ЦИФРОВОЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ АВТОКОЛЛИМАТОР
DIGITAL TWO-AXIS DYNAMIC AUTOCOLLIMATOR

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к высокоточным углоизмерительным системам, предназначенным для регистрации углового положения движущегося зеркала относительно двух ортогональных осей с высокой частотой измерений (съема отсчетов).
Известно [1, 2], что для высокоточных измерений углового положения зеркал широко используются автоколлиматоры, отличающиеся удобством и простотой в обращении.
Использование в этих измерительных приборах автоколлимационных зрительных труб позволяет производить измерения углового положения зеркала только в статике с визуальным методом съема измерительной информации по одной координате. Данные устройства не позволяют выполнять измерения углового положения зеркала в динамике с регистрацией информации в цифровом виде.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является цифровой двухкоординатный автоколлиматор [3], позволяющий одновременно регистрировать угловое положение зеркала относительно двух ортогональных осей в цифровой форме. Это устройство принято в качестве прототипа.
Данный автоколлиматор содержит осветитель, выполненный на светоизлучающем диоде, диафрагму (метку) в форме креста, куб-призму, объектив, фотоприемник матричного типа, блок управления и считывания, блок сопряжения и персональный компьютер, который рассчитывает угловые координаты положений движущегося зеркала относительно двух ортогональных осей. Все составные части этого автоколлиматора за исключением персонального компьютера размещены на столике с регулировками положения по осям X и У. Расчет угловых координат выполняется по информации, снимаемой с частотой кадров, которая для мегапиксельных матричных фотоприемников, обеспечивающих высокоточные измерения, составляет единицы герц (см. приложение к настоящей заявке).
Измерения, выполняемые с указанной частотой съема отсчетов, не позволяют получать достоверную информацию о динамических характеристиках подвижных зеркал дефлекторов, в частности о переходных процессах при отработке заданных угловых положений.
Задачей изобретения является создание цифрового двухкоординатного автоколлиматора с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат - повышение частоты съема отсчетов до десятков килогерц.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемый цифровой двухкоординатный динамический автоколлиматор, содержащий источник света, крестообразную автоколлимационную марку, куб-призму и объектив, оптическая ось которого расположена по ходу лучей от источника света, прошедших автоколлимационную марку и отраженных от полупрозрачной светоделительной грани куб-призмы, первый фотоприемник, расположенный в фокальной плоскости объектива, первый блок управления и считывания, блок сопряжения и персональный компьютер, подключенный к блоку сопряжения, соединенный с первым блоком управления и считывания, подключенным к первому фотоприемнику, в отличие от известного в него дополнительно введены n фотоприемников, а также n блоков управления и считывания, которые соответственно подключены к введенным фотоприемникам и блоку сопряжения. В предлагаемом автоколлиматоре в отличие от известного все фотоприемники являются однострочными твердотельными датчиками изображения и расположены по периметру плоскости анализа автоколлимационного изображения, которое строится объективом в его фокальной плоскости. При этом размеры крестообразной автоколлимационной марки, параметры объектива, расположение и число фотоприемников и их параметры, в частности размеры их светочувствительных поверхностей, выбираются из условия приведения изображения автоколлимационной марки на пару ортогонально размещенных фотоприемников при любом расположении зеркала в диапазоне измеряемых углов. При равных диапазонах измеряемых углов по ортогональным направлениям плоскости анализа размещают равное число фотоприемников для обеспечения одинаковой точности измерений. Если диапазоны измеряемых углов не равны, то количество фотоприемников по ортогональным направлениям плоскости анализа может быть различным. В предлагаемом автоколлиматоре в отличие от известного между источником света и автоколлимационной маркой дополнительно размещен рассеиватель света для обеспечения равномерности засветки марки.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг.1 приведена структурная схема цифрового двухкоординатного динамического автоколлиматора;
на фиг.2 приведен вариант формирования плоскости анализа автоколлимационного изображения 4-я фотоприемниками;
на фиг.3 приведен вариант формирования плоскости анализа автоколлимационного изображения 8-ю фотоприемниками.
