ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЦИФРОВОЙ АВТОКОЛЛИМАТОР
TWO-COORDINATE PHOTOELECTRIC DIGITAL AUTOCOLLIMATOR

Изобретение относится к измерительной технике с использованием оптических средств измерения, в частности к оптико-электронным устройствам, позволяющим автоматически измерять углы поворота объектов относительно двух взаимно перпендикулярных осей автоколлимационным методом.
Традиционная схема фотоэлектрического измерительного автоколлиматора включает в себя осветитель, марку (диафрагму) определенной формы, светоделительный куб, объектив, многоэлементный фотоэлектрический приемник и блок управления и обработки сигнала, причем марка и приемник расположены во взаимно сопряженных фокальных плоскостях объектива. При измерениях на контролируемом объекте устанавливают отражающий элемент, в качестве которого обычно используется плоское зеркало, а угол ψ поворота объекта относительно оси, перпендикулярной оптической оси автоколлиматора, оценивается по величине сдвига Δ изображения марки в плоскости регистров фотоприемника:
<mrow><mi>ψ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>Δ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>f</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где f - фокусное расстояние объектива.
В некоторых задачах необходим контроль поворота объекта лишь относительно одной оси, например, вертикальной. Тогда в качестве приемника удобно использовать однострочный датчик изображения, например, функционально простую и стабильную ПЗС-линейку. Для контроля поворота объекта относительно двух осей, перпендикулярных оптической оси автоколлиматора, обычно используют ПЗС-матрицу или несколько ПЗС-линеек.
Известен автоколлиматор [см. Пат. РФ №2437058, МПК G01B 9/00, приор. 18.02.2008], содержащий фотоэлектронный автоколлимационный канал, электронную аппаратуру формирования цифровой информации и персональный компьютер. Автоколлимационный канал выполнен из объектива, куб-призмы, набора фотоприемников, крестообразной автоколлимационной марки и осветителя. Фотоприемники являются однострочными датчиками изображения. Размеры крестообразной автоколлимационной марки, параметры объектива, расположение и число фотоприемников и их параметры, в частности размеры их светочувствительных поверхностей, выбираются из условия приведения изображения крестообразной автоколлимационной марки на пару ортогонально размещенных фотоприемников при любом расположении зеркала в диапазоне измеряемых углов. Технический результат - повышение частоты съема отсчетов измеряемых углов.
Однако такое устройство, вследствие использования не менее одной пары ортогонально размещенных однострочных фотоприемников, сложно в изготовлении и громоздко. Кроме того, точность измерения углов таким автоколлиматором при длительной автономной работе, в том числе в полевых условиях, снижается вследствие значительных искажений сигнала как за счет изменения коэффициента пропускания света оптическим каналом, так и за счет изменения параметров источника освещения.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является выбранное нами в качестве прототипа двухкоординатое автоколлиматорное устройство измерения углов [см. Пат. РФ №2408840, МПК G01B 11/26, приор. 29.10.2009], включающее источники излучения, отражатель, выполненный в виде блока прямоугольных призм, объектив, две жестко связные между собой марки, которые совместно с излучателями и системами освещения марок образует два оптических канала, оси которых симметричны относительно оптической оси объектива, два приемных канала в виде двух параллельных друг другу фоточувствительных регистров, разнесенных между собой на расстояние, равное расстоянию между оптическими каналами, блок управления и блок обработки сигналов регистров; каждая марка включает растр параллельных штрихов, дополненный штрихом, размер сечения которого прямой линией, перпендикулярной растру, монотонно убывает или возрастает при смещении прямой, блок обработки сигналов выполнен так, что обеспечивает формирование видеоимпульсов, их синхронизацию, позиционирование фронтов видеоимпульсов, суммирование синхроимпульсов, позиционирующих фронты видеоимпульсов.
Однако такой автоколлиматор не позволяет с высокой точностью осуществлять измерение угла поворота относительно оси, перпендикулярной оптической оси объектива автоколлиматора, так как это измерение проводится по положению фронтов видеоимпульсов с разных регистров, переменная длительность которых ухудшает условия их фильтрации блоком обработки сигналов. Кроме того, точность измерения угла в средней части диапазона измерения не может быть увеличена при заданном размере дополнительного штриха в направлении, ортогональном растру параллельных штрихов. Точность измерения углов таким автоколлиматором при длительной автономной работе, в том числе в полевых условиях, снижается вследствие значительных искажений сигнала как за счет изменения коэффициента пропускания света оптическим каналом, так и за счет изменения параметров источника освещения. Устройство сложно в изготовлении и громоздко.
