Фотоэлектронный измеритель смещений светового пятна Советский патент 1987 года по МПК G01B21/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении.

Цель изобретения - повьшение точ- ности измерений координат светового пятна за счет согласования формы разверток электронного изображения пятна с параметрами треугольной диафраг мы.

На фиг. 1 приведена блок-схема фотоэлектронного измерителя; на фиг.2- схема расположения диафрагмы диссектора относительно направления раз-вертки электронного изображения све- тового пятна на фиг. 3 - эпюры напряжений строчной (а), кадровой (б) . развертки и положения синхроимпульсов начала и конца кадра (в); на фиг. 4 - блок-схема узла обработки видеосигнала:. Устройство содержит фокусирующую оптическую систему 1, диссекторный фотоприемник 2 с фотокатодом 3, фокусирующей катушкой 4, отклоняющими катушками 5 и треугольной диафрагмой 6, узел управления развертками диссектора-, содержащий генератор 7 строчной развертки, генератор 8 кадровой развертки, задаюгций генератор 9, формирователь 10 синхроимпульсов, а также узел 11 обработки видеосигнала, состоящий из обнаружителя 12 сигналов, аналогового запоминающего устройства 13, компаратора 14, фор- мирователей 15-17 команд, блока 18 памяти и арифметического устройства 19.

Диссекторный фотоприемник 2 опти- 4eckH с вязан с оптической системой 1 отклоняющие катушки подключены к первым выходам генератора 7 и 8 строчной и кадровой разверток, вторые выходы которых соединены между собой и с третьим входом узла 11 обработки видеосигналов. Входы генератора 7 строчной развертки и генератора 8 кадровой развертки соединены с выходом задающего генератора 9. Третий выход генератора 8 кадровой разверт- ки подключен к входу формирователя 10 синхроимпульсов, выход которого соединен с вторым входом узла 11 обработки видеосигнала, третий вход ко торого соединен с выходом диссектор- ного фотоприемника 2.

Вход обнаружителя 12 сигналов является первым входом узла 11 обработки видеосигнала, а выходы обнаружите11

ля 12 сигналов соединены через

формирователи 15 и 16 с управляющими входами блока 18 памяти. Первый вход аналогового запоминающего устройства 13 является вторым входом узла 11 обработки видеосигнала, второй вход аналогового запоминающего устройства 13 подключен к входу обнаружителя 12 сигналов и к второму входу компаратора 14, первый вход которого соединен с выходом аналогового запоминающего устройства 13 через емкость С,. Выход компаратора 14 подключен к входу формирователя 17 команд. Три выхода блока 18 памяти соединены с соответствующими тремя входами арифметического устройства 19, а три сигнальных входа блока 18 памяти соединены с выходами генераторов 7 и 8 строчной и кадровой разверток узла управления разверткой.

Согласование формы разверток с параметрами диафрагмы путем подбора соответствующих частот и амплитуд разверток обеспечивает вхождение свето- Boi o пятна по нормали в диафрагму. При этом момент контакта светового пятна с краем диафрагмы не зависит от размеров светового пятна и оказывается постоянным, что приводит к резкому увеличению точности получаемых координат.

Рабочая частота и амплитуда импульсов генератора 7 строчной развертки согласована с рабочей частотой и амплитудой импульсов генератора 8 кадровой развертки таким образом,что выполняется определенное соотношение между углами при вершинах диафрагмы 6 и развертки, а именно сумма угйа d при вершине диафрагмы 6 и угла /i, образованного направлениями профиля треугольно-симметричной зигзагообраз - ной развертки, равна 180°. Кратность отношения частоты кадровой развертки к частоте строчной развертки должна быть равна удвоенному числу сканирующих вдоль строки световых пятен.Действительно для получения зигзагообразной развертки на отклоняющие ка- тушки 5 подается от генераторов 7 и 8 разверток напряжение треугольно- симметричной формы. Причем частота кадровой развертки f должна быть выше частоты строчной развертки f

f 2 п-f стр ,

где п - число анализируемых вдоль строки пятен.

313

Тем самым обеспечивается движение диафрагмы 6 относительно изображения светового пятна по зигзагообразной траектории. Согласование угла d при вершине треугольной диа- фрагмы с углом /J, образованным направлениями развертки, достигается подбором амплитуды напряжения кадро - вой развертки таким образом, что .биссектрисы углов о и /j становятся параллельными. Диафрагма предварительно сориентирована так, что биссектриса угла 0 при. вершине диафрагмы перпендикулярна направлению стро- kи развертки. Кроме того, при сов- мещении вершины диафрагмы с вершиной треугольной развертки изображение светового пятна должно полностью проваливаться в отверстие диафрагмы с вершиной треугольной развертки, изображение светового пятна должно полностью проваливаться в отверстие диафрагмы. Амплитуда напряжения, кадровой развертки А определяется по параметрам диафрагмы диссек- тора путем использования геометрических соотношений между имеющимися элементами.

