ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ АВТОКОЛЛИМАТОР

Полезная модель относится к оптической измерительной технике и может быть использована для измерения плоских углов при юстировке прецизионных оптических систем.
Известно оптическое углоизмерительное устройство (патент США №6628405 «Optical angle finder and coaxial alignment device», G01B 9/02, опубл. 30.09.2003), включающее последовательно установленные вдоль оптической оси и расположенные в едином корпусе телескоп, светоделитель и первое плоское зеркало, а также второе плоское зеркало, оптически сопряженное с первым плоским зеркалом через светоделитель и приемник изображения, одновременно оптически сопряженный через светоделитель с телескопом и вторым плоским зеркалом.
Известен цифровой автоколлиматор (патент США №7227627 «Optical biaxial angle sensor», G01B 11/26, опубл. 05.06.2007), включающий последовательно установленные вдоль оптической оси источник света, марку, светоделитель и объектив, а также цифровой матричный приемник изображения, оптически сопряженный через светоделитель с объективом. В данном устройстве марка выполнена в виде двумерного транспаранта с ангармоническим изменением пропускания вдоль каждого из взаимоперпендикулярных направлений, описываемым комбинацией двух гармонических функций с различными некратными пространственными частотами.
Известен телевизионный автоколлиматор (заявка на изобретение РФ №2000112591, G01B 11/26, опубл. 20.04.2002), содержащий оптически связанные матричный фотоприемник, источник света, марку в виде матрицы круглых прозрачных окон, светоделитель, объектив и автоколлимационное зеркало.
Известно фотоэлектрическое автоколлимационное устройство (А.С. СССР №1737264, G01B 11/26, опубл. 30.05.1992, Бюл. №20), содержащее осветитель, оптический блок, отражатель, предназначенный для размещения на объекте и линейный многоэлементный фотоэлектрический приемник излучения, выход которого электрически соединен с блоком обработки информации, причем оптический блок выполнен в виде конденсора и последовательно расположенных плоского зеркала, установленного под углом 45° к оптической оси, отражательной призмы с маркой, ориентированной так, что ее гипотенузная грань параллельна отражательной поверхности плоского зеркала, и последовательно расположенных со смещением относительно оптической оси между отражательной призмой и отражателем кольцевого зеркала, плоского зеркала и объектива, второго объектива, расположенного в ходе излучения, отраженного от отражателя, со смещением в сторону, противоположную смещению первого объектива, и системы в виде двух плоских зеркал, причем марка выполнена в виде набора щелевых диафрагм, расположенных по обе стороны от центральной щелевой диафрагмы с шагом, равным отношению длины чувствительного элемента фотоэлектрического приемника излучения к увеличению второго объектива.
Известно оптическое фотоэлектрическое устройство (А.С. СССР №1753444, G02B 27/10, опубл. 07.08.1992, Бюл. №29), содержащее осветитель, марку, формирующий объектив и два линейных фотоприемника, а также 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, центральное отверстие которого равно размеру второй пары склеенных компонентов бифокального объектива, и два проекционных объектива, оптически сопряженных с маркой, плоскости изображений которых совмещены соответственно с плоскостями линейных фотоприемников, причем один из фотоприемников оптически сопряжен с маркой посредством внешней концевой части формирующего объектива, внешней части второй пары бифокального объектива и кольцевой части наклонного отражательного зеркала, а второй фотоприемник оптически сопряжен с маркой посредством центральной части обеих пар компонентов бифокального объектива, причем марка выполнена 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 щелей по ширине.
Известен фотоэлектрический автоколлиматор (Ю.М.Голубовский, Л.Н.Пивоварова «Широкодиапазонный автоколлиматор с линейным фотоприемником», Оптический журнал, 1995, №4, стр.71-72), состоящий из источника света, конденсора, марки в виде штриха, светоделителя, объектива, автоколлимационного плоского зеркала, установленного с возможностью юстировки, линейного многоэлементного фотоприемника и блока обработки информации.
Известен автоколлиматор для измерения плоских углов (патент РФ №2353960, G02B 27/30, опубл. 27.04.2009), включающий осветитель, размещенные по ходу луча конденсор, марку, светоделитель, объектив, автоколлимационное зеркало, установленное с возможностью юстировки по двум угловым координатам, матричный фотоприемник и блок обработки информации, причем марка и матричный фотоприемник установлены в фокальной плоскости объектива, часть поля марки выполнена в виде щелевого растра, другая часть - в виде штриха, а перед частью матричного фотоприемника, регистрирующей изображение поля марки в виде щелевого растра, вплотную к нему установлен дополнительный щелевой растр.
