Устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя Советский патент 1982 года по МПК G08C9/06 

содержащее светоделительный элемент, ооптически связанный с двумя растровыми щелевыми диафрагмами, которые расположены в гатоскости изображения муаровых полос и два фотоприемных устройства С2 . Недостатком известного устройства является нестабильность выходных электрических параметров при изменении; светового потока., Цель Изобретения - повышение надежности считывания устройства. Поставленная цепь достигается тем, что в устройство считывания фотоэлектри ческого растрового преобразоватшя, содержащее первый светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена под углом к направлению светового луча,- светоделительный элемен оптически связан через соответствующие растровые щелевые-диафрагмы, которые расположены в плоскости изображения растровых полос с первым и вторым фотоприемными устройствами, введены балансные усилители, третье фотоприемное устройство и второй светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена параллелБно полупрозрачной плоскости первого светоделительного элемента, второй светоделитель ный элемент оптически связан с первым светоделительным элементом и третьим фотоприемкым устройством, выход кото, рого соединен с первыми входами балансных усилителей, выходы первого и втор го фотоприемных устройств соединены с вторыми входами балансных усилителей. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства считывания муаровых полос; на фиг. 2 - положение растровой щелевой диафрагмы и изображение муаро вых (интерференционных) полос; на фиг. 3 - структурная схема растрового преобразователя линейного перемещений, использующего предлагаемое устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя. Устройство считывания содержит последовательно установленные светодели- тельные элементы 1 и 2 (фиг. 1), растровые щелевые диафрагмы 3 и 4, фотоприемные устройства 5, 6 и 7 и балансные усилители 8 и 9. Каждое фотохфием ное устройство сострит из коллективной линзы 1О, фотоприемника 11 и предусилителя 12. Щелевые диафрагмы распопожены п плоскости резкого изображения муаровых полос. Растровая диафрагма (фиг. 2) состоит из щелей 13, разДелен ных непрозрачными линиями 14, На фиг. 2 обозначено: 15 - изображение освещенного поля с муаровыми полосами 16, 17 - световой диаметр коллективной линзы (фиг. 1) и участок 18, освещенность которого резко отличается от освещенности остальных точек поля. Работу устройства считывания рассмотрим на примере его использования в растровом преобразователе линейного перемещения, который содержит осветитель 19 (фиг. 3), pacjrpOBoe сопряжение 20, объектив 21 и устройство считывания полис 22. Осветитель состоит из источника излучения 23 и конденсатора 24, а растровое сопряжение образуется измерительным и. индикаторным растрами 25 и 26. Измерительный растр 25 закрепляют на перемещающейся части объекта, а индикаторный растр 26, осветитель 19, объектив 2,1 и устройство считывания полос 22 - на неподвижных его частях. Осветитель 19, создаюлшй параллельный пучок света, освещает растровое сопряжение 2О, на выходе которого (в плоскости индикаторного растра 26) образуются муаровые полосы. При перемещении измерительного растра 25 в направлении, указанном стрелками, муаро-. вые полосы также перемоцаются, причем направление их перемещения зависит от направления перемещения измерительного растра 25. Объектив 21 проецирует изображение этих полос на растровые анализирующие диафрагмы 3 и 4, установленные перед фотоприемными устройствами 5 и 6, при этом светоделительный элемент 2 делит цветовой поток полос после объектива 2 1 поровну. Кроме того, часть светового потока направляется светоделительным элементом 1 на фотоприемное устройство 7. Световой поток, .прищедший, например, на фотоприемное устройство 6, собирается коллективной линзой 10 на светочувствительную площадку фотоприемника 11, связанного с предусилителем 12. Фотфток фотоприемника 11 изменяется пропорционально изменению светового потока и усиливается предусилителем 12. Поле зрения объектива 21 таково, что он проецирует на растровые диафрагмы 3 и 4 и на вход фотопрнемного устройства 7 все освец енное поле 15 растрового сопряжения 20. В свою очередь, размеры растровых диафрагм 3 и 4 и световой диаметр 17 коллективных линз 10 фотоприемных устройств 5, 6 и 7 выбирают заведомо большими, чем размеры изображения освещенного поля 15 растрового сопряжения 20. При перемещетш измерительного растра 25 муаровые полосы в плоскости растровых диафрагм 3 и 4 также переме щаются и модулируют световые потоки, прошедшие сквозь эти диафрагмы. Поскольку щели 13 растровой диафрагмы 3 смещены относительно муаровых полос 16 на четверть шага по сравнению со щелями растровой диафрагмы 4, то световые потоки после диафрагм 3 и 4 сдвинуты по пространственной фазе на 7i /2 друг относительно друга, Информационные сигналы на выходах фотоприемных устройств 5 и 6 имеют вид i Р ф (-f+m-sin б) Т. 1 -51п()г,Ф2 (-f m-cosQ где г.- - чувствительность j -го фотоприемника;Ф - средний световой поток, прошедший через j -ю диаграмм/ 8 - пространственная фаза полос; m - коэффициент модуляции электрического сигнала, зависящий от контраста полос и, отношения шага шелей растровой диа фрагмы к шагу муаровых по- лос. Световой поток, направленный светоделительным элементом 1 на фотоприемное устройство 7, поступает непосредственно на коллективную линзу и фокусируется ею фотоприемник (эти элементы не показаны). Здесь роль анализирую щей диафрагмы выполняет.оправа коллективной линзы и, поскольку ее диаметр значительно больше шага муаровых полос световой поток не модулируется при движении полос. По этой причине, на выходе фотоприем юго устройства 7 присутствуе посто1гнный (компенсирукшшй) , пропорциональный световому потоку, прошедшему через все освещенное поле 15 растрового сопряжения 20, - г Ь Информационные сигналБТе выходов фотоприемных устройств 5 и 6 подают на входы соответствующих балансных усилителей 8 и 9, на другие входы кото рьгх поступает компенсирующий сигнал с выхода фотоприемного устройства 7. Балансные усилители 8 и 9 осуществляют вычитание компенсирующего сигнала г. 9 1 из информационных сигналов i и i , так что выходнь1е сигналы усилителей имеют вид () r lM2 2 V r2l S). где К , t - весовые коэффициенты усиления компенсирующего сигнала; К J, К IJ коэф4ш1Иенты усиления усилителей 8 и 9. Соответствующим подбором весовых коэффициентов k и К„ устраняют постоянные уровни, а изменением коэффициентов усиления К и К,- выравнивают амплитуды выходных квадратурных сигналов, в результате чего выходные сигналы имеют вид ,sine ( гЭоСОЗЭ, где о i -i -i il I l -амплитуда сигналов. Пусть теперь в освещенном поле измерительного растра 25 появляется загрязненный участок 18, который ослабляет световой поток, пр оходящий сквозь растровое сопряжение 20. Поскольку на фотоприемные устройства 5, 6 и 7 световые потоки поступают со всего освещенного поля растрового сопряжения 20, это приводит к пропорциональному ослаблению потоков, поступающих на входы фотприемных устройств 5, 6 и 7, ft следовательно, и к пропорциональному изменению их выходных сигналов, в результате, чего баланс этих сигналов не нарушается, т.е. выходные квадратурные сигналы по-прежнему имеют одинаковые (хотя и меньшие по величине) амплитуды и в них отсутствуют постоянные уровни. Наличие растровых диафрагм 3 и 4 перед фотоприемными устройствами 5 и 6 приводит к некоторому нарушению пропорциональности изменения световых потоков на входах этих устройств по сравнению с изменением светового потока на входе фотоприемного устройства 7, не имеющего такой диафрагмы. Кроме того, Изменеиет световых потоков, поступающих на фотоприемные устройства 5 и 6, также несколько отличаются друг от друга. Это отличие обусловлено неодинаковым положением растровых- диафрагм 3 и 4 относотеяьно изображения освещенного поля 15 растрового сопряжения 2О, а следовательно, и относительно изображения загрязйенного участка 18 - диафрагма 3 сдвинута относительно изображения освещенного поля 15 на 1/4 шага муаровых полос по сравнению с диафрагмой 4. Тем не менее, расчеты и эксперименты показывают, что упомянутое выше нарушение в пропорциональноети изменения световых потоков тем меньше, чем меньше отношение шага щелей 13 растровых диафрагм 3 и 4 к диаметру изображения освещенного поля 15, Соответствующим выбором упрмянутого отношения нарушение пропорциональности изменения световых потоков, поступающих на бходы фотопрнемных устроётв 5, 6 и 7, можно свести к пренебрежимо малой вел1Р1Ине и, следовательно, обеспечить высокую стабильность параметров выходных квадратурных сигналов устройства считывания полос. .

