Устройство для измерения рабочего отрезка объективов Советский патент 1983 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может выть использовано при технологических измерениях рабочего отрезка объективов, в частности длиннофокусных объективов, при их сборке. Известно устройство, содержащее оптически связанные источник света, конденсор, тест-объект, оптику переноса изображения тест-объекта в плоскость анализа, барабан анализатора с растром, нанесенным на барабан, привод анализатора, фотоприёмннк, индикатор. Устройство также содержит дополнительный источник света, дополнительный фотоприёмник, фазочувствительный детектор, входы которого подключены к фотоприемникам, а выход соединен с индикатором и дополнительный- привод, вход которого подключен к выходу фазочувствительного детектора, а выход связан с контролируемым объективом 1. Недостатком устройства является огра ннченный диапазон измерения, связанный с тем, что при .больших расфокусировках уменьшается разность электрических сигналов, снимаемых с фотоприемника присканировании плоскости анализа, что приводит к потере чувствительности фазовой системы управления перемещением контролируемого объектива. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее оптически связанный источник света, конденсор, тест-объект, оптику переноса изображения тест-объекта в плоскость анализа; диск анализатора с .растром, привод диска анализатора, фотоприемннк,блок, выделения информационных сигналов с двумя выходами, блок сканирования изображения тест-объекта вдоль оптической оси оптической системы с дополнительным приводом, вход блока выделения информационных сигналов подключен к фотоприемнику. Устройство также содержит сумматор, фазочувствительный . детектор, генератор, привод контролируемого объектива, входы сумматора подключены к выходам блока выделения информационных сигналов, выход сумматора соединен с первым входом фазочувствительного детектора., второй вход «которого подключен к выходу генератора, вход которого связан с дополнительным приводом, выход фазочувствительного детектора связан с приводом контролируемого объектива (2). Изображение тест-объекта подвергается пространственной фильтрации на двух пространственных частотах - опорной и измерительной, на выходе фотоприемника формируется сигнал сложного спектра, первые гармонические составляющие которого выделяются полосовыми фильтрами, детектируются детекторами. 68 Присканировании плоскости изображения на вь)деленные информационные сигналы накладывается огибающая, фаза которой зависит от полон(ения контролируемого объектива. Огибающие суммируются сумматором и подаются на первый вход фазочувствительного детектора, на второй вход которого подается опорный сигнал с генератора. Сигнал с выхода фазочувствительного детектора .определяется положением контролируемого объектива, т. е. положением его фокальной плоскости относительно крайних положений плоскостей сканирования. В случае, если фокальная плоскость объектива находится между плоскостями сканирования, то огибающая не содержит сигнал с частотой сканирования, а содержит вторую гармонику, и постоянная составляющая сигнала на выходе фазочувствительного детектора равна нулю, контролируемый объектив не перемещается. Если фокальная плоскость объектива смещена относительно середины плоскостей сканирования, в огибающей появляется первая гармоника, величина которой зависит от крутизны расфокусировочной кривой, т. е. кривой/связывающей величину сигнала на выходе фильтра с величиной расфокусировки (смещением объектива). Фаза огибающей зависит от знака смещения объектива. Очевидно, что при таком формировании огибающей, его величина, а следовательно и чувствительность следящей системы зависит от двух факторов - крутизны расфокусировочной кривой и амплитуды сканирования. Амплитуда, сканирования определяется высшей пространственной частотой, на которой осуществляется пространственная фильтрация изображения тест-объекта. Чем выше пространственная частота, тем выше точность фокусирования, так как при повышении пространственной частоты, увеличивается наклон расфокусировочной кривой. Для увеличения диапазона измерения используется опорная частота пространственной фильтрации. Однако при больших расфокусировках, глубина модуляции оказывается настолько малой, что устройство теряет чувствительность. Недостатком устройства также является ограниченное быстродействие следящей системы. Для контроля объективов, выпускаемыхмассовым производством повышение быстродействия увеличивает производительность и снижает трудоёмкость изготовления объективов, так как для одинаковой

программы требуется меньшее количество приборов.

Целью изобретения является расширение диапазона и повышение производительности измерений.

