Устройство для определения положения фокальной плоскости объектива Советский патент 1986 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в контрольно-измерительной технике для определения положения фокальной плоскости об ьективов и является усоверп1енст- вованием известного устройства по авт. св. № 1080053.

Цель изобретения - раси1ирение диапазона измерений.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства при выполнении фокуси- руюш.его э„ гемента в виде плоских зеркал с дополнительным объективом; на фиг. 2 - то же, при выполнении фокусирующего элемента в виде сферических зерка.ч; на фиг. 3 - трехэлементная линейка фотоприемников, образованная из трех фотоприемников и диафрагмы в фор.ме тавра; на фиг. 4 - тоже, при ее образовании из четырехэлеме1| т- пого фотоприемника квадранта и диафрагмы в форме креста; на фиг. 5 - диаграммы изменения освещенности Е, разности освещенностей ДЕ в соседних полупериодах на светоприемпой площадке фотоприемника электрических сигналов измерительного U29, командного Uan и управляющего Uyn в зависимости от расфокусировки А объектива.

Устройство для определения положения фокальной плоскости объектива содержит тест-объект 1, освещаемый источником света 2, испытуемый объектив 3, установленный под углом к его оси светоделитель 4, расположенные по обе стороны светоделителя 4 отражающие поверхности 5 и 6, выполненные в виде плоских зеркал (фиг. 1) или в виде сферических зеркал (фиг. 2). В случае выполнения отражающих поверхностей 5 и 6 в виде плоских зеркал между испытуемым объективом 3 и светоделителем 4 уста- новлен коллиматорный объектив 7. Светопри- емная площадка 8 фотоприемника установлена на участке совпадения оптических осей фокусирующих элементов, содержащих отражающие поверхности 5 и 6 посередине расстояния между их фокальными плоскостями 9 и 10. Между отражающи.ми поверхностями 5 и 6 и светоделителем 4 установлен модулятор света, выполненный в виде непрозрачного полудиска 11, закрепленного на валу еинхронного электродвигателя 12. Поверхность 13 полудиска 11, обращенная к светоделителю 4, вьшолнена зеркальной. В одном из каналов установлен фотоэлектрический преобразователь 14, включающий внеосевую диафрагму 15, цилиндрическую положительную линзу 16 и трехэле- ментную линейку фотоприемников 17. Выходы крайних светочувствительных элементов линейки 7 через усилители 18 и 19 соответственно соединены с двумя входами переключателя полярности 20, выполненного на оено- ве мостовой схемы. Выход среднего эле.мен- та линейки 17 через усилитель 21 соединен с обмоткой ачектромагнитного реле 22. Выход перек;1ючателя полярноети 20 через

0

о 5

5

нормально замкнутый контакт 23 электромагнитного реле 22 соединен с управляющим входом исполнительного механизма 24, кинематически связанного с механизмом 25 перемегцения коллиматориого объектива 7 (фиг. 1) или испытуемого объектива 3 (фиг. 2). Механизм 25 кинематически связан с датчиком перемещения 26, выход которого еоединен с входом индикаторного устройства 27, например цифрового вольтметра. Выход фотоприе.мника 8 через усилитель 28 соединен с входом фазового детектора 29, другой вход которого соединен с двигателем 12 (не показано). Выход детектора 29 через нормально разомкнутый контакт 30 электромагнитного реле 22 соединен с управляющим входо.м исполнительного механиз.ма 24. Трехэлементная линейка фотоприемника 17 выполнена в виде трех сгруппироваппых треугольником фотодиодов 31, 32, 33 и уетановленной перед ними диафрагмы 34 в форме тавра (фиг. 3) или в виде четырехэлементного фотоприе.мника 35 типа квадрапта и установленной перед ним диафрагмы 36 в форме креста, развернутого относительно линий 37 раздела светочувствительных элементов квадранта 35.

В качеетве светоприемной площадки 8 фотоприемника могут быть иепользованы как непосредственно светочувствительный слой фотодиода, фоторезистора или фототранзистора, так и светоприемная диафрагма, установленная перед фотоприемником или оптически с ним сопряженная.

Определение положения фокальной плоскости объектива 3 осуществляется следую- .м образом.

