Фотоэлектрическое автоколлимационное устройство Советский патент 1992 года по МПК G01B11/26 

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

Известны оптико-электронные датчики линейного и углового контроля, такие как фотоэлектрические устройства для бесконтактного контроля линейного или углового положения объектов, в которых световой знак (марка, щелевая диафрагма) сопрягается посредством оптических элементов с отражательным зеркалом, помещенным на подвижном объекте, положение которого необходимо контролировать фотоприемником. Так, известно автоколлимационное устройство, содержащее оптическую автоколлимационную систему с коллимирующим объективом, световым знаком и приемником. Световой знак в виде щелевой диафрагмы последовательно проектируется на контролируемый объект (плоское зеркало, установленное на последнем) и фотоприемник. При рассогласовании между визирной осью кол- лимирующего объектива автоколлимирую- щей системы и контролируемым объектом угловое перемещение объекта преобразуется в линейное перемещение изображения светового знака в плоскости фотоприемника.

х|

СА

ч

ю ь

Недостатками устройства являются ограниченная площадка фотоприемника, что приводит к уменьшению пределов контролируемых параметров, пониженная чувствительность из-за однощелевой системы светового знака.

Известен автоколлиматор АФ-1Ц, в котором марка-щель выполнена в виде двух прозрачных крестов и проектируется оптической системой на отражатель, предназначенный для размещения на объекте, и фотоприемник.

Измерение угла рассогласования между визирной осью автоколлиматора, соответствующего объектива и контролируемым объектом, т. е. отражателем, в таких устройствах осуществляется методом компенсации с помощью электромеханической следящей системы. Постепенный износ подвижных элементов следящей системы, погрешности, вносимые при их изготовлении, нелинейность воспроизведения компенсатором передаточной функции и невысокое быстродействие снижают точность измеряемой величины и чувствительность. Из-за однощелевой системы и ограничения размеров площадки приемника уменьшается диапазон контролируемых размеров.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение диапазона контролируемых размеров.

Цель достигается тем, что в фотоэлектрическом автоколлимационном устройстве, содержащем осветитель, оптический блок с приемником излучения и отражатель, предназначенный для размещения на объекте, оптический блок выполнен в виде конденс - ора, плоского зеркала, установленного под углом 45 ° коптической оси, отражательной призмы с щелевой диафрагмой, ориентированной таким образом, что ее гипотенузная грань параллельна отражательной поверхности плоского зеркала, и последовательно расположенных со смещением относительно оптической оси между отражательной призмой и отражателем кольцевого зеркала, плоского зеркала и объектива, второго объектива, расположенного в ходе излучения, отраженного от отражателя, со смещением в сторону, противоположную смещению первого объектива, и системы в виде двух плоских зеркал и приемника излучения в виде ПЗС фотоприемника, блока опроса, вход которого связан с выходом фотоприемника, и микропроцессора, вход которого связан с блоком опроса, выход - с входом механизма поворота отражателя, а щелевая диафрагма выполнена в виде набора щелевых диафрагм, расположенных по обе стороны от центральной щелевой диафрагмы с шагом, равным отношению длины чувствительной площадки приемника к увеличению второго объектива.

Фотоэлектрические автоколлимационное устройство представлено на чертеже.

Автоколлимационное устройство содержит лампу 1 осветителя и оптический блок, включающий конденсор 2, плоское зеркало 3, установленное под углом 45° к оптиче0 скойоси, отражательную призму 4, ориентированную таким образом, что ее гипотенузная грань параллельна отражательной поверхности плоского зеркала, на выходной грани ее помещена щелевая ди5 афрагма 5. Затем последовательно установ- лены со смещением относительно оптической оси первый объектив 6, между ним и отражательной призмой 4 соосно объективу 6 расположены кольцевое 7 и пло0 ское 8 зеркала, отражатель 9, закрепленный на объекте 10, второй объектив 11, размещенный со смещением в сторону, противоположную смещению первого объектива 6 и системы плоских зеркал 12 и 13, фотоприем5 ник излучения 14, выполненный в виде линейки приемных элементов ПЗС. Щелевая диафрагма 5 выполнена в виде ряда щелей 15, 16, расположенных по обе стороны от центральной щели 5, имеющей ширину Ь.

0 Отражатель 9, предназначенный для размещения на объекте 10, имеет механизм поворота 17, вход которого подключен к блоку включения 18 (блоку опроса) через электронный блок 19 (микропроцессор), т. е. вход

5 последнего связан с выходом блока опроса 18, а выход - с входом механизма поворота 17 отражателя 9. Выход фотоприемника ПЗС 14 связан с входом блока опроса 18. Блок опроса 18 выполняет ф у н к 0 ции управления режимом работы фотоприемника 14, задает алгоритм формирования зарядового пакета, управляет временем его накопления и считывания, формирует сигналы, синхрони5 зирующие работу приемника 14 и микропроцессора 19, в частности фильтрацию, усиление. Блок микропроцессора 19 осуществляет преобразование импульсов зарядного пакета ПЗС приемника, поступающих

0 с выхода блока опроса 18, из аналоговой формы в цифровую, его запоминание и дальнейшую обработку в соответствии с алгоритмом вычисления. Алгоритм работы микропроцессора 19 определяется про5 граммой, занесенной в память устройства, и может быть изменен в соответствии с условиями эксплуатации. Алгоритм работы микропроцессора 19 предусматривает выделение информации о наличии на ПЗС полезного сигнала, проводит его

классификацию, вычисление координаты светового знака и всех необходимых параметров, формирует управляющий сигнал для управления механизмом поворота 17 отражателя 9.