Указанная.цель достигается тем, что уотройство, содержащее оптически связанные источник света, конденсор, тест-объект, оптику переноса изображения тест-объекта в плоскость анализа, диск анализатора с растром, привод диска анализатора, фотоприемник, блок выделения информационных сигналов с двумя выходами, блоком сканирования изображения тест-объекта вдоль оптической оси оптической системы с дополнительным приводом, вход блока выделения информационных сигналов подкл1ачен к фотоприемнику, снабжено двумя фильтрами нижних частот, блоком формирования управляющих сигналов, преобразователем положения, двумя блоками запоминающими, блоком усреднения, блоком экстремума, индикатором, первый и второй информационный входы блока формирования управляющих сигналов подключены к выходам фильтров нижних частот, входы которых подключены к первому и второму выходам блока выделения информационных сигналов, преобразователь положения связан с блоком сканированя, выход преобразователя положения соединен с Информационными входами блоков запоминающих, выходы которых соединены с входами блока усреднения, выход которого соединен с информационным входом индикатора, вход блока эстремума подключен к выходу преобразователя положения, выход соединен с первыми входами блоков запоминания, третьим входом блока формирования управляющих сигналов и первым управляющим входом индикатора, второй управляющий вход которого подключен к первому управляющему выходу блока формирования управляющих сигна, лов, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с вторыми управляющими входами блоков запоминания.

Блок сканирования выполнен в виде цилиндра, ось вращения которого не совпадает с его геометрической Осью, а поверхность цилиндра выполнена зеркальной, преобразователь положения состоит из сельсин-датчика, сельсин-приемника, генератора, синхронного детектора и фазовращателя, выход генератора соединен с управляющим входом сельсин-датчика и входом фазовр ащателя, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, информационный вход которого подключен к выходу сельсин-приемника, вход которого подключен к выходу сельсиндатчика.

Кроме того, блок формирования управляющих сигналов состоит из делителя, компаратора, триггера, двух формирователей и узла задержки, выход делителя соединен с первым входом компаратора, выход которого соединен со счетным входом триггера, выход которого соединен с входами формирователей, выходы которых являются вторым и третьим управляющими выходами блока, выход второго формирователя соединен с входом узла задержки,, выход которого является первым управляющим выходом блока, вход делителя, второй вход компаратора и вход установки нуля триггера являются соответственно первым., - вторым и третьим входами блока.

На фиг. } представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы; на фиг. 3 - графики, поясняющие уменьшение динамической погрешности измерения.

0 , Устройство содержит источник I света, конденсор. 2, щелевую диафрагму 3 (тестобъект) полупрозрачный элемент 4, объектив 5 коллиматора, микрообъектив 6, диск 7 анализатора, привод 8, фоТоприг емник 9, блок 10 выделения информационных сигналов, состоящих из полосовых фильтров 11, 12 детекторов 13, 14. фильтры 15, 16 нижних частот, блок 17 формирования управляющих сигналов, состоящий из делителя 18, компаратора 19, триггера

0 20, формирователей 21, 22, узла 23 задержки, блок 24 сканирования, содержащий зеркальный цилиндр 25, дополнительный привод 26, датчик 27 положения, состоящим из сельсин датчика 28, сельсин приемника 29, синхронного детектора 30,

5 генератора 31, фазовращателя 32, блоки 33, 34 запоминающие блок 35 усреднения, блок 36 экстремума, состоящим из фильтра 37 нижних частот, узла 38 дифференцирования, нуль органа 39, формирователя 40, индикатор 41, блок уставки 42, контролируется объектив 43..

Устройство работает следующим образом.

Изображение щелевой диафрагмы 3, освещаемой осветителем, состоящим нз

5 источника света 1 и конденсора 2, строится с помощью полупрозрачного элемента 4, объектива 5 коллиматора, контролируемого объектива 43 на поверхности зеркального цилиндра 25.

