отклонения а'_xi и a'_yi, соответственно в плоскостях XOZ и YOZ, для каждого из шести (i=1, 2, …6) направлений отраженных УО пучков ПСЛ, относительно направления падающего на УО пучка ПСЛ, как

где

x'_i и y'_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', первое положение УО,

xʺ_i и yʺ_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', после поворота УО на 180°, второе положение,

ƒ' - фокусное расстояние объектива автоколлиматора,

по формулам вычисляют угловые погрешности δ₁, δ₂ и δ₃ двугранных углов УО:

где

δ₁ - угловая погрешность между первой и второй отражающими гранями,

δ₂ - угловая погрешность между второй и третьей отражающими гранями,

δ₃ - угловая погрешность между третьей и первой отражающими гранями,

n - показатель преломления.

Устройство для осуществления этого способа, содержащее предметный столик с установленным на нем испытуемым УО, автоколлиматор с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и плоское зеркало, жестко скрепленное с автоколлиматором и установленное по ходу лучей, отраженных от УО, дополнительно содержит непрозрачную диафрагму, с двумя открытыми симметричными зонами, с возможностью разворота диафрагмы для ориентирования двумя симметричными открытыми зонами над двумя любыми симметричными зонами входного/выходного окна УО, при этом плоское зеркало выполнено с окном обеспечивающим пропускание пучка ПСЛ из автоколлиматора к одной из открытых зон на входном/выходном окне УО, предметный столик с установленным на нем испытуемым УО выполнен с возможностью подвижек по двум взаимно перпендикулярным направлениям в плоскости, перпендикулярной к направлению пучка ПСЛ из автоколлиматора, и с возможностью поворота вокруг оси этого пучка, причем отверстие в плоском зеркале выполнено так, что в него вписывается только одна проекция, по направлению падающих лучей, от одной из открытых зон на входном/выходном окне УО.

На фиг. 1 дана принципиальная схема данного устройства.

Устройство для осуществления описываемого способа, содержит предметный столик 1 с установленным на нем испытуемым УО 2, автоколлиматор 3 с объективом 3.1 и микрометром 3.2, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и плоское зеркало 4, жестко скрепленное с автоколлиматором и установленное по ходу лучей, отраженных от УО.

Устройство дополнительно содержит непрозрачную диафрагму 5, с двумя симметричными открытыми зонами 5.1 и 5.2 (равными двум симметричным входным/выходным зонам из шести входных/выходных зон в плоскости входного/выходного окна УО). Диафрагма выполнена с возможностью ее разворота для ориентирования двумя симметричными открытыми зонами 5.1 и 5.2 над двумя любыми симметричными зонами входного/выходного окна УО. При этом плоское зеркало 4 выполнено с окном 4.1, обеспечивающим пропускание пучка ПСЛ направления из автоколлиматора 3 к одной из открытых зон на входном/выходном окне УО (той зоны на входном/выходном окне УО, что находится за открытой зоной 5.1 диафрагмы). Предметный столик 1 с установленным на нем испытуемым УО 2 выполнен с возможностью подвижек по двум взаимно перпендикулярным направлениям и в плоскости, перпендикулярной к направлению пучка параллельных лучей из автоколлиматора, и с возможностью поворота на 180° вокруг оси этого пучка вместе с диафрагмой 5. Вместе с тем, отверстие 4.1 в плоском зеркале выполнено так, что в него вписывается только одна проекция, по направлению падающих лучей, от одной из открытых зон на входном/выходном окне УО.

Рассмотрим последовательность выполнения всех операций способа измерений угловых параметров УО с помощью устройства для измерений, фиг. 1.

Испытуемый УО 2 устанавливают на столик 1 перед автоколлиматором 3. Плоскость входного/выходного окна УО связывают с системой координат OXYZ, фиг. 2, у которой точка О начала координат совпадает с проекцией вершины УО на плоскость входного окна, ось OZ перпендикулярна плоскости входного окна УО и направлена по направлению от вершины к плоскости входного окна УО, ось ОХ параллельна проекции ребра УО, образованного пересечением первой (I) и второй (II) отражающих граней, на плоскость входного/выходного окна УО и направлена по направлению от точки О к ребру УО, образованному пересечением третьей отражающей грани с плоскостью входного/выходного окна. Связывают (фиг. 1) фокальную плоскость объектива 3.1 автоколлиматора 3 с системой координат X'O'Y', у которой оси О'Х' и O'Y' параллельны соответственно плоскостям XOZ и YOZ.

