АВТОКОЛЛИМАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОСКИХ УГЛОВ
AUTOCOLLIMATOR FOR MEASUREMENT OF FLAT ANGLES

Изобретение относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, включающих измерение плоских углов, таких как юстировка оптико-электронных систем, сборка крупногабаритных конструкций, дистанционное измерение и дистанционная передача значений угла и др.
Известно, что чувствительность автоколлиматоров с многоэлементными приемниками при статическом принципе работы определяется фокусным расстоянием его объектива и точностью считывания координаты изображения марки относительно координат приемника по соотношению Δ=arctg К×а/F,
где Δ - чувствительность к изменению угла;
а - линейный размер элемента фотоприемника;
F - фокусное расстояние объектива;
К - коэффициент определения дробной части размера элемента приемника.
Увеличение чувствительности автоколлиматора (при тех же фотоприемнике и объективе) возможно за счет повышения точности отсчета дробной части размера «а» элемента фотоприемника. Точность отсчета дробной части элемента фотоприемника определяется отношением сигнал/шум в измерительном тракте, зависящим от многих факторов: электронных и геометрических шумов фотоприемника, шумов электронного тракта, шумов системы обработки информации, разрядности аналого-цифрового преобразователя, наличия взвешенных и осажденных микрочастиц в измерительном канале и др.
Диапазон работы автоколлиматора в свою очередь зависит от фокусного расстояния объектива и линейных размеров фотоприемника. Очевидно, что чувствительность прямо пропорциональна, а диапазон работы автоколлиматора обратно пропорционален фокусному расстоянию объектива, то есть эти показатели имеют разнонаправленную зависимость, что делает сложной задачу создания широкодиапазонного прецизионного автоколлиматора с использованием фотоприемников стандартного формата.
Известен фотоэлектрический автоколлиматор [Голубовский Ю.М., Пивоварова Л.Н. Широкодиапазонный автоколлиматор с линейным фотоприемником, Оптический журнал, 1995, №4, с.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. Источник света через конденсор освещает марку. Марка устанавливается в фокальной плоскости объектива. Пучок света отражается от светоделительного покрытия светоделителя и попадает на объектив. После прохождения объектива пучок света попадает на автоколлимационное зеркало, отражается от него, проходит в обратном ходе объектив, проходит светоделитель и попадает на фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива. На фотоприемнике появляется изображение марки в виде штриха, положение которого относительно координат линейного фотоприемника зависит от угла наклона автоколлимационного зеркала относительно оси объектива. Блок обработки информации отсчитывает координаты изображения марки относительно координат фотоприемника с погрешностью в десятые доли размера элемента фотоприемника, что позволяет достичь чувствительности автоколлиматора порядка единиц угловых секунд.
Однако чувствительность такого автоколлиматора ограничена шумовыми характеристиками фотоприемника, электронного тракта и системы определения координаты изображения марки. Диапазон измерений при чувствительности в единицы угловой секунды ограничен размером фотоприемника (10 угл. мин.)
Увеличение чувствительности автоколлиматора статического типа возможно статистическими методами, например, за счет усреднения отсчетов координат изображения марки по строкам, используя матричный фотоприемник. В этом случае чувствительность можно увеличить в  раз, где М - число строк фотоприемника.
Известен выбранный нами в качестве прототипа фотоэлектрический автоколлиматор [Цифровой двухкоординатный автоколлиматор с разрешением 0,001", Измерительная техника, 2004, №12, с.29], использующий принцип повышения чувствительности за счет усреднения отсчетов координаты энергетического центра изображения штриха (перекрестия) марки по столбцам (строкам) элементов фотоприемника.
Данный автоколлиматор состоит из источника света (светодиод), конденсора, марки, светоделителя, объектива, автоколлимационного плоского зеркала, установленного с возможностью юстировки, матричного фотоприемника и блока обработки информации. Источник света через конденсор освещает марку, установленную в фокальной плоскости объектива и выполненную в виде перекрестия. Пучок света отражается от делительной поверхности светоделителя, проходит объектив и попадает на автоколлимационное зеркало. Затем пучок отражается от зеркала, проходит в обратном ходе объектив, светоделитель, и попадает на матричный фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива. На фотоприемнике появляется изображение марки, положение которой относительно координат матричного фотоприемника зависит от углов наклона автоколлимационного зеркала относительно оси объектива. Система обработки информации производит вычисление координат центра тяжести изображения перекрестия марки с учетом усреднения по столбцам (строкам) и по времени. Такое решение позволило повысить точность определения координаты изображения марки до сотых долей размера элемента фотоприемника.