Отраженные от поверхности зеркально го цилиндра 25 световые пучки с помощью контролируемого объектива 43, объектива 5 коллиматора строят в плоскости микро-, объектива 6 изображение щелевой диафрагмы 3, которое переносится микрообъекти5 аом б в плоскость, в которой установлен диск 7 анализатора, вращаемый приводом 8. На диск 7 анализатора нанесены растровые решетки, которые осуществляют про странственную фильтрацию изображения щелевой диафрагмы 3. Решетки растра нанесены на диск 7 анализатора с двумя частотами - нормирующей и измерительной, Частота нанесения измерительной решетки выше частоты нанесения нормирующей ркшетки. Конкретные значения частот выби раются в зависимости от типа контролируемого объектива, его фокусного расстояния, а также качества контролируемого объектива, т. е. коэффициента передачи модуляции на выбранной пространственной частоте. Изображение щелевой диафрагмы 3 прошедшее прюстранственную фильтрацию растровыми рещетками, нанесенными на диск 7 анализатора попадает на фотоприемник 9, где. преобразуется в электрический сигнал сложного спектра. Первые гармонические составляющие электрического сигнала сложного спектра выделяются полосовыми фильтрами И, 12 и детектируются детекторами 13, 4 блока 10 выделения информационного сигнала. Напряжения, выделяемые блоком 0выделения инф&рмационного сигнала сглаживаются фильтрами 15, 16 нижних частот и поступают на информационные входы блока 17 формирования управляющих сигналов. Сигнал, соответствующий расфокусировочной кривой|формируемь1Й при пространственной фильтрации на низкой пространственной частоте (фиг. 2, диаграмма 15) поступает на вход делителя 18, с выхода которого поступает на первый вход компаратора 19. Сигнал, соответствующий расфокусиррвочной кривой, формируемой при пространственной фильтрации изображения щелевой диафрагмы 3 на высокой пространственной частоте (фиг. 2, диаграмма 16)j поступает на второй вход компаратора J9. При работе устройства, дополнительный привод 26, связанный с блоком 24 сканирования, выполненным в виде зеркального цилиндра 25, осуществляет его вращение, При вращении зеркального цилиндра 25 происходит сканирование плоскости изображения щелевой диафрагмы 3 вдоль оптической оси оптической системы, осуществляемое по синусоидальному закону, так как ось вращения зеркального цилиндра 25 не совпадает с его геометрической осью. Закон сканирования определяется выражениемLcH Lcis-m sina(1) где LtH - текущее смещение изображения щелевой диафрагмы 3; Leu -максимальное смещение изображения щелевой диафрагмы 3. А -угол поворота зеркального барабаЙа. За один оборот зеркального барабана 25 происходит сканирование в двух направлениях (фиг. 2, кривая диаграмма 24), т.е. изменяется знак сканирования. На выходе фильтров 15, 16 нижних частот за один оборот зеркального барабана 25, дважды формируются две огибающие, две расфокусировочные кривые (фиг. 2, диаграммы 15 и 16). При превышении напряжения огибающей на выходе фильтра 16 нижних частот определенного опорного уровня, соответствующего, например, уровню, близкому к точке перегиба огибающей (фиг. 2, диаграмма 16, точка 1а)срабатывает компаратор 19 (фиг. 2, диаграмма 19), выходной сигнал с которого передним фронтом перебрасывает триггер 20 (фиг. 2, диаграмма 20), из нулевого в единичное состояние. По переднему фронту сигнала, снимаемого с триггера 20, формирователь 22 формирует импульсный сигнал управления (фиг. 2, диаграмма 22), поступающий на выход .блока 17 формирования управляющего сигнала. Положение блока 24 сканирования фиксируется датчиком 27 положения, состоящего из сельсин датчика 28, сельсин-приемника 29, синхронного детектора 30, генератора 31 и фазовращателя 32. Генератор 31 формирует сигналы поступающие на сельсин-датчик 28. На выходе сельсин датчика 28 в зависимости от положения его вала, связанного с блоком 24 сканирования, формируются модулированные сигналы, поступающие на сельсин-приемник, на выходе которого формируется амплитудно-модулированные сигналы (фиг. 2, диаграмма 29), поступающие на вход синхронного детектора 30, на второй вход которого через фазовращатель 32 поступают сигналы с генератора 31. Синхронный детектор 30 осуществляет детектирование сигналов, снимаемых с сельсин-приемника 29 с учетом фазы. На входе синхронного детектора 30 формируется сигнал (фиг. 2, диаграмма 30), огибающая которого определяется выражениемивых Увых max-sintf,ti) где UgbiK-текущее выходное напряжение; вых.