При этом, если с плоскостью входного окна связать ось ОХ₂, которая может поворачиваться в плоскости входного окна вокруг оси OZ от оси ОХ против часовой стрелки на любой угол ϕ, то выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=0 и осью ОХ₂ при ϕ=60° образует четвертую зону (i=4); выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=60° и осью ОХ₂ при ϕ=120° образует третью зону (i=3); выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=120° и осью ОХ₂ при ϕ=180° образует вторую зону (i=2); выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=180° и осью ОХ₂ при ϕ=240° образует первую зону (i=1); выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=240° и осью ОХ₂ при ϕ=300° образует шестую зону (i=6); выделяемая часть входного окна между осью ОХ₂ при ϕ=300° и осью ОХ₂ при ϕ=360° образует пятую зону (i=5).

Пучок ПСЛ из автоколлиматора пропускают, в отличие от известного решения, через окно 4.1 в плоском зеркале 4. Пропускают его в направлении на выбранную зону входного/выходного окна УО, равную одной шестой (i=1, 2, …6) площади входного/выходного окна УО, при этом над выбранной зоной входного/выходного окна УО ориентируют одну из двух открытых симметричных зон или 5.1, или 5.2 непрозрачной диафрагмы 5 так, чтобы полностью открылась выбранная зона на входном/выходном окне УО для прохода пучка ПСЛ из автоколлиматора.

После отражения в УО пучок ПСЛ направляют на плоское зеркало 4, отражают от него и возвращают по тому же пути обратно в автоколлиматор с объективом 3.1 и микрометром 3.2, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и измеряют микрометром 3.2 координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора.

Обозначают измеренные микрометром вдоль осей О'Х' и O'Y' координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора как х'_i и y'_i.. Затем, поворачивают на 180° столик 1 с испытуемым УО 2 и диафрагмой 5 вокруг оси, параллельной падающему на УО пучку параллельных световых лучей и проходящей через центр окна 4.1 в плоском зеркале 4 и центр окна 5.1 в диафрагме 5. Вновь измеряют вдоль осей О'Х' и O'Y' микрометром 3.2 координаты xʺ_i и уʺ_i полученного от плоского зеркала автоколлимационного изображения марки автоколлиматора в фокальной плоскости его объектива 3.1.

Измерения микрометром координат изображения автоколлимационной марки автоколлиматора ведут дважды для каждой из шести зон (i=1, 2, …6) входного/выходного окна УО. Для этого, каждый раз, предварительно ориентируя над выбранной зоной одно из двух открытых окон диафрагмы (поворотами диафрагмы 5 вокруг оси OZ), поступательно смещают УО вместе с диафрагмой (подвижками по двум взаимно перпендикулярным направлениям и ) в плоскости, параллельной плоскости зеркала 4, относительно его окна 4.1 так, чтобы пучок ПСЛ, после прохода через окно 4.1 в зеркале и открытое окно 5.1 в диафрагме, попадал в соответствующую зону входного/выходного окна УО.

По разности координат определяют угловые отклонения а'_xi и а'_yi, соответственно в плоскостях XOZ и YOZ, для каждого из шести (i=1, 2 …6) направлений отраженных уголковым отражателем пучков ПСЛ, относительно направления падающего на УО пучка ПСЛ, как

где

x'_i и y'_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', первое положение УО,

хʺ_i и yʺ_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', после поворота УО на 180°, второе положение,

ƒ' - фокусное расстояние объектива автоколлиматора,

по формулам вычисляют угловые погрешности δ₁, δ₂ и δ₃ двугранных углов УО:

где

δ₁ - угловая погрешность между первой и второй отражающими гранями,

δ₂ - угловая погрешность между второй и третьей отражающими гранями,

δ₃ - угловая погрешность между третьей и первой отражающими гранями,

n - показатель преломления.

Предлагаемые способ и устройство являются более эффективными по сравнению с известными способом и устройством. В отличие от известного технического решения в данном решении обеспечивается высокая точность измерения углов между направлениями отраженных УО пучков ПСЛ и направлением падающего на УО пучка ПСЛ. Также в данном техническом решении исключаются погрешности измерений, связанные с наложением автоколлимационных изображений для пучков ПСЛ, выходящих из всех шести зон входного/выходного окна УО. При этом, по сравнению с известным техническим решением, обеспечивается повышение точности измерений двугранных углов УО в два раза за счет повторного получения изображения автоколлимационной марки от зеркала после поворота УО на 180°.

Литература

1. Тудоровский А.И. Отражательная система с тремя взаимно перпендикулярными плоскостями в случае небольших отклонений углов от прямых. Труды ГОИ, XIV, 1941.

2. Мейтин В.А. Способ определения погрешностей изготовления прямых двугранных углов зеркально-призменных элементов и устройство для его осуществления. Авт. свид-во 693110. Бюл. изобр. №39, 1979 г.

