Трехкоординатное оптическое устройство Советский патент 1980 года по МПК G01B11/26 

1

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к оптическим трехкоординатным устройствам, предназначенным для измерения поворота объекта вокруг трех ортогональных осей.

Известно оптическое трехкоординатное 5 устройство, используемое для измерения поворотов вокруг трех взаимно перпендикулярных осей 1. Такое устройство содержит основание, с установленным на немуправляющим блоком, и отражательный блок, расположенный на объекте и выполненный в виде О объектива, и установленного за ним зеркально-линзового отражателя, управляющий блок выполнен в виде двух разнесенных точечных источников света, расположенных в фокальной плоскости объектива, отражателя, вращающегося цилиндрического модулятора с нанесенными на нем спиралями с разным направлением угла подъема и круговой шкалой, установленного так, что ось его вращения перпендикулярна оптической оси объектива, двух разнесенных 20 один относительно другого фотоприемников, установленных в фокальной плоскости объектива, каждый соответственно над источником света, и расположенных с внутренней

стороны модулятора за его спиралями, установленных один напротив другого по разные стороны модулятора в плоскости его круговой щкалы, блоков регистрации, соединенных с выходами фотоприемников, и блоков обработки сигналов с фотоприемников.

Недостатком известного устройства является невозможность одновременного отсчета углов поворота объекта вокруг трех взаимно перпендикулярных осей по причине того, что при развороте отражающего блока вокруг осей, перпендикулярных оптической оси прибора, меняется начальное положение изображений источников света, относительно которого предусмотрен съем информации о повороте объекта вокруг оптической оси прибора.

Отсчет угла поворота вокруг оптической оси возможен только после отработки в ноль углов поворота относительно двух других координатных осей, т. е. прибор может быть использован только как ноль-индикатор.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трехкоординатное оптическое устройство, содержащее объектив, два разнесенных один относительно другого излучателя с конденсором, оптические оси которых параллельны оптической оси объектива, отражательный блок, устанавливаемый на объекте и выполненный в виде четырехугольной пирамиды с взаимно перпендикулярными внутренними зеркальными гранями, вращающийся анализатор, установленный в фокальной плоскости объектива, последовательно размещенные за анализатором конденсор, фотоприемник , и блок цифровой обработки 2. Недостатком известного устройства является невозможность получения информации о численных значениях поворотов относительно каждого из трех взаимно перпендикулярных осей, так как поворот отражательного блока одновременно вокруг оптической и одной из перпендикулярных ей осей вызывает появление сигнала на фотоприемнике от одной и той же крестообразной площадки анализатора. Целью изобретения является упрощение процесса измерения и увеличения быстродействия устройства. Цель достигается тем, что устройство снабжено двумя точечными диафрагмами, установленными соответственно перед каждым конденсором излучателя в фокальной плоскости объектива, и последовательно установленными за анализатором вторыми конденсором и фотоприемником, оптические оси конденсоров параллельны оптической оси объектива, анализатор выполнен в виде непрозрачного диска с нанесенными на его поверхности прорезями разного направления угла подъема. Кроме того, одна прорезь расположена по радиусу диска, вторая в виде левосторонней спирали Архимеда, начало которой находится в центре диска, а конец диаметрально противоположен началу прорези. Выполнение анализатора в виде диска с двумя прорезями позволяет определить координаты Изображений в фокальной плоскости объектива в полярной системе координат с полюсом, совпадающим с центром диска, и полярными осями. На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 - траектории перемещения изображений диафрагмы в фо кальной плоскости объектива при последовательных поворотах отражательного блока вокруг осей X, Y, Z. Трехкоординатное оптическое устройство (фиг. 1), содержит отражательный блок 1, размещенный на объекте, объектив 2, точечные диафрагмы 3 и 4, конденсоры 5 и 6, излучатели 7 и 8, анализатор 9, конденсоры 10, 11, фотоприемники 12 и 13, двигатель 14 и блок цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). Отражательный блок 1 выполнен в виде правильной четырехугольной пирамиды с взаимно перпендикулярными зеркальными внутренними гранями и расположен так, что высота пирамиды совпадает с оптической осью объектива 2. Точечные диафрагмы 3 и 4 расположены в фокальной плоскости объектива 2 так, что их центры удалены от оптической оси на одинаковые расстояния вдоль прямых, параллельных оси Y и оси X. Оптические оси конденсоров 5 и 6 параллельны оптической оси объектива 2 и проходят через центры точечных диафрагм 3 и 4. Анализатор 9 расположен в фокальной плоскости объектива 2 и выполнен в виде непрозрачного для излучения диска с нанесенными на нем прорезями, одна из которых совпадает с радиусом диска, а другая выполнена в виде левосторонней спирали Архимеда, размещенной в двух квадрантах, считая от радиальной прорези. Такое конструктивное выполнение анализатора 9 позволяет определить положение изображений диафрагм на плоскости анализатора в полярной системе координат. Кратчайшие расстояния от центра анализатора 9 до прямых, проходящих через центры точечных диафрагм 3, 4 и оптическую ось, равны отрезку между центро.м точечной диафрагмы и оптической осью. Анализатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси симметрии, например, с помощью двигателя 14. За плоскостью анализатора 9 установлены конденсоры 10, 11 с фотоприемниками 12 и 13. Оптические оси конденсоров 10 и 11 параллельны оптической оси объектива 2. Выходы фотоприемников 12 и 13 соединены с блоком цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). Устройство работает следующи.м образом. Конденсоры 5 и 6 фокусируют световой поток излучателей 7 и 8 в центры точечных диафрагм 3 и 4, расположенные в фокальной плоскости объектива 2. После объектива параллельные потоки поступают на зеркальные грани пирамиды. После отражения от граней пирамиды каждый из падающих потоков образует два новых, один из которых фокусируется объективом в центре точечной диафрагмы, а другой - в точке, симметричной ему относительно оптической оси. Так поток, выходящий из диафрагмы 3 проходит объектив 2 и, отразившись от грани отражательного блока 1, фокусируется объективом 2 в точках А и В (фиг. 2). Поток, выходящий из диафрагмы 4, фокусируется после отражения от грани пирамиды 1 в точках М и Н. Далее световой поток, модулированный прорезями анализатора 9, фокусируется конденсорами 10 и 11 на фотоприемники 12 и 13. При каждом обороте анализатора 9 вырабатывается один опорный импульс. Интервал времени между опорным импульсом и передним фронтом импульса, возникающего при пересечении изображения диафрагмы радиальной щель.ю, пропорционален полярному углу.