Однако такой автоколлиматор не обладает достаточно высокой точностью, т.к. не полностью реализует потенциальную помехоустойчивость измерительного тракта. Для достижения высокой чувствительности и соответственно точности требуется применение длиннофокусного объектива, что при использовании стандартного фотоприемника ограничивает диапазон измерений автоколлиматора и увеличивает его габариты.
Техническим эффектом заявляемого устройства является повышение точности измерений за счет снижения влияния шумов измерительного тракта при одновременном увеличении диапазона измерений и уменьшении габаритов автоколлиматора.
Такой технический результат достигнут нами, когда в автоколлиматоре, включающем осветитель, размещенные по ходу луча конденсор, марку, светоделитель, объектив, автоколлимационное зеркало, установленное с возможностью юстировки по двум угловым координатам, матричный фотоприемник, причем марка и фотоприемник установлены в фокальной плоскости объектива, и блок обработки информации, отличающийся тем, что часть поля марки выполнена в виде щелевого растра, а часть - в виде штриха, а перед частью матричного фотоприемника, регистрирующей изображение поля марки в виде многоэлементного растра, вплотную к нему установлен дополнительный щелевой растр.
Подходы к выбору соотношения частей марки в комбинации «растр - штрих» определяются допустимым значением показателя отношения сигнал/шум, который, как известно, связан с количеством элементов в приемнике, по которому происходит усреднение результатов.
Подходы к решению задачи выбора соотношения и диапазонов частот растров и угла между ними известны.
Программное обеспечение расчета угла наклона автоколлимационного зеркала с учетом фокусного расстояния объектива и смещения автоколлимационного изображения марки строится по известному алгоритму.
При наложении на дополнительный растр автоколлимационного изображения растра марки образуется муаровая картина, регистрируемая матричным фотоприемником, причем при наклоне автоколлимационного зеркала, линейное перемещение экстремумов муаровой картины получается больше, чем перемещение изображения штриха и элементов растра марки, и зависит от выбранного соотношения частот растра марки и дополнительного растра и угла между ними. Грубый отсчет угла в автоколлиматоре берется по смещению изображения штриха марки (для сохранения однозначности измерений, поскольку муаровая картина имеет периодическую структуру).
Перемещение экстремумов муаровой картины используется в качестве точного (нониусного) отчета, за счет чего повышается точность определения угла наклона автоколлимационного зеркала (при одинаковых параметрах объектива и приемника).
Принципиальная схема автоколлиматора приведена на фиг.1, где: источник 1 света, конденсор 2, марка 3, светоделитель 4, объектив 5, автоколлимационное зеркало 6, матричный приемник 7, дополнительный растр 8, блок 9 обработки информации.
На фиг.2 изображена марка 3 предложенного комбинированного вида.
На фиг.3 изображен многоэлементный дополнительный растр 8.
На фиг.4 приведены изображения штриха марки 3 и муаровой картины, полученные с матричного фотоприемника 7.
Автоколлиматор работает следующим образом.
Предварительно известными методами плоскость автоколлимационного зеркала устанавливается параллельно оси вращения объекта, а оптическая ось автоколлиматора перпендикулярно плоскости зеркала.
Источник 1 света при помощи конденсора 2 освещает марку 3, часть поля которой выполнена в виде растра, а часть в виде штриха. Пройдя марку, пучок отражается от светоделительной поверхности светоделителя 4 и попадает на объектив 5. Пучок света после прохождения объектива 5, попадает на автоколлимационное зеркало 6, отражаясь, проходит в обратном ходе через объектив 5, светоделитель 4 и попадает на фотоприемник 7. На практике, для достижения значения сигнал/шум, обеспечивающего заданную точность, матричный приемник может быть выполнен из системы матричных фотоприемников. При этом часть марки 3, содержащая растр, проецируется на часть матричного приемника 7, перед которой вплотную установлен дополнительный растр 8. Проецирование растра марки 3 на соответствующую часть растра 8 достигается предварительной юстировкой автоколлимационного зеркала 6 при помощи угловых подвижек, на которых оно установлено. В результате на одной части фотоприемника 7 образуется изображение штриха марки 3, а на другой части фотоприемника - изображение муаровой картины, частота которой зависит от выбранного соотношения частот растров марки 3 и дополнительного растра 8 и угла между ними.
