Устройство для контроля децентрировки линз Советский патент 1993 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в приборах для технологического и аттестационного контроля центрировки линз.

Цель изобретения - повышение точности контроля децентрировки склеиваемых линз.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства контроля децентрировки линз; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу грубого измерителя координат; на фиг.З - временные диаграммы, иллюстрирующие работу управляемого генератора окна; на фиг.4 - информация, отображаемая на экране видеоконтрольного устройства,

Устройство для контроля децентрировки линз на операции склейки содержит коллиматор 1, ТВ-камеру 2, грубый измеритель 3 координат, управляемый генератор 4 окна, точный измеритель 5 координат, формирователь 6 электронной марки, формирователь 7 измерительных сигналов, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 8, вход 9 управления режимом устройства, осветитель 10, датчик 11 оптической марки, объектив коллиматора 12, дополнительную линзу 13, которая может выводиться из оптической схемы, устройство базирования 14 со склеиваемыми линзами, плоскость 15 изображения оптической марки, проекционную оптическую систему 16, плоскость 17 фоточувствительной поверхности ТВ-камеры.;

Коллиматор включает в себя осветитель 10, датчик 11 оптической марки и объектив коллиматора.

Грубый измеритель 3 координат включает в себя счетчик 18 по координате X, счетчик 19 по координате Y, АЦП 20, компаратор 21, регистры 22, элемент / 23 и регистры 24-27.

Управляемый генератор 4 окна включает в себя сумматоры 28-31, датчик 32 кода размеров окна, компараторы 33-36 и элементы И 37 и 38.

Точный измеритель 5 координат включает в себя измеритель 39 координат центра тяжести объекта, аналого-цифровые преобразователи 40 и 41 и регистры 42 и 43.

Формирователь б электронной марки включает в себя коммутаторы 44 и 45 и компаратор 46.

Формирователь 7 измерительных сигналов включает в себя программируемые

постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) 47 и 48, элементы ИЛИ 49-51, коммутаторы 52 и 53 и сумматор 54. .

Счетчики 18 и 19 могут быть выполнены на интегральных микросхемах типа

КР15331/1Е5.

Аналого-цифровые преобразователи 20, 40 и 41 - микросхемы типа 1108ПВ1,

Компараторы 21, 34, 35, 36 и 46 могут быть выполнены на основе интегральных

микросхем типа КР1533ИР22.

Элементы И 23, 37 и 38 и элементы ИЛИ 49-51 представляют собой логические элементы и реализуются на микросхемах типа 1533ЛИ1 и 1533ЛЕ1 соответственно.

Сумматоры 28-31 реализуются на базе микросхем типа КР1533ИМ1. Сумматор 54 может быть выполнен на основе операционного усилителя 1407УД1.

Датчик 32 кода размеров окна и программируемые ПЗУ 47 и 48 реализуются на основе интегральных микросхем типа КР556РТ4.

Коммутаторы 44,45,52 и 53 - интегральные микросхемы типа КР1533КП12.

Дополнительная линза 13 предназначена для того, чтобы обеспечить формирование действительного изображения оптической марки в плоскости 15 в случаях, когда склеиваемая деталь имеет отрицательную оптическую

силу. При контроле децентрировки положительных компонент дополнительная линза 13 выводится из оптической системы.

Проекционная оптическая система 16 переносит изображение оптической марки

H3 плоскости 15 в плоскость 17 фоточувстви

тельной поверхности ТВ-камеры с увеличением, кратность которого выбирается из условия, чтобы изображение оптической марки не выходило за пределы фоточувствительной поверхности ТВ-камеры при наблюдении склеиваемых линз с наибольшей децентри- ровкой (1-2 мм).

Устройство работает следующим образом. Датчик 11 оптической марки, выполненный в виде точечной диафрагмы, совместно с осветителем 10 образует точечный источник света, изображение которого строится объективом коллиматора, дополнительной и склеиваемыми линзами в плоскости 15, из которой проекционно-оптической системой переносится с увеличением в плоскость 17 фоточувствительной поверхности ТВ-камеры. Вращение склеиваемых компонентов в устройстве базирования приводит к тому, что точечное изображение в плоскости 17 описывает окружность, диаметр которой пропорционален величине децентрировки.