Амплитуда кадровой А и строчной развертки А определена параметрами, треугольной диафрагмы и удовлетворяет условию

А ,,7, а

sin -j

К Ctgrt +CtgJf

где а - длина наименьшей из сторон

диафрагмы, образующих уголо п - число пятен вдоль строки. Амплитуды разверток и их частоты , подобранные указанным образом, обеспечивают оптимальную работу устрой- ства за счет вхождения светового пятна в диафрагму и выхода из нее по нормали к соответству ощей стороне в точке независимо от изменения размеров измеряемого -пятна. При этом стабилизируется отсчет момента контакта и достигается максимальная точность определения координат центра тяжести световых пятен, которое ведется привязкой к этому моменту контакта. А значение у 90° является верхним граничным для используемой, треугольной диафрагмы.

5 O 5 0 5

.

5

0

5

114

Устройство работает следующим образом.

Сначала производится измерение эталонного пятна. Его изображение формируется фокусирующей оптической системой на фотокатоде 3 диссекторно- го фотоприемника 2. Электронное изображение проходит через пространство, охваченное отклоняюш 1ми катушками 5, и направляется на треугольную диафрагму 6. Переменное напряжение от генераторов 7 и 8 строчной и кадровой разверток осуществляет перемещение электронного изображение относительно треугольной диафрагмы 6. При попадании фотоэлектронов в треугольную диафрагму 6 на выходе диссекторно- го фотоприемника 2 появляется видеосигнал, несущий информацию о положении пятна.

Этот сигнал поступает в узел 11 .обработки видеосигнала. В узле 11 происходит выделение и запоминание следующей информации: t, - момент начала вхождения пятна в диафрагму; t - момент начала выхода пятна из диафрагмы; г момент полного выхода пятна из диафрагмы.

Эти моменты времени, отсчитываемые по видеосигналу, соответствуют либо эталонному пятну, либо пятну, которое изменяется на предьадущем этапе в случае системы пятен, отно-. сительно которых измерены все смещения пятна, отслеживаемого в текупщй момент. Положение рабочего видеоим-: пульса исследуемого пятна определяется моментами времени t., , t 2, t j. Начало временных отсчетов производится относительно синхроимпульса начала строки в момент времени tp.

Б узле 1.1 обработки производятся следующие операции. Вычисляется временное положение проекции центра эталонного пятна или предыдущего в случае системы пятен относительно синхроимпульса

50

.+

tOi t ol

03 t 02

Причем равенство в формулах получается из предположения, что за время длительности кадра размер светового пятна не изменяется. Аналогичной обработке в узле 11 обработки

513577

видеоимпульса подвергаются моменты времени, соответствующие рабочему импульсу

t . t, +

t 3 - t2

Ь Ч +

ts - t2

И находятся

- л

At t - t.,

1 L

sin

Эти значения и есть искомые проекции временных смещений, соответствующие координатам х и у исследуемого пятна в косоугольной системе координат, с углом между координатными осями, равным /ь , задаваемым треугольной разверткой. Эти проекции, определяемые по временным моментам, для положения пятна связаны с линейными перемещениями следующим образом

Если L - длина строки, то длина треугольной развертки равна

1

Задавая частоту строчной развертки fj., находим скорость треугольной развертки

V L-fc/sin /3/2.

Переход от проекций временных моментов к проекциям линейных смещений определяется следующими формулами:

JX ,f-f(sin /3/2) ,

Лу L-at -f (sin /3/2) .

Операция перехода из косоугольной системы координат в прямоугольную осуществляется в арифметическом устройстве 19 узла 11 обработки видеосигнала. При попадании следующего пятна в окрестность диафрагмы 6 процедура повторяется, причем набор двух координат получается при однострочном сканировании изображения треугольной диафрагмой 6.

В момент появления видеосигнала с выхода диссекторного фотоприемника 2 срабатывает обнаружитель 12 сигналов Его роль состоит в том, что при превышении амплитуды видеосигнала порогового уровня, установленного в ком

0

5

5

0

5

0

5 0

g

11 6

параторе 14, он дает команду на формирователь 15. Регулировка порогового уровня производится установкой его от внешнего источника постоянного напряжения. Сформированный по команде компаратора 14 в формирователе 15 командный импульс на запись в блоке 18 памяти позволяет занести в память сигнал в параллельно-двоичном коде, поступающий от вторых выходов генераторов 7 и 8 строчной и кадровой разверток. Этот сигнал, отсчитанный по длительности, дает момент времени t, . Выработка команды с формирователя 15 синхронизируется по моменту появления видеосигнала с уровнем, превышающим некоторый уровень шумов, соответствующего моменту t - вхождения светового пя тна в диафрагму.

