Об основных погрешностях контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы

ОБ ОСНОВНЫХ ПОГРЕШНОСТЯХ КОНТРОЛЯ СООСНОСТИ С ПОМОЩЬЮ АВТОРЕФЛЕКСИОННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

А.М. Алеев, А.Г. Анисимов, А.В. Пантюшин Научный руководитель - к.н.т., с.н.с. А.Н. Тимофеев

Работа посвящена исследованию погрешностей, возникающих в авторефлексионной оптико-электронной измерительной системе с матричными фотоприемными устройствами, вследствие искривления и изменения референтного направления при перефокусировании. Проводится исследование влияния децентри-рования компонентов на точностные характеристики. Теоретически полученные зависимости иллюстрируются на примере оптико-электронной системы контроля соосности.

Введение

Соблюдение высокой точности пространственного расположения составляющих элементов крупногабаритных конструкций относительно систем прямолинейных осей является актуальной задачей для многих отраслей промышленности [1]. С развитием автоматики на производстве возникла потребность автоматизации такого контроля. В связи с этим необходим пространственный контроль, который часто осуществляется с помощью оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), в том числе и с фоточувствительными приборами с зарядовой связью (ФПЗС) [2] или другими матричными фотоприемниками. Основным требованием при разработке подобных устройств является обеспечение необходимой точности измерений, которое зависит как от внешних факторов, влияющих на ОЭИС, так и от внутренних параметров самой оптической системы. В литературе существуют указания на то, что в результате децентрирования оптических компонентов измерительных систем появляется погрешность измерения [3], однако их применимость, зачастую, ограничивается визуальными измерительными системами.

Авторефлексионные схемы устройств с матричными фотоприемниками применяются в современном приборостроении относительно недавно и еще недостаточно изучены. Так, до настоящего времени неполно исследовано влияние децентрирования компонентов системы относительно оптической оси ОЭИС на величину погрешности измерения. Данная работа призвана восполнить указанный пробел в литературе.

Проводилось исследование погрешностей, возникающих в системе контроля положения элементов крупногабаритных конструкций. В системе применена авторефлек-сионная схема на основе оптико-электронных измерительных преобразователей, осуществляющих предварительную обработку видеосигнала и передачу измерительной информации на ЭВМ.

1. Анализ погрешностей авторефлексионной схемы

Схема исследуемой авторефлексионной системы представлена на рис. 1. На ФПЗС 1, находящийся в приемном блоке 2, через объектив 3 и светофильтр излучающей головки 6, проецируются изображения двух пар полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 4 и 5, закрепленных на оптической головке. В качестве отражателя предлагается использовать трипельпризму 7, а в качестве объектива - телеобъектив с подвижным отрицательным компонентом.

Необходимость использования двух пар ПИД, объясняется тем, что для обеспечения широкого диапазона измеряемых величин, в частности, дистанции, без ущерба для точностных характеристик системы, оказывается невозможно найти оптимальное значение базового расстояния между двумя ПИД. В связи с этим и возникает необходимость установки в системе нескольких пар полупроводниковых излучающих диодов .

Рис. 1. Схема авторефлексионая

Следует отметить, что использование в системе трипельпризмы в качестве отражателя приводит при смещении ее в направлении нормали к оптической оси к двойному смещению изображения по сравнению с тем, которое происходит в отсутствие трипельпризмы при сдвиге контролируемого объекта. Соответственно, происходит и увеличение погрешности измерения в два раза по сравнению с тем случаем, когда вместо авторефлексионной схемы реализуется коллимационная, т.е. не применятся отражатель и пучки лучей проходят прямо от источника к приемнику.

Как известно, референтное направление есть прямая, проходящая через центр матрицы фотоприемника и заднюю узловую точку телеобъектива [4]. Теоретически, при идеальном центрировании всех компонентов измерительной системы, референтное направление представляет собой прямую, совпадающую с оптической осью системы. Но в любой реальной оптической системе существуют различные погрешности, в частности - децентрирование ее компонентов, в результате которого происходит изменение (с сохранением прямолинейности) либо искривление референтного направления.