Устройство имеет два режима работы: грубого и точного измерения. Управление режимами осуществляется подачей на вход 9 устройства логического сигнала О или 1, Логический О устанавливает грубый, а логическая 1 -точный режимы измерения,

После установки склеиваемых линз в ба зирующее устройство сначала включается грубый режим измерения. При этом грубый измеритель координат выдает текущие координаты изображения оптической марки, которые поступают на формирователь 6 электронной марки. Формирователь 6 формирует электронную марку в виде яркой точки, размеры которой соответствуют одному элементу разложения (пикселу). Формирователь 7 измерительных сигналов генерирует измерительную сетку и суммирует изображения из- мерительной сетки и электронной марки, которые отображаются на ВКУ 8 (см. фиг.4а).

Далее оператор устанавливает режим точного измерения. При этом в грубом измерителе 3 координат запоминаются коорди- нзты оптической марки, предшествовавшие переходу в режим точного измерения. Эти координаты подаются на управляемый генератор 4 окна, который формирует измерительное окно, центрированное относительно положения оптической марки. На фиг.4а это окно отображается прямоугольником ABCD. Точный измеритель 5 координат методом взвешенного суммирования с высокой точностью определяет координаты наблюдав- мого изображения оптической марки в системе координат измерительного окна. Результат координаты измерений подается на формирователь 6 электронной марки. Таким образом, в точном режиме измерения

10

15 20 7843

электронная марка отражает положение оптической марки внутри измерительного окна, что повышает чувствительность к смещению оптической марки во столько раз, во сколько отличаются размер линейного поля устройства и линейного поля, соответствующего измерительному окну. При этом на экране ВКУ отображаются также формируемые формирователем 7 измерительная сетка и поле допуска EFGH, цена деления которых соответствует режиму точного измерения (см. фиг.4б),

Работа грубого измерителя 3 координат иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг.2. Видеосигнал изображения оптической марки (пятна конечных размеров) поступает с выхода ТВ-камеры 2 на вход АЦП 20. который преобразует значения видеосигнала в цифровой код. Этот код подается на вход цифрового компаратора 21 и вход данных регистра 22. Выход генератора соединен с вторым входом компаратора 21. Если двоичное число, подаваемое на первый вход компаратора 21 превышает число, подаваемое на его второй вход, на выходе компаратора 21 устанавливается логический сигнал, разрешающий запись данных в регистр 22. На фиг.2Ь, 2d, 2f показаны двоичный числа, формируемые АЦП 20 (сплошная линия) и числа, снимаемые с выхода регистра 22 (пунктирная линия). На фиг, 2с, 2е, 2д показаны сигналы на выходе компаратора 21. Из иллюстрации видно, что компаратор 21 и регистр 22 в рассматриваемом включении образуют цифровой вариант пикового детектора видеосигнала, при этом последнее значение уровня логической 1 на выходе компаратора 21 соответствует максимальному значению видеосигнала.

Выходной сигнал компаратора 21 поступает на один из входов элемента И 23, на другой вход которого приходит управляющий потенциал с входа 9 устройства. В режиме грубого измерения элемент И 23 открыт этим управляющим потенциалом, и на входы регистров 24 и 26 проходит сигнал записи координатной информации, снимаемый с выхода компаратора 21. Таким образом, в регистры 24 и 26 по единичным сигналам, подаваемым на вход записи, записываются текущие состояния счетчиков 18 и 19 соответственно. При этом последними будут записаны координаты пика видеосигнала от точечного источника, наблюдаемого ТВ-камерой 2, По окончания кадра телевизионной развертки эти координаты из регистров 24 и 26 переносятся соответственно в регистры 25 и 27 под действием подаваемого на вход записи последних кадрового синхронизирующего импульса, где замораживаются на время очередного кадра.

Таким образом, в грубом измерителе 3 координат обеспечивается измерение координат наиболее яркого элемента изображе- ния точечного источника с погрешностью в один пиксел.