Цифровой двухкоординатный динамический автоколлиматор содержит в фотоэлектронном автоколлимационном канале объектив 1, куб-призму 2, установленную в рабочем отрезке объектива 1, фотоприемники 4-1, 4-2…4-n, светочувствительные поверхности которых расположены в фокальной плоскости 3 объектива 1, осветитель 5 и диафрагму 6 с крестообразной автоколлимационной маркой, образованной прозрачными штрихами на черном фоне.
Светочувствительные поверхности фотоприемников 4-1, 4-2…4-n расположены по периметру плоскости анализа автоколлимационного изображения, границы которого определяются требуемым диапазоном регистрируемых угловых положений движущегося зеркала. Через центр плоскости анализа автоколлимационного изображения и светоделительную грань куб-призмы 2 проходит оптическая ось объектива 1. Центр системы ортогональных координат находится в центре плоскости анализа автоколлимационного изображения.
Возможные варианты размещения светочувствительных поверхностей фотоприемников приведены на фиг.2 и 3. Для гарантированного исключения зон нечувствительности автоколлиматора фотоприемники противоположных сторон плоскости анализа размещены с перекрытием их светочувствительных поверхностей.
Оптическая ось осветителя 5 расположена по ходу лучей, прошедших марку (диафрагму) 6, отраженных от светоделительной грани куб-призмы 2 и прошедших через объектив 1. Осветитель 5 состоит из светодиодного источника света 7 и рассеивателя света 8, который обеспечивает равномерность засветки автоколлимационной марки. В качестве рассеивателя света 8 используется матовая стеклянная пластинка. Диафрагма (марка) 6 установлена в плоскости, оптически сопряженной с фокальной плоскостью объектива 1. Размеры прозрачных штрихов марки (диафрагмы) 6 и размеры поля изображения объектива 1 обеспечивают формирование автоколлимационного изображения крестообразной марки с линейным размером каждой ветви креста не менее линейного размера плоскости анализа автоколлимационного изображения в фокальной плоскости объектива 1.
Электронная аппаратура формирования цифровой информации включает блоки 9-1, 9-2…9-n управления и считывания информации, блок 10 сопряжения.
Кроме этого, в состав автоколлиматора входит персональный компьютер 11 с соответствующим программным обеспечением для управления автоколлиматором и расчета угловых координат, соответствующих каждому отсчету.
Все составные части автоколлиматора за исключением персонального компьютера размещены в герметичном корпусе 12, который находится на установочном устройстве 13 с необходимыми регулировочными и крепежными приспособлениями для размещения испытываемых изделий с зеркалом.
Испытуемое зеркало 14 в составе соответствующего изделия размещено на установочном устройстве 13 перед объективом 1, при этом центр зеркала 14 совмещен с оптической осью объектива 1.
Автоколлиматор работает следующим образом. Осветитель 5 освещает диафрагму (метку) 6. Пучок лучей, прошедших через метку 6, отражается светоделительной гранью куб-призмы 2 на объектив 1, который преобразует падающее на него излучение в параллельный пучок лучей.
При нахождении зеркала 14 в положении, перпендикулярном оптической оси объектива 1, лучи света после отражения от зеркала 14 совершают свой путь в обратном направлении через объектив 1 и куб-призму 2 и строят автоколлимационное изображение креста в плоскости анализа автоколлимационного изображения (см. фиг.2 или 3).
В момент нахождения зеркала 14 под углом α к оси падающего на него параллельно пучка лучей отраженный пучок лучей пойдет обратно под углом 2α к оптической оси автоколлиматора. Это вызывает смещение центра изображения креста в плоскости анализа на величину х (см. фиг.2 или 3), которая связана с углом наклона зеркала 14 зависимостью:
где  - фокусное расстояние объектива 1.
Аналогичным образом, связь между наклоном зеркала β и смещением координатой центра изображения у в системе ортогональных координат плоскости анализа автоколлимационного изображения устанавливается формулой:
При нахождении изображения креста в любой точке плоскости анализа автоколлимационного изображения (см. фиг.2 или 3) на два ортогонально расположенных фотоприемника проецируются соответствующие ветви креста (марки).