Нами предложен высокоточный двухкоординатный фотоэлектрический цифровой автоколлиматор, производящий измерения углов поворота объекта относительно двух осей, ортогональных оптической оси объектива автоколлиматора, с использованием одного фоточувствительного регистра в виде ПЗС-линейки. Устройство компактно и надежно в эксплуатации.
Такой технический результат получен, когда в двухкоординатном фотоэлектрическом цифровом автоколлиматоре, включающем оптическую систему формирования автоколлимационного изображения марки из источника излучения, размещенных последовательно по ходу луча конденсора, марки, светоделителя и объектива, фотоприемное устройство в виде ПЗС-линейки с системой управления, включающей синхрогенератор, и системой обработки видеосигналов из фильтра нижних частот, формирователя видеоимпульсов и формирователя фронтов видеоимпульсов, и блок обработки информации, причем марка и фотоприемное устройство установлены в фокальных плоскостях объектива, новым является то, что в автоколлиматор дополнительно введены последовательно сединенные селектор, пиковый детектор, сустрактор и усилитель мощности, при этом вход селектора подсоединен к выходу фильтра нижних частот, а выход усилителя мощности подключен к источнику излучения, марка выполнена в виде набора непрерывных штрихов, образующих три горизонтальные зоны, средняя из которых выполнена из по крайней мере одного вертикального штриха и по крайней мере одного наклонного бокового штриха, при этом высота штрихов равна высоте зоны, а горизонтальные сечения марки в разных зонах различаются количеством сечений штрихов или их взаимным расположением.
Подходы к решению задачи построения селектора, выделяющего из пачки видеоимпульсов заданный видеоимпульс, пикового детектора, сустрактора, определяющего разность между пиковым напряжением видеоимпульса и опорным напряжением, и усилителя мощности известны.
С целью дополнительного повышения точности в автоколлиматоре средняя зона марки выполнена из одного вертикального и двух параллельных наклонных боковых штрихов, центры которых расположены симметрично относительно центра вертикального штриха, верхняя зона марки выполнена из двух вертикальных штрихов, являющимися продолжениями вверх вертикального штриха и одного из боковых штрихов средней зоны, а нижняя зона выполнена из одного вертикального штриха, являющегося продолжением вниз вертикального штриха средней зоны. Увеличение точности измерения угла поворота относительно горизонтальной оси получено за счет увеличения количества наклонных штрихов (см. п.2 Формулы).
С целью дополнительного повышения точности измерений путем исключения паразитного блика на ПЗС-линейке после объектива в прямом ходе луча дополнительно установлена четвертьволновая пластинка, а светоделитель выполнен с поляризационными свойствами (см. п.3 Формулы).
2
С целью дополнительного повышения точности измерений путем исключения паразитного блика на ПЗС-линейке между светоделителем и ПЗС-линейкой дополнительно установлен ослабляющий оптический фильтр. Установка поглощающего оптического фильтра с коэффициентом пропускания К между светоделителем и фотоприемным устройством позволяет производить подавление энергии блика в (1/K) раз, при подавлении энергии рабочего потока излучения только в 1/K раз (см. п.4 Формулы).
С целью дополнительного повышения точности измерений путем исключения ошибок считывания штрихи марки выполнены так, что при равномерном движении горизонтальной прямой от верхней до нижней границы марки количество пересекаемых штрихов скачкообразно изменяется не более чем на единицу (см. п.5 Формулы).
На фиг.1 представлена функциональная схема автоколлиматора, где источник 1 излучения (светодиод), конденсор 2, марка 3, светоделитель 4, объектив 5, фотоприемник 6, выполненный в виде ПЗС-линейки, с системой 7 управления, синхрогенератор 8, и система обработки видеосигналов из фильтра 9 нижних частот, формирователя 10 видеоимпульсов и формирователя 11 фронтов видеоимпульсов, блок 12 обработки информации, селектор 13, пиковый детектор 14, сустрактор 15, усилитель мощности 16, четвертьволновая пластинка 17, ослабляющий оптический фильтр 18 и зеркало 19;
-.-.-.- оптическая ось;
→ - функциональные электрические связи между выходами и входами электронных узлов.