При наклоне автоколлимационного зеркала 6 относительно оптической оси объектива происходит перемещение изображения штриха марки 3 относительно координат фотоприемника 7 и перемещение экстремумов муаровой картины относительно координат фотоприемника 7.
Линейное перемещение экстремумов муаровой картины больше перемещения изображения штриха. Например, при параллельно установленных штрихах растра марки и дополнительного растра и соотношении частот растров 10:9, перемещение экстремумов муаровой картины больше перемещения изображения штриха в число раз, соответствующее отношению частоты растра марки 3 к частоте муаровой картины, которая в данном случае равна разности частот растра марки 3 и дополнительного растра 8 [1].
При использовании растров, например, с традиционно выбираемым для нониусов соотношением частот 10:9, чувствительность к изменению угла в нониусном канале повысится в 10 раз.
Наличие нониусного отсчета позволяет при использовании стандартного фотоприемника значительно увеличить диапазон работы автоколлиматора за счет уменьшения фокусного расстояния объектива и уменьшить его габариты.
Обоснование получения технического результата.
В качестве примера сравним повышение чувствительности в прототипе (при усреднении положения штриха по строкам всей матрицы), и в заявленном устройстве (при усреднении положения экстремумов муара в нониусном канале по элементам половины матрицы).
Примем, что число строк стандартной ПЗС-матрицы равно 582, число столбцов - 752, а шумы матрицы подчиняются нормальному закону распределения.
1. Повышение отношения сигнал/шум К при усреднении энергетического центра штриха по 582 строкам составляет
.
2. Повышение отношения сигнал/шум К при аппроксимации муаровой картины двухмерной синусоидой по элементам половины матрицы
Таким образом, отношение сигнал/шум по сравнению с прототипом повышается в 467,8/24,12=19,4 раза.
С учетом увеличения чувствительности муаровой картины к изменению угла в 10 раз общий выигрыш по чувствительности автоколлиматора может составить 194 раза (при одинаковых параметрах приемника и объектива).
Реально такое повышение чувствительности реализовать сложно из-за влияния множества факторов: температуры окружающей среды, дистанции до автоколлимационного зеркала, контраста муаровой картины, соотношения частот растров, распределения шумов фотоприемника, отличающегося от нормального и др.
Однако применение автоколлиматора предложенной конструкции позволяет значительно повысить чувствительность к изменению угла по сравнению с известными решениями и создавать малогабаритные приборы с большим диапазоном измерений и высокой чувствительностью, используя стандартные матричные фотоприемники.
По схеме (см. фиг.1) создан макет широкодиапазонного прецизионного автоколлиматора для измерения плоских углов. В качестве источника света использовался светодиод видимого диапазона (λ=635 мкм), объектив имел фокусное расстояние 70 мм, фотоприемником служила цифровая матрица формата 6,4×5,2 мм, данные с фотоприемника поступали в ЭВМ типа Pentium-4. Растр марки 3 имел частоту 10 штр./мм, дополнительный растр 8 имел частоту 9 штр./мм. Соотношение частот растров выбрано 10:9, что приводит к увеличению чувствительности в нониусном канале в 10 раз по сравнению с грубым каналом. Такое соотношение упрощает алгоритм обработки информации. Программное обеспечение по известному алгоритму с усреднением по строкам половины матрицы энергетического центра определяло координату изображения штриха марки относительно координат матрицы. Положение экстремумов муаровой картины относительно координат матрицы производилось с использованием алгоритма двухмерной аппроксимации синусоидой муаровой картины. Затем эти данные пересчитывались в угловую координату автоколлимационного зеркала с учетом фокусного расстояния объектива и размера элемента матрицы. Диапазон измерений макета автоколлиматора составил±2,0 угл. град, чувствительность к изменению угла, измеренная в цеховых условиях, составила 0,05 угл.сек.
Предполагается использование предложенного широкодиапазонного прецизионного автоколлиматора в системе дистанционной передачи угловой координаты, работающей в полевых условиях.
Литература.
1. Валюс Н.А. Растровые оптические приборы. М., Машиностроение, 1966 г., стр.170.