В данном устройстве при совмещении изображения щелевого растра марки и дополнительного щелевого растра на матричном фототоприемнике появляется изображение муаровой картины, частота которой зависит от выбранного соотношения частот растров и угла между ними. При наклоне автоколлимационного зеркала относительно оптической оси объектива происходит перемещение экстремумов муаровой картины относительно координат фототоприемника. Измерение положения и величины перемещения экстремумов муаровой картины относительно координат матрицы фотоприемника производят с использованием алгоритма двумерной аппроксимации синусоидной муаровой картины, а затем эти данные пересчитывают в угловую координату автоколлимационного зеркала с учетом фокусного расстояния объектива и размера фоточувствительного элемента матрицы фотоприемника.
Основным источником погрешности определения положения экстремумов муаровой картины являются шумы матричного фотоприемника.
Известен двухканальный оптико-электронный автоколлиматор (патент РФ №2304796, G02B 27/30, опубл. 20.08.2007), содержащий два канала, причем основной канал выполнен из объектива, светоделительной призмы и осветителя, оптическая ось которого расположена по ходу луча, отраженного от гипотенузной грани светоделительной призмы, при этом осветитель состоит из последовательно расположенных от светоделительной призмы автоколлимационной марки, конденсора и источника света; дополнительный канал расположен параллельно оси осветителя основного канала, но по другую сторону от светоделительной призмы, и состоит из последовательно расположенных от нее дополнительного объектива и плоского зеркала. В дополнительный канал устройства введен второй осветитель, расположенный по отношению к светоделительной призме со стороны осветителя основного канала и выполненный аналогично этому осветителю, причем ось дополнительного канала смещена относительно оси осветителя основного канала, и оба осветителя оптически сопряжены с одной гипотенузной гранью светоделительной призмы. В фокальной плоскости объектива основного канала расположена линейка ПЗС фотоприемного устройства. На светоделительную призму установлены поглощающие пластины, одна из которых расположена на внешней грани светоделительной призмы со стороны дополнительного объектива в месте пересечения с ней оптической оси осветителя основного канала, а другая - на внешней грани светоделительной призмы со стороны объектива основного канала в месте пересечения с ней отраженного излучения от осветителя дополнительного канала. На противоположной грани светоделительной призмы в месте пересечения с этой же осью установлена дополнительная призма, изменяющая направление оси дополнительного канала с целью приведения автоколлимационного изображения этого канала на общую линейку фотоприемного устройства.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и низкая точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является двухканальный цифровой автоколлиматор (см. В.Л.Шур, А.Я.Лукин, Ю.Н.Шестопалов, О.И.Попов «Двухкоординатный цифровой автоколлиматор» Измерительная техника, 2005, №9, стр.45-48), содержащий два канала, причем основной канал включает последовательно расположенные по ходу луча осветитель, конденсор, автоколлимационную марку, светоделитель, объектив и автоколлимационное зеркало, установленное с возможностью юстировки по двум угловым координатам, опорный канал включает последовательно расположенные по ходу луча второй осветитель, второй конденсор, опорную марку и второй объектив, а также расположенный в обоих каналах матричный фотоприемник с блоком цифровой обработки изображения, причем автоколлимационная марка установлена в фокальной плоскости объектива, а второй объектив установлен таким образом, что плоскость опорной марки оптически сопряжена с плоскостью матричного фотоприемника. В прототипе светоделитель служит для сведения лучей основного и опорного каналов, автоколлимационная марка выполнена в виде перекрестия прозрачных штрихов, а опорная марка - в виде набора горизонтальных и вертикальных прозрачных штрихов.
В прототипе осветитель через конденсор освещает автоколлимационную марку. Далее пучок света отражается от делительной поверхности светоделителя, проходит объектив и попадает на автоколлимационное зеркало, затем отражается от этого зеркала, проходит в обратном ходе объектив, светоделитель и попадает на матричный фотоприемник. На фотоприемнике появляется изображение автоколлимационной марки, положение которой относительно координат матричного фотоприемника зависит от углов наклона автоколлимационного зеркала относительно оси объектива. Блок цифровой обработки изображения производит вычисление координат центра тяжести изображения перекрестия марки с учетом усреднения по столбцам (строкам) и по времени, а затем эти данные пересчитывают в угловую координату автоколлимационного зеркала с учетом фокусного расстояния объектива.