На фиг.2 представлено негативное изображение марки в плоскости регистра фотоприемника (п.2 Формулы), где первый непрерывный боковой штрих 20, центральный вертикальный штрих 21 и второй боковой штрих 22, боковые штрихи в средней зоне расположены под одинаковыми углами к вертикальному штриху 21; линия 23 регистра фоточувствительных элементов ПЗС-линейки перпендикулярна вертикальному штриху 21;
γ - угол наклона наклонных штрихов средней зоны относительно вертикального штриха, град;
----- - границы зон марки;
TR - зоны захвата: нижняя (-) и верхняя (+);
W - зона измерения (средняя зона).
На фиг.3 представлены эпюры напряжений, поясняющие работу системы обработки видеосигналов, где а - видеосигнал на выходе ПЗС-линейки, б - огибающая видеосигнала на выходе фильтра 9 низких частот, в - видеоимпульсы на выходе формирователя 10, г - фронты видеоимпульсов на выходе формирователя 11, д - периодические импульсы заполнения на выходе синхрогенератора 8 для позиционирования фронтов видеоимпульсов;
1
2
3
4
5
6
N, N, N, N, N и N - линейное положение фронтов первого, второго и третьего видеоимпульсов от начала регистра ПЗС-линейки, выраженное в количестве заполняющих импульсов;
T - длительность периода считывания информации ПЗС-линейки, мс.
Работа двухкоординатного фотоэлектрического цифрового автоколлиматора приведена на примере выполнения устройства с вариантом марки по п.2 Формулы.
Устройство работает следующим образом. Для измерений поворота исследуемого объекта на нем установлено автоколлимационное зеркало 19. От источника 1 излучения света через конденсор 2 и марку 3 пучок света падает на светоделитель 4. Отраженная часть света поступает на объектив 5, на выходе которого свет преобразуется в систему параллельных лучей, которые поступают на зеркало 19. Лучи, отраженные зеркалом 19, возвращаются в объектив 5, в фокальной плоскости которого, т.е. в плоскости фотоприемника 6, строится изображение марки 3. Положение изображения марки на регистре ПЗС-линейки зависит от углового положения зеркала 19, т.е. положения измеряемого объекта.
Технический результат построения двухкординатного автоколлиматора с использованием одной фоточувствительной ПЗС-линейки достигается применением марки специальной конфигурации, образующей три горизонтальные зоны. Штрихи, расположенные в средней зоне, используются для измерения углов поворота относительно вертикальной оси (в горизонтальной плоскости) и горизонтальной оси (в вертикальной плоскости). Верхняя и нижняя зоны предназначены для определения знака угла в вертикальной плоскости (регистр в верхней зоне - знак «+», в нижней зоне - знак «-»). Зонирование имеет целью увеличение точности определения угла в средней зоне. Средняя зона включает один вертикальный штрих, используемый для определения горизонтального угла, и два наклонных под углом γ к вертикали штриха, центры которых расположены симметрично относительно центра вертикального штриха. Угол наклона объекта в горизонтальной плоскости определяется положением сечения регистром 23 вертикального штриха, проходящего через все зоны. Угол наклона объекта в вертикальной плоскости определяется положением сечения регистром 23 изображения наклонных штрихов по отношению к положению сечения регистром вертикального штриха. Для однозначного определения зоны количество штрихов в разных зон отличается.
Задают пределы измерений углов поворота объекта (зеркала 19) в вертикальной плоскости, т.е. высоту средней зоны.
Возможны два режима работы автоколлиматора: «захват» и «измерение», в зависимости от того, какая зона марки проецируется на фоточувствительный регистр. Если на регистр проецируется зона марки, в которой содержится один или два штриха, то автоколлиматор работает в режиме «захвата», т.е. выдает сигнал о том, что наклон зеркала 19 превышает заданный предел, при котором авто коллиматор должен работать в режиме «измерение», и указывает знак отклонения для последующего введения марки в зону «измерение». Если на регистр проецируется три штриха, то автоколлиматор работает в режиме «измерение», т.е. определяет в цифровом виде углы поворота в вертикальной и горизонтальной плоскости. Режим работы выявляет блок обработки информации по количеству приходящих видеоимпульсов за один период считывания.