Считывание сигналов изображения с каждого из фотоприемников выполняется соответственно блоками 9-1, 9-2…9-n управления и считывания информации, которые задают режимы работы фотоприемников и выполняют преобразование считываемого сигнала изображения из аналоговой формы в цифровую.
Блок 10 сопряжения синхронизирует работу блоков 9-1, 9-2…9-n управления и считывания информации, обеспечивая одновременное (синфазное) и синхронное считывание сигналов изображения со всех фотоприемников. Кроме этого, блок 10 принимает цифровые сигналы изображения со всех фотоприемников, записывает их во внутреннее оперативное запоминающее устройство и передает эту информацию в персональный компьютер 11 в соответствии с протоколом обмена по интерфейсу. По этому же интерфейсу блок 10 сопряжения принимает команды, которые набираются оператором на клавиатуре персонального компьютера для задания режимов работы автоколлиматора.
В процессе обработки цифрового автоколлимационного изображения креста персональный компьютер 11 вычисляет линейные координаты центра перекрестья по алгоритму взвешенного суммирования, затем пересчитывает эти значения в угловые координаты на основании формул (1) и (2) с учетом результатов градуировки, которая выполняется с помощью внешнего углоизмерительного устройства.
По сравнению с прототипом в предложенной схеме автоколлиматора массив цифровой информации, используемой при расчетах угловых положений зеркала, снимается одновременно со всех однострочных датчиков изображения, расположенных в плоскости анализа автоколлимационного изображения в предложенном порядке. При этом плоскость анализа задана совокупностью факторов, а именно числом и параметрами фотоприемников, параметрами объектива и размерами автоколлимационной марки. Достижение высокой частоты съема отсчетов можно показать на двух конкретных примерах.
При использовании в заявляемом техническом решении 4-х линеек IL-Р1-2048 фирмы DALSA Corp.(см. приложение к настоящей заявке), расположенных в фокальной плоскости объектива, как показано на фиг.2, максимальная частота съема отсчетов составляет 23 кГц. При этом точность измерения углового положения при каждом отсчете определяется, в частности, числом пикселей 2×2048 и размером пикселя 10×10 мкм. При использовании в прототипе одной матрицы FTF4052M этой же фирмы, обеспечивающей примерно равную точность измерений (число пикселей 4008×5344, размер пикселя 9×9 мкм) и диапазоны измеряемых угловых положений зеркала, частота съема отсчетов не превышает 4 Гц. Следовательно, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение частоты съема отсчетов более чем в 5 тысяч раз.
При использовании в заявляемом техническом решении 8-и линеек IL-Р1-1024 этой же фирмы (1024 пикселей, размер пикселя 10×10 мкм), расположенных в фокальной плоскости объектива, как показано на фиг.3, и обеспечивающих аналогичные с первым случаем точность измерений и диапазоны измеряемых угловых положений зеркала, максимальная частота съема информации составляет 46 кГц. В сравнении с прототипом это означает повышение частоты съема информации в 10 тысяч раз.
Таким образом обеспечено получение технического результата по сравнению с прототипом: цифровой двухкоординатный динамический автоколлиматор может быть использован для высокоточных измерений углового положения движущегося зеркала относительно двух ортогональных осей с высокой частотой измерений (съема отсчетов). Это обеспечивает получение циклограмм, описывающих с высокой точностью и достоверностью динамические характеристики зеркал дефлекторов и других устройств с движущимися зеркалами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Креопалова Г.В, Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения: Учебник для вузов по специальностям «Оптико-электронные приборы» и «Технология оптического приборостроения». / Под общ. ред. Д.Т.Пуряева. - М.: Машиностроение, 1987. - 264 с.: ил. страницы 22-25.
2. Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики. Электронные учебники системы ДО. Сухопаров С.А. Методы и средства испытаний, контроля и юстировки оптических приборов. Раздел 4, подраздел 1, пункт 2. Автоколлматоры. Рис.3.2. Источник. http://de.ifmo.ra/bk_netra/select.php
3. Цифровой двухкоординатный автоколлиматор с разрешением 0,001 угловой секунды. - Прототип. Источник: http//ccd.apollophone.ru/tema2.php