и1ах-максимальное выходное напряжение;d - угол поворота сельсин датчика. Тогда текущее смещение изображения щелевой диафрагмы 3 и выходное напряжение огибающей, формируемой на выходе синхронного детектора 30 из (2) определяется выражением. .. max I I/ I ивЫХ -тLct( IV ЬМ, Ьск max где К - масштабный коэффициент. При формировании первого управляющего сигнала формирователем 22, текущее положение плоскости сканирования, представленное в виде напряжения фиксируется блоком 33 запоминающим, выполненным, например, в виде динамического запоминающего устройства. При изменении направления сканирования, при превышении огибающей на выходе фильтра 16 нижних частот опорного уровня соответствующего уровню, близкому к точке перегиба огибающей (фиг. 2, диаграмма J6, точка 26) компаратор 19 повторно срабатывает, выходной сигнал с компаратора 19 перебрасывает триггер 20 а нулевое состояние. По заднему фронту Сигнала, снимаемого с триггера 20, формирователь 23 формирует второй управляющий сигнал поступающий на выход блока 17 управляющих сигналов (фиг. 2, диаграмма 21). При этом текущее положение плоскости сканирования, представленное в виде напряжения фиксируется блоком 34 запоминающим, также выполненным, например, в виде динамического запоминающего устройства. Сигналы с выходов блоков 33, 34 зайоминающих поступают на вход блока усреднения, выполненного, например, в виде аналогового сумматора, осуществляющего усреднение амплитуд входных сигналов путем суммирования с определенным масштабным коэффициентом, например, 0,5. II .и&мП-ЦвычЕ , ., c(a)tcH(2) н ,} MBJiUt И --V-.ttl гдеиеыку-выходное напряжение сумматора; ьых цчапряжение на выходе блоков 33,34 запоминания; L ) .„ положение плоскостей сканироваL.cis(i6) , ц момент формировання первого и второго управляющего импульсов;Lcus)-среднее положение плоскости сканирования. Сигнал, сформированный формирователем 21 задерживается узлом 23 задержки и поступает на управляющий вход индикатора 41 осуществляющего считывание и индикацию среднего положения плоскостей сканирования относительно отсчетной базы, которая может регулироваться блоком 42 уставки, при аттестации устройства с помощью эталонного объектива с номинальным рабочим .отрезком. Таким образом, на выходе индикатора 41 индицируется значение, рабочего отрезка объектива относительно эталонного значения. Калибровка диапазона измерения может осуществляться, например, путем изменения масштабного коэффициента блока 35 усреднения с помощью эталонного объектива с известной величиной рабочего отрезка. Сигнал, снимаемый с синхронного детектора 30 поступает на вход фильтра 37 нижних частот блока 36 экстремума, дифференЩ1руется узлом 38 дифференцирования, с выхода которого поступает на вход нульоргана 39, формирующего прямоугольный сигнал, передний фронт которого совпадает с одним из крайних положений блока 24 сканирования. По переднему фронту сигнала, снимаемого с выхода нуль-органа 39, формирователь 40 формирует сигнал сброса, сбрасывающий триггер 20, блоки 33, 34 запоминающие и индикатор 41 (фиг. 2, диаграммы 37, 38, 39, 40), в исходное состояние. Работа устройства может проходить как в непрерывном, так и в старт-стопном режиме. Из фиг. 2, диаграмма 15 видно, что диапазон измерения рабочего отрезка объективов не ограничивается диапазоном, при котором присутствует сигнал на выходе фильтров 15, 16 нижних частот, т.е. фактчески может быть любым и определяется диапазоном сканирования блока 24 сканирования. Использование пространственной фильтрации на двух нростраиственных частотах, фильтров 15, 16 нижних частот, делителя 18 и компаратора 19 дает возможность осуществлять следящее компарирование при тором относительный уровень компарирования не зависит от яркости источника 1 света, изменения чувствительности фотоприемника 9, изменения светопропускания контролируемого объектива 43. Введение фильтров 15, 16 нижних частот исключает ложное срабатывание компаратара 19, однако создает временную задержку. Временную задержку также создают по-. лосовые фильтры П, 12. При этом управляющие импульсы формируются с задержкой, что приводит к тому, что блоки 33, 34 запоминания фиксируют положение плоскости сканирования также с задержкой. На фиг. За представлен график из которого видно, что при одной и той же временной задержке, ошибка пространственной фиксации положения плоскости сканирования изменяется при синусоидальном законе сканирования, т.е. возникает динамическая погрешность- измерения. При линейном законе сканирования ошибка пространственной фиксации положения плоскости сканирования не изменяется, т.е. возникает систематическая погрешность, которая может быть учтена при-калибровке устройства. Формирование первого управляющего сигнала при сканировании в одном из направлений, а второго управляющего сигнала при сканировании в противоположном на. правлении значительно уменьшает динамическую погрешность измерения, так как при одном направлении сканирования погрешяость имеет один знак, при измененик направления сканирования погрешность имеет противоположный знак (фиг. 36).