Основным источником погрешности определения пространственных координат положения изображения марки на матричном фотоприемнике является неконтролируемое изменение пространственного положения фоточувствительных элементов приемника, вызванное тепловыми деформациями матрицы. Для учета температурного дрейфа элементов матрицы фотоприемника в прототипе кроме основного (измерительного) канала имеется также опорный канал, включающий второй осветитель, второй конденсор, опорную марку в виде прямоугольной сетки штрихов и второй объектив, проецирующий изображение опорной марки через светоделитель на матричный фотоприемник.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и низкая точность измерений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящая полезная модель, является упрощение конструкции и повышение точности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом двухканальном цифровом автоколлиматоре основной канал включает последовательно расположенные по ходу луча осветитель, автоколлимационную марку, светоделитель, первый объектив и автоколлимационное зеркало, установленное с возможностью юстировки по двум угловым координатам, опорный канал включает последовательно расположенные по ходу луча второй осветитель, опорную марку и второй объектив, а также расположенный в обоих каналах матричный фотоприемник с блоком цифровой обработки изображения, причем автоколлимационная марка установлена в фокальной плоскости первого объектива, а второй объектив установлен таким образом, что плоскость опорной марки оптически сопряжена с плоскостью матричного фотоприемника, между опорной маркой и вторым объективом установлен второй светоделитель, второй объектив расположен перед матричным фотоприемником таким образом, что фокальная плоскость первого объектива оптически сопряжена с плоскостью матричного фотоприемника, автоколлимационная марка выполнена в виде прозрачного круга, опорная марка выполнена в виде прямоугольной матрицы прозрачных кругов, а блок цифровой обработки изображения включает программные средства определения пространственных координат геометрического центра круга.
Кроме того, оба светоделителя могут быть выполнены в виде оптического моноблока, состоящего из трех призм АР-90, установленых так, что гипотенузная грань первой призмы расположена вплотную к первой катентной грани второй призмы и образует первый светоделитель, а вторая катентная грань второй призмы расположена вплотную к гипотенузной грани третьей призмы и образует второй светоделитель, причем первая и третья призмы одинаковы, длина их гипотенузных граней равна длине катетной грани второй призмы, автоколлимационная марка установлена вплотную к катетной грани первой призмы, а опорная марка установлена вплотную к катетной грани второй призмы.
Выбор формы оптической марки и программных средств цифровой обработки ее изображения на матричном фотоприемнике существенным образом определяет точность измерений в цифровом автоколлиматоре при прочих равных условиях. Под точностью измерений здесь и далее будем понимать точность определения координат изображения марки на матрице отсчетов, например, на светочувствительной матрице ПЗС-камеры или линейки.
Известно, что угловая чувствительность автоколлиматоров, использующих для регистрации излучения линейные или матричные многоэлементные фотоприемники, определяется фокусным расстоянием объектива и точностью считывания координаты изображения марки относительно координат приемника. Последняя величина зависит от уровня оптических и электронных шумов измерительного тракта, разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) электрических сигналов, поступающих с выхода фотоприемника, и числа отсчетов координат изображения марки по строкам (столбцам) для случая матричных фотоприемников. Чем меньше уровень шумов, выше разрядность АЦП и больше количество принимаемых в расчет чувствительных элементов приемника с различными значениями принимаемого сигнала, тем выше точность измерения координат положения изображения марки на фотоприемнике. Очевидно, что первые два фактора не связаны с формой оптической марки, тогда как третий фактор зависит именно от нее. Так для оптической марки в виде, например, перекрестия (см. прототип) точность измерения координаты его положения на матричном фотоприемнике зависит от величины размытия края изображения в горизонтальном направлении и количества строк в матрице фотоприемника. При этом, чем резче край изображения (к чему, казалось бы, следует стремиться для повышения точности), тем уже гистограмма сигналов, поступающих от информационных пикселей приемника, а значит меньше эффективность статистического усреднения и снижения влияния шумов. Парадокс, при котором точность измерения координаты изображения штриховой марки не может быть увеличена даже при использовании матричного приемника, преодолен в заявляемом устройстве за счет использования двумерной марки с радиальной симметрией в виде круга.
Преимущество использования круга в качестве оптической марки следует из самого определения информации как меры снимаемой неопределенности выбора или из более современного определения количественной оценки информации как общего числа неповторяющихся сообщений (сигналов). При использовании в качестве оптической марки перекрестия или штриха в случае сдвига их изображения относительно элементов матричного фотоприемника изменение засветки всех соседних элементов происходит одинаково, т.е. сигналы являются повторяющимися. При сдвиге же изображения круга засветка соседних элементов, за исключением элементов соответствующих концам диаметра перпендикулярного направлению сдвига, будет разная, и общее число неповторяющихся сигналов в этом случае намного больше.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 чертежей представлена оптическая схема устройства, на фиг.2, 3 - изображения автоколлимационной и опорной марок, соответственно. На фиг.4,5 представлены автоколлимационные марки и гистограммы распределения яркости пикселей их изображений на матричном фотоприемнике для случая прототипа (фиг.4) и заявляемого устройства (фиг.5). На фиг.6 показано поле изолиний сдвига координат пикселей матричного фотоприемника.
