Оптическое фотоэлектрическое устройство Советский патент 1992 года по МПК G02B27/10 

Изобретение относится к оптическому приборостроению.

Известны оптические приборы, использованные для угловых смещений объективов.

Известен фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий осветитель, светоделитель, щелевые диафрагмы, отражательное зеркало с биморфом, коллимиру- ющий объектив, второй светоделитель и второй отражатель. Пучки лучей от осветителя попадают от светоделителей На приемники излучения, связанные с формирователем импульсов. По сигналу с генератора биморф с первым отражателем совершает колебательные движения, вызывая смещение двух автоколлимационных изображений первой щели по диафрагме. Посредством электронного блока вычисляют угловое смещение объекта 1.

Недостатками такого устройства являются низкая точность контроля, сложность

конструкции прибора, малый диапазон углового перемещения сигнала по поверхности приемника, не превышая длины приемника.

Наиболее близким к предлагаемому является фотоэлектрический автоколлиматор, содержащий осветитель, целевой знак, формирующий объектив, две куб-призмы, контрольный элемент, размещенный на объекте, линзовый компенсатор, модулятор с опорным каналом,разделитель светового потока на окуляр и фотоприемники. Целевой знак выполнен в виде двух прозрачно-параллельных крестов и расположен в фокальной плоскости формирующего объектива. Пучок лучей от осветителя освещает целевой знак, после куб-призмы и формирующего объектива падает на контролируемый элемент и, отразившись от него, проходит объектив, куб-призму, компенсатор и попадает на вторую куб-призму разделителя. Два световых потока падают на фотоприемники, а третий

г

Ј

VJ

сл со

|ь. -N

идет в окуляр. При повороте контрольного элемента на угол а вокруг одной из осей имеет место смещение изображений обоих крестов в горизонтальных и вертикальных щелях, расположенных перед приемниками. Полученное рассогласование преобразуется фотоприемниками в электрический сигнал, подаваемый на исполнительный двигатель, связанный также с опорным каналом. Двигатель и линзовый компенсатор отрабатывают возникающее угловое рассогласование, а его значение отсчитывается по отсчетному барабанчику, связанному с осью линзового компенсатора, или по преобразователю угловых перемещений, кинематически связаннгму с линзовым компенсатором 2.

Недостатки известного автоколлиматора - сложность конструкции, малый диапазон смещения изображений целевого знака, т.е. малый угол рассогласования, недостаточная точность фиксации контролируемого элемента.

Повысить точность контроля можно либо повышением разрешающей способности приемника или за счет оптической системы с повышенным увеличением, Отсутствие дополнительной промежуточной оптической системы, обладающей повышенным увеличением, снижает точность контроля. Кроме того, в данном приборе невозможно проконтролировать линейное смещение объекта.

Целью изобретения является повышение точности контроля.

Эта цель достигается тем, что в оптическое фотоэлектрическое устройство, содержащее осветитель, целевой знак, формирующий объектив и фотоприемник, введены бифокальный объектив, расположенный соосно с формирующим объективом, выполненным с центральным отверстием, и состоящий из двух попарно склеенных компонентов, где вторая пара склеенных компонентов бифокального объектива по диаметру равна внутреннему отверстию формирующего объектива и задние отрезки этих компонентов бифокального объектива равны между собой, отражательное кольцевое зеркало, установленное под углом к оптической оси формирующего объектива и центральное отверстие которого равно размеру второй пары склеенных компонентов бифокального объектива, и два проекционных объектива, оптически сопряженных с целевым знаком, плоскости изображений которых совмещены соответственно с плоскостями линейных приемников, причем один из приемников с . -ически сопряжен с целевым знаком посредством внешней кольцевой части формирующего объектива, внешней части первой пары склеенных компонентов бифокального объектива и кольцевой части наклонного

отражательного зеркала и электрически соединен с устройством определения и управления угловым положением, а второй приемник излучения оптически сопряжен с целевым знаком посредством центральной

0 части обеих пар компонентов бифокального объектива и электрически соединен с устройством определения и управления линейным положением, при этом осветитель, целевой знак и формирующий объектив раз5 мещены на неподвижном основании, а остальные элементы размещены с возможностью смещения и поворота, причем целевой знак выполнен в виде ряда щелей, расположенных по разные стороны на

0 равном расстоянии от центральной щели и отличающихся от нее и между собой по разные стороны расположения щелей по ширине.