Световой поток, выходящий из испытуемого объектива 3 и содержащий изображение тест-объекта 1, оевещенного источником света 2, разделяется светоделите. гем 4 на два пучка. Эти пучки поочередно перекрываютея вращающи.мся полудиско.м 11, .модулирующим световой сигнал в каждом пучке. Испытуе.мый объектив 3 и отражающие поверхности 5 и 6 последовательпо проецируют изображение тест-объекта 1 в плоскости 9 и 10. При это.м одновременно .модулированный световой сигна. г, содержащий изображение тест-объекта 1, направляется зеркальной поверхностью 13 полудиска 11 на фотоэлектрический преобразователь 14, где из части светового сигнала, прошедшей внеоеевую диафрагму 15, цилиндрической линзой 16 в плоскости рехэлемент- ной линейки 17 фотоприемников 17 формируется вытяliyтoe изображение тест-объекта 1 в виде полосы 38 (фиг. 3 и 4), перпендикулярной нагфавлению размещения эле.мен- тов т)ехэле.ментной линейки 17. При малых по величине расфокусировках объектива 3 в фотоэ-лектрическом преобразоватате 14 оеве- щенпая по/юса 38 формируется на среднем эле.менте (фиг. 2 и 4) линейки 17 фотоприе.м

НИКОВ, вызывая в его выходной цепи электрический сигнал, который после усиления в усилителе 21 запитывает обмотку электромагнитного реле 22. Реле срабатывает и, замыкая контакт 30, соединяет управляющий вход исполнительного механизма 24 с выходом фазового детектора 29, переключая тем самым управление исполнительным механизмом 24 на управление от электрического сигнала основного фотоприемника 8. В цепи фотоприемника 8 в это же время образуется пульсирующий по амплитуде электрический сигнал, соответствующий разности освещенностей в плоскости его светочувствительного слоя, создаваемых световыми пучками, идущими от отражающих поверхностей 5 и 6. Этот электрический сигнал после усиления, преобразования и определения полярности при помощи фазового детектора 29 и сигнала от синхронного двигателя 12 подается на исполнительный механизм 24, который при помощи меха- низма перемещения 25 осуществляет точную компенсацию выявленной расфокусировки, т. е. осуществляет осевое перемеп ение объектива 7 (фиг. 1) или объектива 3 (фиг. 2) до достижения равенства освещенностей светочувствительного слоя фотоприемника 8 при его поочередном освещении пучками, идущими от отражающих поверхностей 5 и 6. При этом при помощи датчика перемещения 26 на индикаторном устройстве 27, оцифрованном в величинах измеряемой расфокусировки, регистрируется величина и знак расфокусировки испытуемого объектива 3, т. е. фактические расстояние с учетом направления от его фокальной плоскости до тест-объекта 1 в устройстве, изображенном на фиг. 1, или величина и знак несовпадения тест-объекта 1 с фокальной плоскостью объектива 3 до начала измерения в устройстве, изображенном на фиг. 2. При больших расфокусировках объектива 3 в фотоэлектрическом преобразователе 14 освещенная полоса 38 формируется на одном из крайних элементов (фиг. 1 и 3) трехэлементной линейки 17 фотоприемников, в зависимости от знака расфокусировки, создавая в выходной цепи этого элемента электрический сигнал, который после усиления и определения полярности при помощи переключате- ля полярности 20 подается через нормально замкнутый контакт 23 на исполнительный механизм 24, осуществляющий при помощи механизма перемещения 25 грубую компенсацию расфокусировки объектив.а 3, т. е. осе- вое перемещение объектива 7 (фиг. 1) или объектива 3 (фиг. 2). При этом положение освещенной полосы 38 на линейке фотоприемника 17 смещается в сторону среднего элемента. Процесс перемещения освещенной полосы 38 по линейке 17 фотоприемников в фотоэлектрическом преобразоватапе 14 при осевом перемещении объектива 7 фиг. 1) или объектива 3 (фиг. 2) объясняется происхо

5

0 5 Q 5

0

дящим при этом изменением угла сходимости пучков света, выходящих из этих объективов, и, как следствие, изменением угла падения на цилиндрическую линзу 16 узкого краевого пучка света, прощедщего через внеосевую диафрагму 15.