Шаг между центрами щелевых диафрагм 5, 15, 16, имеющих разную ширину, на величинуЗид, был взят из частного отношения длины линейки приемника 14 кувеличе- нию второго объектива 11. Щелевая диафрагма 5 размещена в фокальной плоскости первого объектива 6. Число дополнительных диафрагм 15, 16 определяется увеличением оптической системы и пределами контролируемых параметров. Кольце- вое 7 и плоское 8 зеркала увеличивают базу, т. е. фокус первого (коллимирующего) объектива 6, и этим позволяют повысить чувствительность устройства и точность контроля.

Осветитель лампой 1 и конденсором 2 подсвечивает световой знак - щелевую диафрагму 5, Световые лучи, отразившись от плоского зеркала 3 и от гипотенузной грани отражательной призмы 4, попадают на выходную грань этой призмы 4 и далее на плоское зеркало 7, отражаются от него, падают на кольцевое зеркало 8 и попадают на первый объектив 6, Параллельный пучок лучей, выходя из последнего, отражается от отражателя 9 и попадает на второй объектив 11 и через систему плоских зеркал 12, 13 на приемник 14 с определенным увеличением. В исходном положении центральная щелевая диафрагма 5 проецируется на линейку приемника 14 в центре (на центральный приемный элемент). Микропроцессор 19 обрабатывает полученные сигналы с ПЗС линейки и регистрирует положение изображения диафрагмы 5 на приемнике 14 с высокой точностью. При смещении объек- та 10 и, следовательно, отражателя 9, т. е. рассогласовании контролируемого объекта 10 происходит пропорциональное смещение изображения центральной щели 5 вдоль линейки ПЗС приемника 14, которое при определенной величине рассогласования будет превышать геометрическую длину линейки приемника 14. Но в момент выхода изображения центральной щелевой диафрагмы 5 за пределы светочувствитель- ной линейки ПЗС приемника 14 на другом ее конце появляется изображение дополнительной щелевой диафрагмы. В зависимости от направления поворота отражателя 9 это будет либо щель 15, либо щель 16. При дальнейшем рассогласовании объекта 10, а следовательно, отражателя 9 по приемнику

14 будет перемещаться уже изображение дополнительной щелевой диафрагмы, что и зарегистрируют блок опроса 18 и микропроцессор 19, будет проведено измерение расстояния между дополнительной и центральной диафрагмой 5, сравнение ширины обеих диафрагм 5 и 15, 16 и выдача результата на цифровой выход микропроцессора 19. В результате обработки сигнала будет дана команда на механизм поворота 17 отражателя 9, который приведет его в исходное положение. Если за пределы линейки приемника 14 выйдет изображение дополнительной диафрагмы, то появится изображение второй дополнительной диафрагмы из этого ряда. Все это повышает чувствительность устройства на 30%, а пределы контролируемого параметра смещения отражателя (объекта) - в два раза. Формула изобретения Фотоэлектрическое автоколлимационное устройство, содержащее ос-ветитель, оптический блок, отражатель, предназначенный для размещения на объекте, и приемник излучения, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона контролируемых размеров, оптический блок выполнен в виде конденсора и последовательно расположенных плоского зеркала, установленного под углом 45° к оптической оси, отражательной призмы с диафрагмой, ориентированной так, что ее гипотенузная грань параллельна отражательной поверхности плоского зеркала, и последовательно расположенных со смещением относительно оптической оси между отражательной призмой и отражателем кольцевого зеркала, плоского зеркала и объектива, второго объектива, расположенного в ходе излучения, отраженного от отражателя, со смещением в сторону, противоположную смещению первого объектива, и системы в виде двух плоских зеркал, приемник излучения выполнен в виде ПЗС-фотоприемника, диафрагма выполнена в виде набора щелевых диафрагм, расположенных по обе стороны от центральной щелевой диафрагмы с шагом, равным отношению длины чувствительной площадки приемника к увеличению второго объектива, а устройство снабжено блоком обработки информации, выполненным в виде блока опроса, вход которого связан с выходом фотоприемника, микропроцессора, вход которого связан с блоком опроса, выход - с входом механизма поворота отражателя.

1Ю

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении. Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение диапазона контролируемых размеров. Осветитель подсвечивает световой знак - щелевую диафрагму, оптически сопряженную с контролируемым объектом через отражательный элемент и фотоприемником. В исходном положении центральная щелевая диафрагма проецируется на линейке приемника в центре (на центральном приемном элементе). Электронный блок обрабатывает полученные сигналы с ПЗС-линейки и регистрирует положение изображения диафрагмы на приемнике с высокой точностью.Прирассогласовании контролируемого объекта с оптическим устройством контроля его положения происходит пропорциональное смещение изображения центральной щелевой диафрагмы вдоль линейки ПЗС-фотоприемника, которое при определенной величине рассогласования будет превышать геометрическую длину линейки. Но в момент выхода изображения центральной щелевой диафрагмы за пределы светочувствительной линейки ПЗС-приемника на другом ее конце появится изображение первой дополнительной щелевой диафрагмы. 1 ил. сл с