При усреднении двух результатов измерення погрешности , в значительной мере компенсируют друг друга, так как имеют разные знаки, хотя абсолютная величина каждой КЗ них изменяется в зависимости от величины рабочего отрезка контролируемого объектива. Синусоидальный закон сканирования осуществить значительно проще, чем линейный прн осуществлении которого уменьшается быстродействие устройства.

При линейном законе сканирования испюльзуется датчик положения с линейной передаточной характеристикой и цифровым выходом. Блоки 33, 34 запоминания выполняются в виде буферных регистров, блок 35 усреднения выполняется в виде цифрового

сумматора, а блок 36 экстремума выполняется в виде дешифратора, формирующего импульсный сигнал при достижении блоком 34 сканирования граничного (крайнего) положенин.

Следует отметить, что формирование двух управляющих сигналов, считывание двух результатов измерения с их последующим усреднением, позволяет измерять рабочие отрезки объективов, характеризующихся различным качеством изображения, так как расширение расфокуснровочной кривой для высокой пространственной частоты с одновременным уменьшением максимального значення при ухудщении качества изображения, изменяет промежуточные результаты измерения при формировании каждого из двух управляющих импульсов, однако их среднее значение не изменяется.

I. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАБОЧЕГО ОТРЕЗКА ОБЪЕКТИВОВ, содержащее оптически связанные источник света, конденсор, тест-объект, ontHKy переноса изображения тест-объекта в плоскость анализа, диск анализатора с растрам; при-; вод диска анализатора, фотоприемник, блок выделения информационных сигналов с двумя выходами, блок сканирования изображения тест-объекта вдоль оптической оси оптической системы с дополнительным приводом, вход блока выделения информационных сигналов подключен к фотоприемиику, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения производительности измерений, оно снабжено двумя фильтрами нижних частот, блоком формирования управляющих сигналов, преобразователем положения, двумя блоками запоминающими, блоком усреднения, блоком экстремума, индикатором, первый и второй информационные входы блока формирования управляющих сигналов подключены к выходам фильтров нижних частот, входы которых подключены к первому и второму выxoдiaм блока выделения информационных сигналов, преобразователь положения связан с блоком сканирования, выход преобразователя положения соединен с информационными входами блоков запомииаюших, выходы которых соединены с входами блока усреднения, выход которого соединен с информационным входом индикатора, вход блока экстремума подключен к выходу преобразователя положения, выход соединен с первыми входами блоков запоминания, третьим входом блока формирования управляющих сигналов и первым управляющим входом индикатора, второй управляющий вход которого подключен к первому управляющему выходу блока формирования управляющих сигналов, второй и третий управляющие выходы которого соединены соответственно с вторыми управляющими входами блоков запоминания. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок сканирования выполнен в виде цилиндра, ось вращения которого не совпадает с его геометрической осью, а пол i верхность цилиндра выполнена зеркальной преобразователь положения состоит из (Л сельсин-датчика, сельсин-приемника, генератора, синхронного детектора и фазовращателя, выход генератора соединен с управляющим входом сельсин-датчика и входом фазовращателя, выход которого сое-. динен с управляющим входом синхронного . детектор, информационный вход которого подключен к выходу сельсин-приемника, вход которого подключен к выходу сельсин датчика. 4J 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формнровання управляющих сига налов состоит из делителя, компаратора, 00 триггера, двух формирователей и узла задержки, выход делителя соединен с первым входом компаратора, выход которого соединен со счетным входом триггера, выход которого соединен с входами формирователей, выходы которых являются вторым и третьим управляющими выходами блока, выход второго формирователя соединен с входом узла задержки, выход которого является первым управляющим выходом блока, вход делителя, второй вход компаратора и вход установки нуля триггера являются соответственно первым, вторым и третьим входами блока.

Фиг.

. .

т

Е7

37

3 5Э

t-r

ад

44Напр. ска ни p.

uioaii &iowZ ли out t йиошг

Atou Atout3 utoui Ai/mu3

4f(jw3 tow

T-/

Motat 6toui4UJ/oaij

ЛИош1 й11ошЧ

&иошЧ

&touitt uteuii