ВИДЕОАВТОКОЛЛИМАТОР
VIDEO AUTOCOLLIMATOR

Изобретение относится к области технической физики и, в частности, для измерения углового положения автоколлимационного зеркала.
Известны оптические автоколлиматоры, основанные на визуальном принципе измерений /1/. К ним, в частности, относятся широко распространенные автоколлиматоры АКУ-1, АКУ-0,5 и АКУ-2,5 соответственно с разрешением 1, 0,5 и 0,25 угловых секунды. Они содержат освещаемую тест-марку в виде перекрестия, установленную в фокальной плоскости объектива. Изображение тест-марки объективом в параллельных лучах света направляется на автоколлимационное зеркало, отражается от него, возвращается в объектив и через светоделительный узел проецируется на специальную шкалу, также установленную в фокальной плоскости объектива. Шкала, как правило, выполнена в виде сетки нитей. На нее проецируется изображение тест-марки, которое рассматривается с помощью окуляра. Измерения выполняются путем определения положения изображения тест-марки (перекрестия) относительно шкалы, которое пропорционально искомому угловому положению автоколлимационного зеркала.
Основным недостатком оптических автоколлиматоров является визуальный принцип измерений без возможности автоматизации.
Известны также фотоэлектрические автоколлиматоры, основанные на автоматизированном принципе измерений /2/. В них также используются тест-марки в виде щелей, изображения которых по двум каналам измерений проецируются на два фотоприемника, что позволяет определять угловые положения автоколлимационного зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (вертикальной и горизонтальной). Сигналами фотоприемников управляются два сервомеханизма, отрабатывающие положения изображений тест-марок на фотоприемниках так, чтобы они принимали определенное «нулевое» положение. Результатами измерений служат выходные коды двух датчиков перемещений, связанных с сервомеханизмами. Для фазового разделения каналов измерений автоколлиматор снабжен электромеханическим модулятором света.
Недостатком фотоэлектрического автоколлиматора является сложная оптическая и кинематическая схемы.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков (прототипом) является фотоэлектрический автоколлиматор типа АФ-1Ц, снабженный двумя каналами измерений, ввиду чего он содержит тест-марку в виде двух перекрестий, модулятор света, два фотоприемника, два сервомеханизма и два кодовых датчика положения. На основе сигналов фотоприемников сервомеханизмы отрабатывают «нулевое» положение изображений тест-марки в направлениях координатных осей, а результатами измерений служат выходные коды датчиков перемещений, пропорциональные угловым положениям автоколлимационного зеркала в направлениях этих осей (в горизонтальной и вертикальной плоскостях).
Прототипу присущи недостатки, связанные со сложными оптическими и электромеханическими узлами.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в устранении указанных недостатков путем упрощения оптического узла, исключения электромеханического узла, содержащего модуляторы света и сервомеханизмы, и упрощения тест-марки.
Для решения этой задачи в предлагаемом видеоавтоколлиматоре, содержащем автоколлимационное зеркало, объектив, светоделительный узел, осветитель, отсчетное устройство, а также тест-марку и фотоприемник, установленные в фокальных плоскостях объектива так, что изображение тест-марки, отраженное светоделительным узлом, объективом направляется на автоколлимационное зеркало, отражается от него и тем же объективом сквозь светоделительный узел проецируется на фотоприемник, отличающемся тем, что фотоприемник содержит ПЗС-матрицу с устройством формирования стандартного видеосигнала, отсчетное устройство выполнено в виде компьютера с видеопроцессором и прикладной программой для вычисления углового положения автоколлимационного зеркала, а тест-марка выполнена в виде круглого окна, диаметр которого рассчитывается по формуле:
,
где ρ″ - коэффициент перевода радиан в угловые секунды;
М - эффективный размер ПЗС-матрицы в мм;
К - число видеокадров, обрабатываемых в измерении;
f′ - фокусное расстояние объектива в мм;
N - число дискретов, выделяемых по координатным осям видеокадра;
Δφ - допустимая погрешность в угловых секундах.
Изобретение поясняется фиг.1, на которой изображены устройство формирования стандартного видеосигнала 1 с ПЗС-матрицей 2, осветитель 3 в виде полупроводникового светодиода, тест-марка 4 в виде круглого окна, светоделительный узел 5, объектив 6, компьютер 7 с видеопроцессором 8 и прикладной программой, а также автоколлимационное зеркало 9.
Видеоавтоколлиматор работает следующим образом.
Изображение тест-марки 4, отраженное светоделительным узлом 5, объективом 6 в параллельных лучах света направляется на автоколлимационное зеркало 9, отражается от него и тем же объективом 6 сквозь светоделительный узел 5 проецируется на ПЗС-матрицу 2, на основе сигналов которой в устройстве 1 формируется стандартный видеосигнал ВС, содержащий изображение тест-марки.
При изменении углового положения автоколлимационного зеркала 9 относительно оптической оси видеоавтоколлиматора координаты центра изображения тест-марки в видеокадре меняются, что и служит основанием для выполнения измерений.
Измерения выполняются под управлением прикладной компьютерной программы, и при этом видеосигнал видеопроцессором 8 преобразуется из аналоговой в цифровую форму, определяются координаты контурных точек круглого изображения тест-марки в видеокадре, на основе этих координат рассчитываются координаты центра изображения тест-марки в видеокадре и на основе последних координат - искомое угловое положение автоколлимационного зеркала 9 относительно оптической оси видеоавтоколлиматора.
Предлагаемый видеоавтоколлиматор в сравнении с прототипом содержит более простой оптический узел и тест-марку. В качестве фотоприемника в нем используется модульная телекамера с ПЗС-матрицей, формирующая стандартный видеосигнал с изображением тест-марки. Упомянутые модульные телекамеры производятся на промышленной основе и в массовом количестве, что обеспечивает их высокую надежность и незначительную стоимость. Работа со стандартным видеосигналом позволяет передавать его по стандартным телевизионным каналам, включая спутниковые, на любые расстояния. В качестве видеопроцессора могут использоваться типовые устройства - контролеры, фреймграбберы и видеобластеры, также производимые на промышленной основе и в массовом количестве.
Круглое окно тест-марки в сравнении с окном любой другой формы обладает преимуществом - при сканировании телевизионными строками круглого изображения в видеокадре координаты его центра не меняются при поворотах изображения.
С увеличением диаметра круглого окна тест-марки уменьшается погрешность видеоавтоколлиматора, но уменьшается диапазон угловых измерений, ввиду чего оптимальным является диаметр, рассчитанный по приведенной формуле.
Например, для М=4,8 мм, f=200 мм, N=767, К=16 и Δφ=0,1 угл. сек. получим D≈0,8 мм.
Источники информации
1. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Крюков Г.С. Справочник - каталог геодезических приборов. М.: Недра, 1984, с.202.
2. Афанасьев В.А., Жилкин А.М., Усов В.С. Автоколлимационные приборы. М.: Недра, 1982, с.103.