После записи информации на ПЗС-линейку в процессе накопления процесс считывания информации с ПЗС-линейки происходит следующим образом. Синхрогенератор 8 вырабатывает периодические импульсы (фиг.3д), поступающие в блок 12 и являющиеся заполняющими импульсами для позиционирования элементов изображения. Одновременно он через систему 7 управления тактирует работу фотоприемника 6. Импульсы управления записью и считыванием информации с ПЗС-линейки из системы управления 7 передаются в блок 12. Аналого-дискретный сигнал (фиг.3а) с выхода фотоприемника 6 проходит на фильтр 9 нижних частот, на выходе которого появляются сигналы «огибающих» (фиг.3б) аналого-дискретных сигналов, которые в формирователе 10 сравниваются с пороговым (опорным) напряжением и преобразуются в видеоимпульсы (фиг.3в). Далее в формирователе 11 при помощи ждущих мультивибраторов каждый видеоимпульс преобразуется в два коротких импульса (фиг.3г), соответствующих обоим фронтам видеоимпульса. Эти импульсы используются в блоке 12 для определения линейного положение центров всех видеоимпульсов относительно начала регистра ПЗС-линейки, выраженного в количестве заполняющих импульсов:
ц1
1
2
ц2
3
4
ц3
5
6
N=N+N, N=N+N, N=N+N,
ц1
ц2
ц3
где N, N и N - линейные положения центров первого, второго и третьего видеоимпульсов от начала регистра ПЗС-линейки;
1
2
3
4
5
6
N, N, N, N, N и N - линейное положение фронтов первого, второго и третьего видеоимпульсов от начала регистра ПЗС-линейки, соответственно, выраженное в количестве заполняющих импульсов (фиг.3д).
ц
ц
ц2
Для определения положения изображения марки N на ПЗС-линейке (позиционирования) используется только второй видеоимпульс, соответствующий вертикальному штриху 21 марки, т.е. N=N.
цр
Положение центра регистра N ПЗС-линейки, выраженное в импульсах заполнения, определяется выражением
цp
N=П/2·n·F,
цр
где N - количество заполняющих импульсов, укладывающихся от начала до середины регистра ПЗС-линейки;
П - число чувствительных элементов в регистре ПЗС-линейки;
n - количество импульсов заполнения, приходящихся на один период выборки;
F - количество фронтов видеоимпульсов, используемых при измерении угла β (F=2 для марки фиг.2).
Позиционирование изображения марки по длине регистра относительно его центра и пересчет его в угол β поворота автоколлимационного зеркала в горизонтальной плоскости определяется выражением
ц
цp
β
β=(N-N)·K,
β
K - угловое содержание одного импульса заполнения по длине регистра ПЗС-линейки в градусах.
β
Для конкретного автоколлиматора значение K определяется выражением:
β
K=a/n·Δφ,
где a - линейный размер шага фоточувствительного элемента ПЗС-линейки в мкм;
Δφ - величина угла поворота в градусах автоколлимационного зеркала, соответствующая смещению изображения марки по регистру ПЗС-линейки на 1 мкм.
Угол α поворота автоколлимационного зеркала в вертикальной плоскости определяется линейной величиной смещения центра изображения марки перпендикулярно линии регистра ПЗС-линейки и определяется выражением
ц1
ц3
ц2
α
α=[N+N-2N)]·K,
α
где K - угловое содержание одного импульса заполнения при подсчете смещения марки перпендикулярно регистру ПЗС-линейки, град.
α
β
Соотношение величин коэффициентов K и K определяется углом γ наклона боковых штрихов марки в средней зоне относительно вертикального штриха, количеством наклонных штрихов (в нашем случае два) и определяется выражением
α
β
K=K/(2tgγ),
α
где K - угловое содержание одного импульса заполнения в градусах при подсчете смещения марки перпендикулярно регистру ПЗС-линейки, град.;
β
K - угловое содержание одного импульса заполнения по длине регистра ПЗС-линейки, град;
γ - угол наклона наклонных штрихов средней зоны относительно вертикального штриха, град;
В блоке 12 обработки информации за данный цикл накопление-считывание вычисляются в цифровом виде значения углов α и β или код зоны «захвата» +TR или -TR.
Освещенность в пятне изображения марки и амплитуда видеосигнала на выходе ПЗС-линейки зависят от пропускания оптического тракта между автоколлиматором и контролируемым объектом, интенсивности засветки марки, состояния поверхностей оптических элементов автоколлиматора, коэффициента виньетирования светового пучка на оправе объектива. Поэтому для обеспечения стабильности амплитуды видеосигнала, соответствующего выбранному штриху марки, в цепь питания источника 1 излучения введена обратная связь по амплитуде этого видеосигнала.