На фиг. 1 показано устройство, общий

5 вид; на фиг.2 - щелевые диафрагмы; на фиг.З - оптическая схема устройства в развернутом виде; на фиг.4 - смещение объекта.

Оптическое фотоэлектрическое устрой0 ство содержит осветитель 1 (фиг.1), целевой знак 2, расположенный между фокусом формирующего объектива 3 с центральным отверстием и самим объективом, бифокальный объектив 4, размещенный соосно с фор5 мирующему объективом 3 и состоящий из двух пар склеенных компонентов 5 и б, кольцевое отражательное зеркало 7, установленное под углом к оптической оси формирующего объектива 3. Диаметры па0 ры склеенных компонентов 5 и отверстие кольцевого зеркала равны внутреннему отверстию формирующего объектива 3. Задние отрезки первой 6 и второй 5 пары склеенных компонентов бифокального объ5 ектива 4 равны между собой. Кольцевое зеркало 7 делит устройство на два канала, в каждом из которых расположены два проекционных объектива 8 и 9. В плоскости изображения объективов 8 и 9 размещены

0 линейные приемники 10 и 11. Один проекционный объектив 8 сопрягает подсвеченный целевой знак 2 посредством внешней кольцевой части формирующего объектива 3 внешней пары склеенных ком5 понентов 6 бифокального объектива и кольцевой части наклонного зеркала 7 с линейным фотоприемником ПЗС 11 (прибором с зарядовой связью), а второй проекционный объектив 9 сопрягает целевой знак 2 средством центральной части 5 бифокального объектива 4 с вторым линейным фотоприемником ПЗС 10. Оба фотоприемника 10 и 11 через блок 12 электронной обработки с устройством 13 определения и управления линейным положением и устройством 14 определения и управления угловым положением передают информацию о рассогласовании от начального положения контролируемого элемента 15. Осветитель 1, целевой знак 2 и коллимирующий объектив 3 расположены на неподвижном основании 16, а все остальные элементы - на подвижном контролируемом элементе 15.

Целевой знак 2 выполнен в виде ряда щелей: центральной щели 17 (фиг.2) и расположенных по обе стороны от нее нескольких щелей 18 и 19. Размеры щелей 18 и 19, расположенных с разных сторон от центральной щели 17, отличаются как от центральной щели 17, так и между собой по ширине. Так в конкретном устройстве ширина центральной щели 17 равна 0,02 мм. Ряд щелей 18с одной стороны взяты равными шириной 0,04 мм, а другой ряд щелей 19, размещенных по другую сторону от центральной щели 17, взяты шириной 0,01 мм. Наклонное кольцевое зеркало 7 установлено под углом 45° к оптической оси формирующего объектива 3.

Чтобы нагляднее показать работу устройства приведем оптическую схему, развернутую в одну линию. Осветитель 1 (фиг.З) подсвечивает целевой знак 2 - предмет AI, при этом часть светового потока проходит через сквозное отверстие формирующего объектива 3. Другая часть светового потока падает на внешнюю кольцевую зону формирующего объектива 3, которая создает мнимое изображение целевого знака 2, т.е. предмета AI в точке А2. Расстояние L между целевым знаком AI и его изображением Аа