В режиме точного измерения элемент И 23 закрывается управляющим потенциалом с входа 9, и обновление координатной ин- формации в регистрах 24 и 26 прекращается. Следовательно, в течение всей работы устройства в режиме точного измерения координаты на выходе грубого измерителя 3 координат не изменяются.

Работа управляемого генератора 4 окна иллюстрируется временными диаграммами, показанными на фиг.З. Рассмотрим формирование окна по координате X. Датчиком 32 кода размеров окна задается полуширина окна Аа. Это число подается на входы сумматоров 28 и 29, При этом на первый вход цифрового компаратора 33 приходит число, равное сумме координаты наблюдаемого пятна (в первом приближении она совпада- етс координатой центра пятна) и полуширины окна А с. На второй вход компаратора 33 приходит изменяющаяся во времени текущая координата X. На первый вход цифрового компаратора 34 подается сумма текущей координаты и полуширины окна Ас, в то время как на его второй вход подается значение координаты центра пятна Х0. Входные сигналы компараторов 33 и 34 показаны на фиг.За. .

Сигналы, снимаемые с выходов компараторов 33 и 34, соответствуют условию , где А и В - числа, подаваемые соответственно на первый и второй входы. На фиг.Зв и Зс показаны сигналы на выходах компарато- ров 33 и 34 соответственно. Логическое умножение этих сигналов на элементе И 37 дает сигнал окна по координате X (фиг.Зс)).

Таким образом, как видно из фиг.З, формируемый сигнал окна центрирован относи- тельно наблюдаемого изображения точечного источника. Аналогично происходит формирование окна по кадру (координате Y), которое обеспечивается блоками 30, 31, 35, 36 и 38.

Работа точного измерителя 5 координат основана на измерении методом взвешен- ного суммирования координат центра тяжести наблюдаемого пятна, которое выполняет измеритель 39. При этом на его вход подается аналоговый видеосигнал с выхода ТВ-ка- меры. Кроме того, на измеритель 39 приходят сигналы окна, внутри которого производится измерение координат. Измеритель координат имеет аналоговые входы, уровень

напряжения на которых пропорционален измеряемым координатам X и Y. Эти аналоговые напряжения при помощи АЦП 40 и 41 преобразуются в цифровые коды. При этом разрядность АЦП должна выбирается из условия

п log2N,

где п - число разрядов АЦП;

N - число элементов изображения (пикселов) в ТВ-камере.

Регистры 42 и 43 запоминают координатную информацию на время очередного кадра.

Таким образом, погрешность точного измерителя координат практически определяется соотношением размеров окна и ТВ-растра. Пусть, например, ТВ-камера имеет 256x256 элементов изображения, а окно, в пределах которого происходит точное измерение координат, имеет размеры 32x32 элемента. В соответствии с изложенным, разрядность АЦП должна быть равной 8. Тогда перемещение изображения точки на 32 элемента внутри окна будет соответствовать изменению координаты на выходе АЦП на 256 единиц. Изменение кода на выходе точного измерителя координат на единицу соответствует смещению наблюдаемому изображению на 32/256, то есть на 1/8 элемента.

Работа формирователя 6 электронной марки основана на сравнении текущих координат X и Y, подаваемых на второй вход цифрового компаратора (число В с координатами, приходящими на первый вход компаратора 46 (число А). При равенстве кодов (А В) на выходе цифрового компаратора 26 формируется сигнал длительностью в один элемент разложения.

В режиме грубого измерения под действием управляющего потенциала с входа 9 коммутаторы 44 и 45 пропускают на выход информацию с регистров 25 и 27 (выход грубого измерителя 3). В режиме точного измерения коммутаторы 44 и 45 пропускают на выход информацию с регистров 42 и 43 (выход точного измерителя 5).

Таким образом, положение формируемой электронной марки определяется в грубом режиме положением наблюдаемого точечного изображения в пределах всего линейного поля наблюдения, а в режиме точного измерения - положением изображения внутри окна, вырезаемого в этом линейном поле.