В Момент реверса, соответствующего моменту совмещения вершины диафрагмы с вершиной зигзагообразной развертки, по синхроимпульсу, поступающему с формирователя 10 синхроимпульсов начала и конца кадра, в аналоговом запоминающем устройстве 13 записывается значение амплитуды видеосигнала 1лоля 9 соответствующее моменту полного провала светового пятна в диафрагму 6 диссекторного фотоприемника 2.

С аналогового запоминающего устройства 13 значение If,,, поступает на первый вход компаратора 14, на второй вход которого поступает текущее значение видеосигнала.

В момент начала выхода светового пятна из диафрагмы видеосигнал начинает уменьшаться, что приводит к срабатыванию компаратора 14 в момент, когда Тгек ущ видеосигнала меньше I ,дд„ . При срабатывании компаратора 14 выдается команда на формирователь 17, который вьщает разрешающий импульс записи сигнала от генераторов 7 и В строчной и кадровой разверток в блок 18 памяти. Это соответствует моменту времени tj - начала выхода пятна из диафрагмы 6 (фиг. 1), При полном выходе светового пятна за пределы диафрагмы 6 снова срабатывает обнаружитель 12 по уровню сигнала, который становится ниже порогового значения, задаваемого от внешнего источника, и подается команда на формирователь 16, которьй вырабатывает команду разрешения записи в блок 18 памяти сигнала от генераторов 7 и 8 строчной и кадровой разверток в момент времени tj - полного выхода пятна из диафрагмы диссектора Зафиксированные в блоке 19 памяти значения моментов времени t,t , t , соответствующие положению светового пятна относительно диафрагмы 6, подаются в арифметическое устройство 19, где производится вычисление ис- комых параметров по вышеприведенным формулам.

Формула изобретения

Фотоэлектронный измеритель смещений светового .пятна, содержащий фокусирующую оптическую систему,дис- секторный фотоприемник, включающий фотокатод, отклоняющую систему в ви- де пары катушек и треугольную диафрагму, расположенную за фотокатодом, генератор строчной развертки, задающий генератор, формирователь синхроимпульсов и узел обработки видеосиг- нала, оптическая фокусирующая система оптически связана с диссекторным фотоприемником, отклоняющие катушки подключены к первому выходу генератора строчной развертки, вход кото- рого подключен к выходу задающего генератора, выход формирователя синхроимпульсов соединен с первым входом узла обработки видеосигнала,второй вход которого соединен с выходом диссекторного фотоприемника, о т- личающийся тем, что, с

5

5 Q

5

целью повышения точности измерения координат световых пятен переменных размеров, он снабжен второй парой отклоняющих катушек, генератором кадровой развертки, вход которого соединен с выходом задающего генератора, первый выход - с второй парой отклоняющих катушек, второй выход - с вторым выходом генератора строчной развертки и с третьим входом узла обра- ботки видеосигнала, а третий выход соединен с входом формирователя синхроимпульсов, генератор строчной и кадровой разверток образуют блок симметрично треугольной развертки электронного изображения, треугольная диафрагма диссекторного фотоприемника ориентирована так, что биссектриса угла о1 при одной из его вершин перпендикулярна направлению строчной развертки, величина угла при другой ее вершине не более 90, кратность соотношения частот кадровой и строчной разверток равна двум, а амплитуды кадровой А, и строчной-А разверток определены параметрами треугольной диафрагмы и равны

А| а-sinof / 2 (ctgc +ctgoT) ;

tgc//2,

где а - длина наименьшей из сторон

диафрагмы,

а сумма углов с/ и /j , образованного направлениями треугольно-симметричной развертки, равна 180 .

К (0,L03

U2

У ,

x

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении. .Цель изобретения - повьшение точности измерения координат светового пятна. Цель достигается согласованием формы развертки электронного изображения пятна с геометрическими параметрами треугольной диафрагмы 6. Рабочая частота и амплитуда импульсов генератора 7 строчной развертки согласованы с рабочей частотой и амплитудой импульсов генератора 8 кадровой развертки, а именно сумма угла при вершине диафрагмы У и угла, образованного направлениями профиля треугольно-симметричной развертки, равна 180, кратность отношения частоты кадровой развертки к частоте строчной развертки равна удвоенному числу сканируемых вдоль строки световых пятен, а амплитуды строчной, и кадровой разверток соответствуют A a sint//2 : :(ctgo/+ctgy); : tg of/2, где a - длина наименьшей из сторон диафрагмы; п - число потери вдоль строки; у углы, прилежащие к стороне а диафрагмы. Соблюдение данньпс условий позволяет осуществить вхождение и выход светового пятна по нормали к сторонам диафрагмы. При этом момент контакта светового пятна с краем диафрагмы не зависит от размеров светового пятна и является постоянным.4 ил S (Л 556 СП Ф1/г,г

Нопро&ленае cmpo/fu

(JJUZ.2.

Налрав/гение разберлгг и

X

ШШШХШ.

фиг.