S f равно L S - S, где . После

объектива 3 световой поток падает на бифокальный объектив 4, состоящий из компонентов 5 и 6. Свет, прошедший через внешнюю часть объектива 3, попадает на внешнюю зону объектива 4, т.е на компонент 6, который строит изображение мнимого предмета А2 в точке А2 . Поток, прошедший через центральное сквозное отверстие объектива 3, попадает на компонент 5 объектива 4, который строит изображение предмета AI в точке AI . Оптические параметры объектива 4 подобраны таким образом, что точки АГ и Аа совпадают. Проекционные объективы 8 и 9 переносят изображение целевого знака А-Г и Аг в

плоскость фотоприемников 10 и 11 с некоторым увеличением V (точки Ai,2 )

При рассогласовании контролируемого объекта 15 относительно неподвижного основания 1 б в общем случае произойдет смещение объекта 15 на величину А1.(фиг.4) и угловой заклон а (смещение и заклон контролируется только в плоскости чертежа). В результате в плоскости приемника произойдет смещение изображений целевых знаков АГ и А2, причем смещение изображения знака AI пропорционально линейному смещению объекта A L Смещение изображения знака А2( пропорционально

угловому заклону объекта а, а также линейному смещению объекта AL, из-за того, что сам знак А2 находится между фокусом и объективом 3. В частном случае, когда целевой знак At расположена в фокусе F

объектива 3, смещение изображения А2 пропорционально только угловому заклону а. Чтобы вернуть объект в исходное положение необходимо его линейно сместить на величину A L, а затем развернуть вокруг

главной точки объектива 4 на угол а. Эти смещения устройствами 13 и 14 управления положением контролируемого элемента 15 (т.е. объекта) осуществляют методом последовательных приближений до тех пор, пока

оба изображения целевых знаков At и А2 не вернутся к нулевому (исходному) отсчету. Для того, чтобы легче было выполнить обработку смещения изображений знаков АГ1 и А2 , приемная часть устройства выполнена с разделением на два канала с двумя ПЗС-приемниками.

Связь между перемещением изображения светового знака в плоскости фоточувствительных элементов приемника 10 и

линейным смещением объектов определяете) формулой

45

AL

5i

V2 V3

где д - смещение изображения светового знака,

AI - в плоскости фотоприемника;

V2 - увеличение проекционного объек- тива 9;

Уз - линейное увеличение центральной части 5 бифокального объектива 4,

Величина углового заклона объекта может быть определена по формуле

.

VI 12

где 6z - смещение изображения светового знака А2 в плоскости фотоприемника 11;

Vi - увеличение проекционного объектива 8;

fz - фокусное расстояние внешней кольцевой части компонента б бифокального объектива 4.

Смещение изображения 5i и 62 в плоскости фотоприемников 10 и 11 определяется по изменению координаты положения световых знаков Ai , ki относительно исходного положения AOI, Ао2. Определение координаты светового штриха на фоточувствительной поверхности ПЗС может быть произведено различными методами, например, по уровню фронта, медиане, центру тяжести и т п.

В данном устройстве для вычисления изменения координат положения световых знаков использован блок 12 обработки, построенный на элементной базе микропроцессорного комплекта 580 серии.

В блоке обработки производится вычисление координат световых знаков Ai,2 по формуле

S-v,.

I п т

I V, I п

где Ui - амплитуда сигнала на i-м элементе ПЗС-фотоприемника;

I - порядковый номер элемента линейки ПЗС-фотоприемника;

n, m - номера элементов линейки приемника, соответствующих левой и правой границе светового знака.

После вычисления текущих координат световых знаков AI , Aa определяется величина изменения координаты световых штрихов 6i, дг относительно исходного положения, принятого за базовое:

3i Ai - AOI: 62 А2 - Ао2

По знаку и величине этих смещений 5i, дг, формируются команды на устройства 14 и 13 соответственно углового поворота и линейного перемещения контролируемого элемента 15, приводящие его в исходное положение.

Оптическое фотоэлектрическое устройство работает следующим образом.