Формирователь 7 измерительных сигналов обеспечивает формирование электронной измерительной сетки для работы в

грубом режиме, а также измерительной сетки и зоны допуска для работы в режиме точного измерения. Информация для отображения на экране ВКУ 8 зашивается путем соответствующего программирования в ППЗУ 47 и 48 в виде трех п-разрядных слов: сетка режима грубого измерения, сетка режима точного измерения и зона допуска. Эта информация считывается из ППЗУ 47 и 48 путем подачи на адресные входы ППЗУ текущих координат X и Y с выходов счетчиков 18 и 19 соответственно. При этом на выходах ППЗУ 47 формируются вертикальные линии сеток и зоны допуска, а на выходах ППЗУ 48 - горизонтальные линии. Элементы ИЛИ 49-51 объединяют сигналы отображения по вертикали и горизонтали соответственно для измерительной сетки грубого режима, измерительной сетки точного режима и зоны допуска точного режима.

В режиме грубого измерения коммутаторы 52 и 53 под действием управляющего потенциала с входа 9 пропускают на выходы сигналы отображения измерительной сетки грубого режима и нулевой потенциал соответственно, В режиме точного измерения на выходы коммутаторов 52 и 53 проходят сигналы отображения измерительной сетки точного режима и зоны допуска соответственно, Сигналы электронной марки, измерительной сетки и зоны допуска смешиваются в сумматоре 54.

Таким образом, в режиме грубого измерения на экране ВКУ 8 отображаются электронная марка и измерительная сетка, а в точном режиме - электронная марка, измерительная сетка точного режима и зона допуска (фиг.4в).

Оценим выигрыш в точности, которую обеспечит заявляемое устройство. В качестве базы для сравнения используем применяемый в оптических производствах коллиматор КЮ-130. Точность контроля децентрировки при работе с этим коллиматором не превышает 10 мкм и определяется, главным образом, тем, что толщина наблюдаемой оптической марки в виде креста нитей примерно равна 10 мкм.

В заявляемом устройстве выбрано линейное поле наблюдения, равное2,5 мм, что соответствует наибольшей децентрировке склеиваемых линз. В качестве ТВ-камеры используется ПЗС-камера на основе матрицы 1200 ЦМ7, имеющая примерно 256x256 элементов, Таким образом, в режиме грубого измерения смещение электронной марки на один элемент соответствует смещению изображения оптической марки на 10 мкм. В режиме точного измерения при размере окна 32x32 элемента чувствительность к

смещению оптической марки повышается в 8 раз, то есть смещение электронной марки на один элемент будет соответствовать смещению оптической марки на 1,25 мкм. 5Для достижения высоких энергетических характеристик устройства в качестве осветителя коллиматора использован лазерный светодиод ИЛПН-301-1, длина волны излучения которого находится в области

0 максимальной спектральной чувствительности ВЗС-камеры. При этом достигается высокое отношение сигнал-шум на выходе ТВ-камеры, что обеспечивает повышение точности при измерении координат изобра5 жения оптической марки.

Формула изобретения 1. Устройство для контроля децентрировки линз, содержащее расположенные на одной оптической оси проекционную опти0 ческую систему, устройство базирования с контролируемой линзой, дополнительную линзу, установленную с возможностью вывода с оптической оси устройства при контроле положительных линз, и коллиматор, включаю5 щий в себя осветитель, датчик оптической марки и объектив, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля децентрировки склеиваемых линз, в него введены устанавливаемая в плоскость изображе0 ния оптической марки телевизионная камера, видеоконтрольное устройство, грубый измеритель координат, включающий в себя первый аналого-цифровой преобразователь, первый компаратор, первый-пятый регист5 ры, счетчик по координате X, счетчик по координате Y, и элемент И, управляемый генератор окна, включающий в себя датчик кода размеров окна, первый-четвертый сумматоры, второй-пятый компараторы,

0 второй и третий элементы И, точный измеритель1 координат, включающий в себя измеритель координат центра тяжести объекта, второй и третий аналого-цифровой преобразователь, шестой и седьмой регистры,

