АВТОКОЛЛИМАТОР
AUTOCOLLIMATOR

Изобретение относится к измерительной технике с использованием оптических средств измерения, в частности к оптико-электронным устройствам, позволяющим автоколлимационным методом измерять углы поворота объектов относительно двух взаимно перпендикулярных осей.
Известно, что для угловых измерений положения объектов широко используются визуальные автоколлиматоры, отличающиеся удобством и простотой в обращении. К ним, в частности, относятся широко распространенные автоколлиматоры АКУ-1, АКУ-0,5 и АКУ-0,2, которые выпускает ФГУП ПО «Новосибирский приборостроительный завод» (Номер в Государственном реестре средств измерений 10714-05). Они содержат источник излучения, конденсор и тест-марку в виде перекрестия, установленную в фокальной плоскости объектива. Излучение от тест-марки, пройдя через светоделитель, объективом направляется на автоколлимационное зеркало, установленное на объекте, отражается от него и через объектив и светоделитель проецируется на специальную шкалу, также установленную в фокальной плоскости объектива и выполненную в виде сетки нитей. Изображение тест-марки на шкале рассматривается с помощью окуляра. Измерения выполняются путем определения положения изображения тест-марки относительно неподвижной шкалы.
Данные автоколлиматоры не обладают высокой точностью измерений, не выполняют измерения углового положения зеркала в динамике и не позволяют выполнить автоматизацию процесса измерений.
Известен автоколлиматор (см. Пат. РФ №2353960, МПК GO2B 27/30, приор. 19.11.2007 г.) состоящий из осветителя, размещенных по ходу луча конденсора, марки, светоделителя, объектива, автоколлимационного зеркала, установленного с возможностью юстировки по двум координатам, матричного фотоприемника и блока обработки информации, причем марка и фотоприемник установлены в сопряженных фокальных плоскостях объектива, при этом 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. При наложении на дополнительный растр автоколлимационного изображения растра марки образуется муаровая картина, регистрируемая матричным фотоприемником, причем при повороте автоколлимационного зеркала линейное перемещение экстремумов муаровой картины получается больше, чем перемещение штриха и зависит от выбранного соотношения частот растра марки и дополнительного растра и угла между ними. Грубый отсчет в автоколлиматоре берется по смещению изображения штриха марки, точный отсчет - по смещению экстремумов муаровой картины. Данные о положении штриха и муаровой картины с фотоприемника поступают в персональный компьютер, в котором происходит расчет положения автоколлимационного зеркала с учетом всех влияющих факторов.
Однако такой автоколлиматор не позволяет проводить измерения по двум координатам, требует разработки специализированной программы для персонального компьютера, юстировка оптической схемы автоколлиматора сложная.
Известен автоколлиматор (см. Пат. РФ №2455668, МПК G02B 27/30, приор. 20.05.2010), выбранный нами в качестве прототипа по большинству существенных признаков.
Автоколлиматор содержит источник излучения, размещенные по ходу луча конденсор, тест-марку, светоделитель, объектив, автоколлимационное зеркало, фотоприемник с отсчетным устройством, причем марка и фотоприемник установлены в фокальных плоскостях объектива. Излучение от тест-марки, отраженное светоделителем, направляется объективом на автоколлимационное зеркало, отражается от него и тем же объективом через светоделитель проецируется на фотоприемник. Фотоприемник содержит ПЗС-матрицу с устройством формирования стандартного видеосигнала. Отсчетное устройство выполнено в виде компьютера с прикладной программой для вычисления углового положения автоколлимационного зеркала. Тест-марка выполнена в виде круглой диафрагмы, диаметр которой рассчитан по заявленной формуле.
При изменении углового положения автоколлимационного зеркала относительно оптической оси автоколлиматора координаты центра изображения тест-марки на поверхности ПЗС-матрицы меняются, что и служит основанием для выполнения измерений. Измерения выполняются с помощью специально разработанной прикладной компьютерной программы, которая определяет искомое угловое положение автоколлимационного зеркала относительно оптической оси автоколлиматора.
Однако такой автоколлиматор не обладает достаточно высокой точностью измерений. Ему присущи также другие недостатки: большие габаритные размеры, необходимость использования специально разработанной прикладной компьютерной программы, нет возможности изменять чувствительность автоколлиматора и диапазон измерений.
Техническим эффектом заявляемого устройства является повышение точности измерений, уменьшение габаритов и увеличение функциональных возможностей.
Нами в результате проведенных исследований было установлено, что полупрозрачная плоскопараллельная пластина (ППП), расположенная между объективом и автоколлимационным зеркалом (АКЗ) под заданным углом ϕ к визирной оси автоколлиматора (АК), формирует в плоскости фотоприемника (ФП) дополнительные изображения марки, причем некоторые из них обладают повышенной чувствительностью к повороту АКЗ, что позволяет увеличить точность измерений. Также нами было показано, что использование дополнительных изображений марки позволяет изменять коэффициент преобразования и диапазон измерений АК. А использование в качестве опорного дополнительного изображения, образованного лучами после первого отражения от ППП, позволяет исключить некоторые систематические погрешности, что также увеличивает точность измерений АК.