Включается осветитель 1, подсвечивается целевой знак 2 Изображение щели 17 коллимирующим 3, бифокальным 4 и проекционными 8, 9 объективами передается в

плоскость приемников 10 и 11, Если контролируемый элемент 15 отклоняется от исходного положения, то изображение щели 17 перемещается вдоль светочувствительных

элементов приемников 10 и 11. Электрические сигналы с этих приемников поступают в блок 12 обработки, который вычисляет величины линейного и углового рассогласова- ния, для формирования команды в

устройствах 14 и 13 соответственно определения и управления поворота и перемещения контролируемого элемента 15. В блоке 12 обработки сигнала проводится идентификация центральной (измерительной) и боковых 18, 19 щелей, используемых для расширения линейного и углового диапазона работы устройства. Изображение одной из боковых щелей появляется в плоскости фотоприемника, когда изображение

измерительной щели смещается на край фотоприемника либо выходит за пределы поля зрения ПЗС-линейки. Шаг между центрами щелей целевого знака 2 (фиг 1) не превышает отношения длины фоточувствительной

линейки приемника к увеличению проекционных объективов.

Пример. При Vi V2 40х; h 100мм; V3 1х получают а 0,05 угл.с .A L 0,025 мкм.

В оптическом фотоэлектрическом устройстве в два раза повышена точность контроля, на 30% повышена чувствительность, в три раза расширены пределы измерения контролируемых параметров как в линейных, так и угловых координатах, одновре- менно на мини-ЭВМ можно получать и иметь в ее памяти данные линейного и углового смещений. Кроме того, уменьшено время контроля получения данных смещений и

упрощена конструкция устройства. Формула изобретения Оптическое фотоэлектрическое устройство, содержащее осветитель, целевой знак, формирующий объектив и фотоприемник,

отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, в устройство введены бифокальный объектив, расположенный соосно с формирующим объективом, выполненным с центральным

отверстием, и состоящий из двух попарно склеенных компонентов, где вторая пара склеенных компонентов бифокального объектива по диаметру равна внутреннему отверстию формирующего объектива и задние

отрезки этих компонентов бифокального объектива равны между собой, отражательное кольцевое зеркало, установленное под углом к оптической оси формирующего объектива и центральное отверстие которого

равно размеру второй пары склеенных компонентов бифокального объектива, и два проекционных объектива, оптически сопряженных с целевым знаком, плоскости изображений которых совмещены соответственно с плоскостями линейных приемников, причем один из приемников оптически сопряжен с целевым знаком посредством внешней концевой части формирующего объектива, внешней части второй пары бифокального объектива и кольцевой части на- клонного отражательного зеркала и электрически соединен с устройством определения и управления угловым положением, а второй приемник излучения оптически со

5

пряжен с целевым знаком посредством центральной части обеих пар компонентов бифокального объектива и электрически соединен с устройством определения и управления линейным положением, при этом осветитель, целевой знак и формирующий объектив размещены на неподвижном основании, а остальные элементы размещены с возможностью смещения и поворота, причем целевой знак выполнен в виде ряда щелей, расположенных по разные стороны на равном расстоянии от центральной щели и отличающихся от нее и между собой по разные стороны расположения щелеЯ по ширине.

Использование: в оптическом приборостроении для повышения точности контроля положения контролируемого элемента. Сущность изобретения: целевой знак выполнен в виде ряда щелей, расположенных по разные стороны от центральной щели. Ширина щелей по одну сторону от центральной одинакова, а симметричных относительно центральной различна. При подсветке целевого знака его изображение проецируется на приемники, При уходе изображений центральной щели с центрального элемента приемников включаются механизмы рассогласований и контролируемый элемент приводится в начальное положение по линейной и угловой координатам. 4 ил,

Г

s

Щи г. I

JV-

7 Гиг /п

VIST - .1г - .

v

Vus.li

фиг.З

819) ,