Неточное совмещение центра матрицы фотоприемника с оптической осью системы вызывает изменение референтного направления при перефокусировании на различные расстояния, что, в свою очередь, влечет за собой появление систематической погрешности измерения смещений ЪИ] для каждой дистанции. Используя положения геометрической оптики [5], при исследовании хода лучей, идущих в системе вдоль ее оптической оси, была получена следующая формула для величины погрешности Ък ]:

(I'- А)' ^

где /' =-—--эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива, с фокусиров-

I ' + Л- ^

кой отрицательным компонентом; расстояние между положительным и отрицательным компонентами телеобъектива определяются выражением [6]

= 2 (а - ^-7(1-0x1-1-0) ),

величины а и А6, определяются соотношениями [6]

а = , 4 = Ь - - ^), ^ + /1

где ^ - расстояние до объекта (дистанция фокусирования), 5с - погрешность совмещения центра матрицы фотоприемника с оптической осью, /1', /2' - фокусные расстояния положительного и отрицательного компонентов телеобъектива, соответственно, Ь -длина телеобъектива.

Изменение референтного направления происходит также при смещении с оптической оси центра положительного компонента телеобъектива системы, что приводит к появлению систематической погрешности измерения Ък2. Задавая некоторую величину 5с2 смещения положительного компонента телеобъектива с оптической оси и проведя исследование хода лучей, идущих вдоль оптической оси системы (т.е. так же, как и в случае определения 5И1), для величины Ък2, можно получить формулу

5И2 =/.

/1

В отличие от двух предыдущих случаев, при децентрировании относительно оптической оси отрицательного компонента телеобъектива

5ЬЪ = Л ,

/ 2

где 5с3 - величина смещения фокусирующей линзы с оптической оси системы.

В рассмотренной схеме также могут присутствовать погрешности установки центра базового расстояния полупроводниковых излучающих диодов, а также погрешности вызванные поворотами оси симметрии трипельпризмы относительно оптической оси.

Ошибки, связанные с поворотом трипельпризмы, в приближении геометрической оптики можно записать в виде:

5 = 0-1 сп ап^1 + г (П -1)), №

где ёп = к • а, а - наибольшая длина пучка, могущего пройти через развертку призмы [5], к - коэффициент призмы для трипельпризмы, к = 2, а - угол между осью симметрии призмы и оптической осью, г - расстояние от вершины трипельпризмы до точки вращения (отрицательное направление вглубь стекла), dвп - высота трипельпризмы. Точка, при вращении вокруг которой трипельпризма нечувствительна к повороту, располагается от вершины призмы на расстоянии [7]

dl= - dп (п -1)/п.

При расчете суммарной погрешности, вносимой трипельпризмой, не учитываются погрешности изготовления трипельпризмы. В данном случае это оправдано, так как в правилах эксплуатации высокоточных оптико-электронных систем, построенных по авторефлексионной схеме, не допускается замена трипельпризмы на аналогичную, а также ее поворот вокруг своей оси [8]. Также не учитывается то, что в реальных системах трипельпризма может быть смещена в своем корпусе относительно оптической оси и вдоль нее.

Штативы 5 и 7 рис. 3 устанавливались в нулевое положение, после чего штатив 5 перемещался по оптической скамье, прямолинейность движения штатива контролировалась борштангой.

Вышесказанное приводит тому, что выражение 4 носит приблизительный характер и может быть использовано только для оценки величины погрешности, вносимой

трипельпризмой. Для более строгого рассмотрения поведения трипельпризмы использовалась математическая модель ее поведения [7].

Смещение центра базового расстояния между ПИД 5с5 с оптической оси приводит к появлению погрешности

5к5 = -Зс5.

Кроме рассмотренных выше погрешностей, существуют также и погрешности, вызванные погрешностью определения энергетического центра излучения. Теория этой погрешности достаточно сложна и является предметом отдельного изучения [9, 10]. Однако существует эмпирически подобранное выражение, дающее хорошую сходимость с экспериментальными данными:

5 5 • т -5с6

5К =—/-^,

где /' - эквивалентное фокусное расстояние телеобъектива, 5 - расстояние до объекта, т - линейный размер пикселя матрицы фотоприемника, 5с6 - погрешность определения энергетического центра.

2. Исследование суммарной погрешности авторефлексионной схемы

Суммарную погрешность системы, построенной по авторефлексионной схеме можно вычислить как

5к = 5 + 32 + 53 + 342 + Зк: + 5к62 , где, 5Н1-5И6 находятся из выражений (1) - (6), соответственно.