Аналогично решается вопрос и при изменении закона распределения освещенности муаровых полос, которое может случиться при замене или разъюстировке источника излучения.

В случае использования устройства считьшания в составе лазерного интерферометра исчезает необходимость.применения объектива 21, объясняемая тем, что интерференционные полосы образуются в результате взаимодействия световых пучков с высокой пространственной дсогерентцостью и поэтому имеют большую глубину резкости. Таким образом, устройство обеспечивает значительное уменьшение влияния на выходные квадратурные сигналы таких факторов, как разъюстировка источников излучения, загрязнение и поверхностные дефекты подвижных элементов растровых и интерференционных преобразователей линейных и угловых перемещений, использующих метод автоматического счета муаровых (интерференционных) полос. В свою очередь, стабилизация таких параметров выходных квадратурных сигналов, как постоянные уров, ни, соотношение амплитуд и фазовый

оцвиг, устраняет ошибки интерполир ания простр(анственной фазы этих сиг ЕЛОВ и, следовательно, в конечном счефе новьш1ает точность преобразования перемещения.

Формула изобретения

Устройство считывания фотоэлектрического растрового преобразователя, содержащее первый светодепительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена под углом к направлению светового луча, светоделительный элемент оптически связан через соответствующие растровые щелевые диафрагмы, которые расположены в плоскости изображения муаровых полос, с первым и вторым фотоцриемными устройствами, отличающееся тем, что, с цепью повышения надежности считывания, в устройство введены балансные усилители, третье фотоприемное устройство и второй светоделительный элемент, полупрозрачная плоскость которого расположена параллеттьно полупрозрачной плоскости первого светоделительного элемента, второй светоделительный элемент оптически связан с первым светоделительным элементом и третьим фотоприеглным устройством, выход которого соединен с первыми входами балансных усилителей, выходы первого и второго фотоприемных устройст .соединены с вторыми входами балансных ушлитёлей,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Преснухин А. Н. и др. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М., Машиностроение, 1969, с. 67-68.

2.Фотоэлектрические преобразователи информации.. Под ред. А, Н. Преснухина. М., Машиностррение, 1974, с. 2О4 (прототип).

К

L

V/

/

ьХ

i

ч

Фиг.1

Фиг.2.