5 формирователь электронной марки, включающий в себя первый и второй коммутаторы и шестой компаратор, формирователь измерительных сигналов, включающий в себя первое и второе программируемое посто0 янное запоминающее устройство, первый,

. второй и третий элементы ИЛИ. третий и

четвертый коммутаторы и пятый сумматор,

причем видеовыход телевизионной камеры

соединен с первым входом измерителя ко5 ординат центра тяжести объекта и первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен со счетным входом счетчика по координате X и выходом тактовой частоты телевизионной камеры,выход строчной синхронизации

которой соединен с установочным входом счетчика по координате X, со счетным входом счетчика по координате Y и входом строчной синхронизации видеоконтрольного устройства, вход кадровой синхрониза- ции которого соединен с входом записи четвертого-седьмого регистров, с выходом кадровой синхронизации телевизионной камеры и установочным входом счетчика по координате Y, выход которого соединен с адресным входом второго программируемого постоянного запоминающего устройства, с первыми входами шестого и четвертого компараторов, четвертого сумматора и входом данных второго регистра, выход которого соединен с входом данных пятого регистра, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, первым входом третьего сумматора и первым входом пятого компаратора, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И. выход которого соединен с вторым входом измерителя координат центра тяжести объекта, а второй вход - с выходом четвертого компаратора, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика кода размеров окна, вторым входом четвертого сумматора кода размеров окна, вторым входом четвер- того сумматора и первым входом первого и второго сумматоров, выход второго сумматора соединен с первым входом третьего компаратора, а его второй вход соединен с адресным входом первого программируемого постоянного запоминающего устрой- ства, вторым входом шестого компаратора, первым входом второго компаратора, выходом счетчика по координате X и входом данных первого регистра, выход которого соединен с входом данных четвертого регистра, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора, вторым входом третьего компаратора и вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго компаратора, выход которо- го соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего компаратора, а выход - с третьим входом измерителя координат центра тяжести объекта, первый и второй выходы которого соответственно через второй аналого-цифровой преобразователь и шестой регистр и третий аналого-цифровой преобразователь, седьмой регистр подключены к вторым входам первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами шестого компаратора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, выход которого соединен с видеовходом видеоконтрольного устройства, а его второй вход

- с выходом третьего коммутатора, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго элементов ИЛИ соответственно, первые входы которых соединены с первым и вторым выходами первого программируемого постоянного запоминающего устройства, а их вторые входы - с первым и вторым выходами второго программируемого постоянного запоминающего устройства, третий выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с третьим выходом первого программируемого постоянного запоминающего устройства, а выход

- с первым входом четвертого коммутатора, выход которого соединен с третьим входом пятого сумматора, второй вход-с нулевым потенциалом, а вход управления - с входом управления первого, второго и третьего коммутаторов, с входом управления режимом устройства и первым входом первого элемента И, выход которого соединен с входами записи первого и второго регистров, а второй вход - с выходом первого компаратора и входом третьего регистра, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с входом данных третьего регистра и выходом первого аналого-цифрового преобразователя.

2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что осветитель коллиматора выполнен на основе лазерного светодиода, длина волны излучения которого соответствует максимальной спектральной чувствительности телевизионной камеры.

с«

Ј

«о

u/

Использование: в оптическом приборостроении. Сущность изобретения: устройство содержит коллиматор 1, ТВ-камеру 2, грубый измеритель 3 координат, управляемый генератор 4 окна, точный измеритель 5, формирователь 6 электронной марки, видеоконтрольное устройство 8. осветитель 10, вход 9 управления режимом устройства, датчик 11 оптической марки, объектив коллиматора 12, дополнительную линзу 13, счетчики 18 и 19 соответственно по координатам X и Y,, аналого-цифровые преобразователи 20, 40 и 41, компараторы 21, 33-36 и 46, регистры 22, 24-27, 42 и 43, сумматоры 28-31 и 54, логические элементы И 23, 37 и 38, датчик 32 кода размеров окна, измеритель 39 координат центра тяжести объекта, коммутаторы 44. 45, 52 и 53, программируе

фи s. 4

Фае. 5