В момент освещения полосой 38 среднего элемента линейки 17 грубая компенсация расфокусировки заканчивается, так как в выходной цепи среднего элемента линейки 17 возникает электрический сигнал, вызывающий срабатывание электромагнитного реле 22. В этот момент происходит кание контакта 30 и переключение управляющего входа исполнительного механизма 24 на выход фазового детектора 29 и начинается вьццеописанный процесс точной компенсации расфокусировки объектива 3. После окончания процесса точной компенсации расфокусировки с индикаторного устройства 27 считывают величину и знак измерения расфок) сировки объектива 3.

Процесс формирования и изменения управляющего сигнала Uynp на входе исполнительного механизма 24 при изменении расфокусировки Д объектива 3 поясняется диаграммами на фиг. 5. Па диаграмме изменения освещенности Е светочувствительного слоя фотоприемника 8 от расфокусировки А кривая EI описывает изменение освещенности, создаваемой пучком света, идущим от отражающей поверхности 5, а кривая Ео - пучком света, идущим от отражающей поверхности 6. Расфокусировка объектива ±До, при которой значения EI и Е2 максимальны, соответствует в пространстве изображений тест-объекта расстоянию от светоприемной площадки 8 фотоприемника до фокальной плоскости 9 или 10. Соответствующим подбором указанных расстояний добиваются, чтобы кривые EI и Еа при расфокусировке пересекались на участке наибольшей крутизны кривых, что обеспечивает максимальную крутизну кривой ДЕ, описывающей изменение разности освещенностей (Еа-Ei) светочувствительного .слоя 8, при переходе через (фиг. 5), и, соответственно, наибольшую точность регистрации нулевой расфокусировки. Форма кривой измерительного электрического сигнала Uoo на выходе фазового детектора 29 совпадает с формой кривой изменения ДЕ. Как видно из диаграммы, при определенной величине расфокусировки, обозначенной ±.4, на фотоприемнике 8 регистрируется только фоновая засветка Ефо„, т. е. разность освещенностей Ео и Е|, а также сигнал Uog на выходе фазового детектора 29 равны нулю. Соответствующим подбором ширины среднего элемента линейки фотоприемника 17 добиваются, чтобы на выходе переключателя полярности 20 командный Сигнал Uao не равнялся нулю при расфокусировках объектива 3 больщих, чем До и

меньших чем -Ло (фиг. 5), тогда изменение управляющего сигнала Ыулр во входной цепи исполнительного механизма 24 описывается кривой, изображенной на фиг. 5 нижней диаграммой.

Формула изобретения

1. Устройство для определения положения фокальной плоскости объектива по

через нормально замкнутый контакт реле - с входом исполнительного механизма.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов, фотоэлектрический преобразователь содержит цилиндрическую линзу, установленную на оптической оси.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линейка фотоприемников выполнена из трех светочувствительных элеменавт. св. № 1080053, отличающееся тем, что, Ю тов, установленных треугольнико м с распос целью расширения диапазона измерений, в один из двух образованных светоделителем каналов введены электромагнитное реле и фотоэлектрический преобразователь угол сходимости светового пучка - электри- ческий сигнал, выполненный в виде последовательно установленных внеосевой диафрагмы и позиционно-чувствительного фотоприемника в виде линейки, содержашей не менее двух светочувствительных элементов, причем один выход преобразователя сое- 20 динен с управляющим входом реле, а другой

ложенной перед ними диафрагмой, имеющей форму тавра.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительные элементы выполнены в виде четырехквадрантного фотоприемника, а диафрагма имеет форму тавра или креста.

5.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительные элементы выполнены в виде трех расположенных в линию фотоприемников, длина среднего из которых меньше длины крайних.

через нормально замкнутый контакт реле - с входом исполнительного механизма.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов, фотоэлектрический преобразователь содержит цилиндрическую линзу, установленную на оптической оси.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что линейка фотоприемников выполнена из трех светочувствительных элемен тов, установленных треугольнико м с распотов, установленных треугольнико м с расположенной перед ними диафрагмой, имеющей форму тавра.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительные элементы выполнены в виде четырехквадрантного фотоприемника, а диафрагма имеет форму тавра или креста.

5.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительные элементы выполнены в виде трех расположенных в линию фотоприемников, длина среднего из которых меньше длины крайних.

21

1Z

Фиг. 2.

32

36

Фиг.З

фиг.

Е

озон

Фиг. 5