Способ может быть использован для измерений угловых параметров зеркальных и призменных уголковых отражателей. В способе пучок ПСЛ, направленный из автоколлиматора на выбранную зону входного/выходного окна УО, предварительно пропускают через окно в плоском зеркале. При этом над выбранной зоной входного/выходного окна УО ориентируют одну из двух открытых симметричных зон непрозрачной диафрагмы, которая полностью открывает выбранную зону на входном/выходном окне УО для прохода пучка ПСЛ из автоколлиматора. После отражения в УО пучок ПСЛ направляют на плоское зеркало, отражают от него и возвращают по тому же пути обратно в автоколлиматор с объективом и микрометром. Измеряют микрометром координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора для каждой из шести зон (i=1, 2, …6) входного/выходного окна УО дважды. По разности координат определяют угловые отклонения для каждого из шести направлений отраженных УО пучков ПСЛ относительно направления падающего на УО пучка ПСЛ. По формулам вычисляют угловые погрешности двугранных углов УО. Технический результат - повышение точности и надежности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерений угловых параметров уголкового отражателя (УО), при котором пучок параллельных световых лучей (ПСЛ) из автоколлиматора направляют на выбранную зону входного/выходного окна УО, равную одной шестой площади входного/выходного окна УО, который после отражения в УО направляют на плоское зеркало, отражают от него и возвращают по тому же пути обратно в автоколлиматор с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и измеряют микрометром координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора, отличающийся тем, что плоскость входного/выходного окна УО связывают с системой координат OXYZ, у которой точка О начала координат совпадает с проекцией вершины УО на плоскость входного/выходного окна, ось OZ перпендикулярна плоскости входного/выходного окна УО и направлена по направлению от вершины к плоскости входного/выходного окна, ось ОХ параллельна проекции ребра УО, образованного пересечением первой и второй отражающих граней, на плоскость входного/выходного окна УО и направлена по направлению от точки О к ребру УО, образованному пересечением третьей отражающей грани с плоскостью входного/выходного окна, фокальную плоскость объектива автоколлиматора связывают с системой координат X'O'Y', у которой оси О'Х' и O'Y' соответственно параллельны плоскостям XOZ и YOZ, пучок ПСЛ, направленный из автоколлиматора на выбранную зону входного/выходного окна УО, предварительно пропускают через окно в плоском зеркале, при этом над выбранной зоной входного/выходного окна УО ориентируют одну из двух открытых симметричных зон непрозрачной диафрагмы так, чтобы полностью открылась выбранная зона на входном/выходном окне УО для прохода пучка ПСЛ из автоколлиматора, кроме того, измерения микрометром координат изображения автоколлимационной марки автоколлиматора ведут для шести зон (i=1, 2, …6) входного/выходного окна УО дважды, т.е. для каждого из двух положений УО, где второе положение отличается от первого на разворот УО вместе с диафрагмой на угол 180° вокруг оси, параллельной падающему на УО пучку ПСЛ и проходящей через центр окна в плоском зеркале и центр открытой зоны диафрагмы, затем по разности координат определяют угловые отклонения a'_xj и a'_yi, соответственно в плоскостях XOZ и YOZ, для каждого из шести (i=1, 2, …6) направлений отраженных УО пучков ПСЛ, относительно направления падающего на УО пучка ПСЛ, как

где

х'_i и y'_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', первое положение УО,

хʺ_i и уʺ_i - координаты изображения автоколлимационной марки автоколлиматора вдоль осей О'Х' и O'Y', после поворота УО на 180°, второе положение,

ƒ' - фокусное расстояние объектива автоколлиматора,

по формулам вычисляют угловые погрешности двугранных углов УО:

где

δ₁ - угловая погрешность между первой и второй отражающими гранями,

δ₂ - угловая погрешность между второй и третьей отражающими гранями,

δ₃ - угловая погрешность между третьей и первой отражающими гранями,

n - показатель преломления.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее предметный столик с установленным на нем испытуемым УО, автоколлиматор с объективом и микрометром, расположенным в фокальной плоскости объектива автоколлиматора, и плоское зеркало, жестко скрепленное с автоколлиматором и установленное по ходу лучей, отраженных от УО, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит непрозрачную диафрагму, с двумя открытыми симметричными зонами, с возможностью разворота диафрагмы для ориентирования двумя симметричными открытыми зонами над двумя любыми симметричными зонами входного/выходного окна УО, при этом плоское зеркало выполнено с окном, обеспечивающим пропускание пучка ПСЛ из автоколлиматора к одной из открытых зон на входном/выходном окне УО, предметный столик с установленным на нем испытуемым УО выполнен с возможностью подвижек по двум взаимно перпендикулярным направлениям в плоскости, перпендикулярной к направлению пучка ПСЛ из автоколлиматора, и с возможностью поворота вокруг оси этого пучка, причем отверстие в плоском зеркале выполнено так, что в него вписывается только одна проекция, по направлению падающих лучей, от одной из открытых зон на входном/выходном окне УО.