На практике при несимметричном видеосигнале, отображающем изображение марки, с изменением амплитуды видеосигнала, которая зависит от освещенности марки, меняется позиционирование изображения марки, т.е. появляется дополнительная погрешность измерения. Для исключения этой погрешности измерения угла поворота зеркала необходимо поддерживать амплитуду видеосигнала постоянной при любых возможных изменениях коэффициента пропускания света в оптическом тракте. Блоки 13-16 превращают простую цепь питания источника света в замкнутую систему автоматического регулирования тока через источник света. Принципы построения и работы таких систем известны и строятся на сравнении полученной величины регулируемого параметра с заданной величиной этого параметра. Такие системы называются системами автоматического регулирования по отклонению. Аналоговый сигнал, соответствующий штриху 21, превращаясь в постоянное напряжение, проходя через пиковый детектор, поступает в сустрактор 15, где сравнивается с опорным напряжением, а разница этих напряжений усиливается в усилителе 16 мощности, к выходу которого подключен источник 1 излучения.
Полученная система автоматического регулирования через источник света поддерживает ток, величина которого обеспечивает постоянство амплитуды видеосигнала на выходе ПЗС-линейки.
Установка четвертьволновой пластины (п.3 Формулы). Излучение светодиода, отразившись от светоделительной грани светоделительного устройства, проходит объектив, отражается от плоского зеркала, вновь проходит объектив, светоделительную грань и попадает на регистр ПЗС-линейки. Часть излучения, отразившись от поверхности регистра, вновь проходит тракт: светоделительное устройство - объектив - зеркало - объектив - светоделительное устройство - регистр приемников. Таким образом, на линейке появляется паразитный блик, приводящий к снижению точности измерений при «наползании» полезного сигнала на блик. Если светоделительное устройство поляризационно чувствительно, т.е. при прохождении через него неполяризованного света на выходах светоделителя свет становится частично (почти полностью) линейно поляризованным, то для избавления от блика предложено за светоделительным устройством и объективом дополнительно установить пластину λ/4. При прохождении пластины λ/4, ось Z которой расположена под углом 45° к направлению выделенной поляризации, свет становится преимущественно циркулярно поляризованным. На обратном проходе пластины λ/4 свет опять превращается в преимущественно линейно поляризованный, с направлением выделенной поляризации 90° относительно исходного направления. Поэтому свет практически без потерь проходит светоделительное устройство и попадает на регистр приемников. Отраженная от регистра часть света сохраняет преимущественно линейную поляризацию и проходит почти без потерь светоделительное устройство. Проходя 2 раза через пластину λ/4 (туда и обратно) свет опять становится преимущественно линейно поляризованным, но направление выделенной поляризации поворачивается на 90° относительно исходного. Вследствие этого свет почти полностью отражается светоделительным устройством, т.е. блик не попадает на регистр приемников.
По схеме (см. фиг.1) создан макет высокоточного двухкоординатного фотоэлектрического цифрового автоколлиматора. В качестве источника излучения использовался светодиод инфракрасного диапазона (λ=0,87 мкм). Объектив имел фокусное расстояние 210 мм, фотоприемником служила ПЗС-линейка из фоточувствительных элементов шириной 13 мкм и высотой 50 мкм, с количеством фоточувствительных элементов 2048 и общей длиной фоточувствительного регистра 26,6 мм. Была использована марка (см. фиг.2) с общей высотой 4,4 мм и шириной штрихов 200 мкм. Угол наклона γ боковых параллельных штрихов в средней зоне по отношению к вертикальному штриху был выбран 16°, высота наклонных штрихов была выбрана 2 мм. Расстояние между штрихами в горизонтальном направлении было выбрано 200 мкм. Программное обеспечение блока 12 по известному алгоритму позволяло вычислять углы поворота α и β зеркала 19 и коды зон захвата. Использовалась система автоматического регулирования амплитуды сигнала на выходе ПЗС-линейки, обеспечивающая поддержание амплитуды сигнала в пределах 2% при двукратном уменьшении пропускания излучения оптическим каналом. Диапазон измерения автоколлиматором угла α составил ±10 угл. мин, угла β - ±35 угл. Мин. Среднеквадратичная погрешность измерения угла α составила 2 угл. сек, угла β составила 0,5 угл. сек.
Использование в двухкоординатном автоколлиматоре ПЗС-линейки вместо матрицы, дает выигрыш в скорости съема информации, т.е. частоты измерений положения объекта, что дает возможность повысить точность измерений за счет усреднения результатов многих измерений.