При погрешностях на технологическом уровне [11], равных 5с1=0,05 мм 5с2=0,01 мм 5сз =0,01 мм, а=5', йП=130 мм, 5с5=0,01 мм, 5с6=0,05 мм, при данных телеобъектива теодолита Т2 //'=119,87 мм, /2'= - 47,97 мм, £=147,11 мм и размере пикселя 9,6 мкм суммарная погрешность на расстоянии фокусировки :400 мм составит 0,:9: мм, при этом она будет возрастать с увеличением дистанции фокусировки (рис. 2).

0.5

0 А

5к, мм

0.3

0.2

0 10 1000 2000 ЗОМ 4000 5000

5, ММ

Рис. 2. Теоретическая зависимость погрешности от дистанции

Для экспериментального проверки влияния рассмотренных погрешностей на результаты измерений с помощью оптико-электронной системе контроля соосности (ОЭСКС) использовался стенд, включающий в себя оптическую скамью типа ОСК-2 6 (рис. з) со специальными штативами 5 и 7, в которые были закреплены исследуемые части системы. ОЭСКС. В состав ОЭСКС, построенной по авторефлексионной схеме, входят ЭВМ 1 связанного с ней блока управления 2, базовый блок и трипельпризмы 4.

Штативы 5 и 7 рис. 3 устанавливались в нулевое положение, после чего штатив 5 перемещался по оптической скамье, прямолинейность движения штатива контролировалась борштангой.

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда

3. Основные результаты исследования

В результате эксперимента получено, что искривление оптической оси на расстоянии 2240 мм составило 0,212 мм, что говорит об отсутствии грубых ошибок в юстировке, однако необходимо более точное позиционирования. Однако такая погрешность оказалась значительно большей, чем допустимо условиями эксплуатации ОЭСКС, поэтому предлагается провести дополнительную доводку системы: в частности, исключить из работы трипельпризму, вынеся ПИД в плоскость измерения, внести дифференцированные поправки от дистанции в алгоритм расчета смещения.

Заключение

В работе были рассмотрены погрешности, связанные с установкой матрицы фотоприемника, смещением с оптической оси центра положительного и отрицательного компонентов телеобъектива, поворотом трипельпризмы, смещением центра базового расстояния ПИД с оптической оси и погрешностью определения энергетического центра изображения ПИД.

В дальнейшем планируется установка коэффициентов влияния отдельных погрешностей на суммарную с учетом технологического уровня, оптимизация оптической схемы с учетом полученных результатов, доводка ОЭСКС и улучшение точностных характеристик системы с использование дифференцированных поправок.

Литература

1. Коротаев В.В., Тимофеев А.Н., Иванов А.Г. Проблемы разработки оптико-электронных систем для контроля деформаций крупногабаритных объектов // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 4. С. 43-46.

2. Витол Э.А., Иванов А.Г., Прокофьев А.В. Повышение точности распределенной оптико-электронной системы для измерения линейных смещений. / В кн.: Сб.трудов второй международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2001» 16-19 октября 2001 г. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2001. С. 228.

3. Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведе-ние: / Учебник для вузов. М.: Недра, 1984. 364 с.

4. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982. 237 с.

5. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.-Л.: Машиностроение, 1966. 564 с.

6. Захаров А.И. Новые теодолиты и оптические дальномеры. М.: Недра, 1978.

7. Пантюшин А.В., Шомрина М.А., Анисимов А.Г., Яковлев А.С. Исследование влияния погрешности установки отражателя на точность системы контроля соосности./ В кн.: Сб.трудов седьмой международной конференции «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006 г. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2006.

8. Аникст Д.А., Голубовский О.М., Петрова Г.В., Фельдман Г.А. Оптические системы геодезических приборов. М. Недра, 1981. 240 с.

9. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения . // Известия вузов. Приборостроение.. 1986. № 9. С. 62-69.

10. Парвалюсов Ю.Б., Радионов С.А., Салдатов В.А. и др., Проектирование оптико-электронных приборов. / Под ред. Якушенкова Ю.Г. М. Логос, 2000. 488 с.

11. Панов В. А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под общ. ред. В. А. Панова. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980, 742 с.