Оптическая схема заявляемого устройства (фиг.1) включает осветитель 1, выполненный, например, в виде светодиода, автоколлимационную марку 2, выполненную в виде фотошаблона, на котором методом фотолитографии изготовлен прозрачный круг (фиг.2), оптический моноблок, включающий три установленные вплотную друг к другу призмы АР-90, причем призмы 3 и 4 образуют светоделитель, а призмы 4 и 11 - второй светоделитель, матричный фотоприемник 8, выполненный, например, в виде цифровой КМОП или ПЗС камеры, объектив 5 и автоколлимационное плоское зеркало 6. Кроме того, на оптической схеме показаны второй осветитель 9, выполненный также, например, в виде светодиода, опорная марка 10, выполненная в виде фотошаблона, на котором методом фотолитографии изготовлена матрица прозрачных кругов (фиг.3) и второй объектив 7, расположенный перед матричным фотоприемником 8 таким образом, что фокальная плоскость объектива 5 и опорная марка 10 оптически сопряжены с плоскостью матричного фотоприемника 8.
Авторами проведены сравнительные экспериментальные исследования влияния формы автоколлимационной марки 2 на точность измерений в цифровом автоколлиматоре. Установлено, что использование автоколлимационной марки 2 в виде круга в сочетании с использованием специальных программных средств обработки ее изображения обеспечивают повышение точности цифрового автоколлиматора примерно на порядок по сравнению с прототипом. Этот факт можно объяснить повышением эффективности статистического усреднения результатов измерений положения геометрического центра изображения круглой марки по сравнению с измерением положения центра тяжести изображения перекрестия в прототипе за счет многократного расширения гистограммы информационных пикселей матричного фотоприемника 8 (см. фиг.4, 5). В заявляемом устройстве информационные пиксели матричного фотоприемника 8 располагаются на границе круга, т.е. на окружности. При этом их пространственные координаты определяются в результате вычисления первых производных в блоке цифровой обработки изображения. Этим самым достигают значительного снижения влияния на результат вычислений шумов матричного фотоприемника 8 и неконтролируемых изменений яркости изображения автоколлимационной марки 2.
Авторами проведены экспериментальные исследования смещения чувствительных элементов матричного фотоприемника 8, вызванного тепловыми деформациями. Для учета температурного дрейфа элементов матрицы фотоприемника 8 в заявляемом устройстве так же, как и в прототипе кроме основного (измерительного) канала имеется также опорный канал, включающий второй осветитель 9, опорную марку 10 и второй объектив 7, проецирующий изображение опорной марки 10 через второй светоделитель на матричный фотоприемник 8. На фиг.6 показаны результаты экспериментальных исследований в виде поля изолиний сдвига координат пикселей матричного фотоприемника 8 за интервал времени 200 минут после его включения. Цифры на фиг.6 показывают величины сдвига в различных участках матрицы в единицах размера пикселя. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве опорная марка 10 выполнена в виде прямоугольной матрицы прозрачных кругов, что обеспечивает повышение точности измерений в опорном канале примерно на порядок выше, чем в прототипе.
Упрощение конструкции в заявляемой полезной модели достигается за счет использования оптического моноблока из трех призм, реализующего функцию двух светоделителей, а также за счет исключения из оптической схемы двух конденсоров.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Осветитель 1 освещает автоколлимационную марку 2, установленную в фокальной плоскости объектива 5. Далее пучок света отражается от делительной поверхности светоделителя, образованной поверхностями призм 3 и 4, проходит объектив 5 и попадает на автоколлимационное зеркало 6. Затем пучок отражается от автоколлимационного зеркала 6 проходит в обратном ходе объектив 5, светоделитель и вторым объективом 7 проецируется на матричный фотоприемник 8. На матричном фотоприемнике 8 появляется изображение автоколлимационной марки 2, положение которой относительно координат матричного фотоприемника 8 зависит от угла наклона автоколлимационного зеркала 6 относительно оси объектива 5. Блок цифровой обработки изображения, подключенный к выходам матричного фотоприемника 8, производит вычисление пространственных координат геометрического центра изображения автоколлимационной марки 2 путем итерационного поиска с учетом статистического усреднения по строкам (столбцам) и по времени.
Выполнение автоколлимационной марки 2 в виде круга в совокупности с применением входящих в состав блока цифровой обработки изображения программных средств определения пространственных координат положения геометрического центра круга на матричном фотоприемнике 8 определяют достижение заявленного технического результата, а именно обеспечивают повышение точности измерений, проводимых с помощью двухканального цифрового автоколлиматора.
Из уровня техники авторам не известна совокупность существенных признаков предлагаемого двухканального цифрового автоколлиматора, таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны. Кроме того, полезная модель является промышленно применимой и, следовательно, полностью соответствует условиям патентоспособности