С фотоприемников 2 и 13 импульсы поступают в блок цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). При повороте отражательного блока 1 вокруг оси Y от нулевого положения изображение Е точке А смещается вдоль прямой, параллельной МН в точку А , а изображение в точке Н - вдоль оси МН в точку М (фиг. 2). При повороте отражательного блока 1 вокруг оси Z от нулевого положения изображения в точках А, В, М, Н перемещаются на одинаковые расстояния по дуге окружности. При повороте вокруг оси Z (после поворотов вокруг осей X к Z) изображения А , В , М , Н перемещаются по концентрическим окружностям.

С помощью анализатора 9 определяются полярные координаты изображений В и Н, таким образом определяются длины отрезков СН, СВ и углы, образованные этими отрезками с осями СН и СВ соответственно.

С помощью цифрового устройства (на фиг. 1 не показан) производятся вычисления значений отрезков МН, ВВ и угла Ч, величины которых пропорциональны углам поворота пирамиды вокруг осей , Y и Z.

Применение устройства позволяет определять угловое положение объекта в трехмерной системе координат, что позволяет устанавливать объект в любое наперед заданное положение.

Формула изобретения .ехкоординатное оптическое устройстгс ::держащее объектив, два разнесенньг:/ , :./;Н относительно другого излучателя с конденсором, оптические оси которых параллельны оптической оси объектива, отражательный блок, устанавливаемый на объекте и выполненный в виде четырехугольной пирамиды с взаимно перпендикулярными внутренними зеркальными гранями, вращающийся анализатор, установленный в

8 фокальной плоскости объектива, последовательно размещенные за анализатором конденсор, фотоприемник и блок цифровой обработки, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса измерения и увеличения быстродействия, оно снабжено двумя точечными диафрагмами, установленными соответственно перед каждым конденсоро.м излучателя в фокальной плоскости объектива, и последовательно установленными за анализатором вторыми конденсором и фото0приемником, оптические оси конденсоров параллельны оптической оси объектива, анализатор выполнен в виде непрозрачного диска с нанесенными на его поверхности прорезяши разного направления угла подъема. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем,

5 что одна прорезь расположена по радиусу диска, вторая -, в виде левосторонней спирали Архимеда, начало которой находится в центре диска, а конец диаметрально противоположен началу прорези.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 550529, кл. G 01 В 11/26, 1977.

2.Патент США № 3241430, кл. 88-14, 1962 (прототип).