Для решения этой задачи в предлагаемом автоколлиматоре, включающем оптическую систему формирования автоколлимационного изображения марки на фотоприемнике из источника излучения, размещенных по ходу луча конденсора, марки, светоделителя, объектива, автоколлимационного зеркала и фотоприемника с блоком обработки сигналов, причем марка и фотоприемник установлены в фокальных плоскостях объектива, новым является то, что между объективом и автоколлимационным зеркалом на оптической оси дополнительно установлена полупрозрачная плоскопараллельная пластина, расположенная к визирной оси автоколлиматора под углом ϕ, выбранным из условия:
ϕ<b/kf,
где
b - характерный размер фотоприемника, мм;
f - фокусное расстояние объектива, мм;
k≥4;
а блок обработки сигналов выполнен вычисляющим положение автоколлимационного зеркала по сигналам, сформированным несколькими изображениями марки.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявленного автоколлиматора, где источник 1 излучения, конденсор 2, марка 3, светоделитель 4, объектив 5, полупрозрачная плоскопараллельная пластина 6, автоколлимационное зеркало 7, фотоприемник 8, блок 9 обработки сигналов;
1
О - O - визирная ось автоколлиматора.
На фиг. 2 представлен ход лучей при отражении от автоколлимационного зеркала, установленного перпендикулярно к оптической оси автоколлиматора, и полупрозрачной плоскопараллельной пластины, установленной с наклоном ϕ в вертикальной плоскости, где объектив 5, полупрозрачная плоскопараллельная пластина 6, автоколлимационное зеркало 7;
0
i - лучи после отражения от полупрозрачной плоскопараллельной пластины;
1
2
3
i, i, i - лучи после первого, второго и третьего отражения от автоколлимационного зеркала.
На фиг. 3 представлен вариант расположения изображений марок в плоскости фотоприемника в первоначальном положении и при повороте автоколлимационного зеркала на угол α в горизонтальной плоскости, где
фотоприемник - 8;
0
I - изображение марки, остающееся неподвижным при поворотах автоколлимационного зеркала, образованное отраженными от полупрозрачной плоскопараллельной пластины лучами;
1
2
3
I, I, I - первое, второе и третье изображения марки;
1
2
3
I', I', I' - первое, второе и третье изображения марки при повороте автоколлимационного зеркала на угол α.
Заявленный автоколлиматор работает следующим образом.
Допустим, что визирная ось OO1 АК направлена перпендикулярно плоскости АКЗ 7, ППП 6 установлена перед объективом 5 перпендикулярно визирной оси автоколлиматора в горизонтальной плоскости и под углом ϕ в вертикальной плоскости (см. фиг. 1).
Угол ϕ определяют из условия расположения на чувствительной поверхности ФП 8 опорного изображения, формируемого лучами, отраженными только ППП 6, и расчетного количества изображений, формируемых при отражении лучей от АКЗ 7.
Коэффициенты отражения R и пропускания Т ППП определяют из условия, что расчетное количество изображений марки на поверхности ФП 8 будут иметь яркость, позволяющую проводить их обработку.
Принципы расчета положений изображений марки, сформированных в фокальной плоскости объектива в оптической системе с отражателями в виде ППП и АКЗ, известны.
0
Пучок света от источника 1 излучения (см. фиг. 1) через конденсор 2 и марку 3 падает на светоделитель 4. Отраженная от светоделителя 4 часть света, проходя через объектив 5, преобразуется в параллельный пучок лучей, который частично проходит через ППП 6 и падает на АКЗ 7, а частично отражается от ППП 6. Часть лучей, отразившаяся от ППП 6, проходит через объектив 5 в обратном направлении и через светоделитель 4 образует изображение марки 3 на ФП 8, которое является стабильным и неподвижным и не зависит от положения АКЗ 7 (I на фиг. 3). Это изображение марки при расчетах принимают за опорное, и при измерениях с опорным каналом относительно него рассчитывают положение других изображений, образуемых на ФП 8.
Лучи, прошедшие ППП 6, отражаются АКЗ 7, повторно частично проходят ППП 6, а частично отражаются от ППП 6 и снова падают на АКЗ 7. Процентное соотношение интенсивности прошедших и отраженных лучей от ППП 6 будет определяться коэффициентами отражения R и пропускания Т ППП.
Часть лучей, отраженных от АКЗ 7 и прошедших ППП 6, проходит в обратном направлении объектив 5, в фокальной плоскости которого, то есть на ФП 8, строится изображение марки 3. Другая часть лучей, отраженных ППП 6, снова падает на АКЗ 7, отражается от него и возвращается к ППП 6, частично проходит ее и через объектив 5 строит новое изображение марки 3 на ФП 8, а частично отражается от ППП 6 и снова падает на АКЗ 7. Процесс переотражения между АКЗ 7 и ППП 6 повторяется многократно и зависит от коэффициентов R и Т ППП 8, размеров и расположения АКЗ 7 и ППП 6 относительно друг друга и визирной оси объектива 5. После многократного отражения от ППП 6 и АКЗ 7 в сторону объектива 5 выходят несколько параллельных пучков лучей, попарно отличающиеся направлениями распространения на угол 2ϕ (см. фиг. 2).
В результате на ФП 8 получается несколько изображений марки 3 (см. фиг. 3) с яркостью, убывающей по мере возрастания порядкового номера изображения.
Известно выражение, связывающее величину смещения изображения и угол поворота зеркала в автоколлиматоре:
d=2ftgα,
где
d - линейное смещение изображения марки в плоскости ФП относительно первоначального положения, мм;
f - фокусное расстояние объектива, мм;
α - угол поворота зеркала.
В предлагаемом АК при повороте АКЗ 7 несколько изображений марки 3, сформированных лучами, отраженными от АКЗ 7, смещаются в площади ФП 8 на величину, пропорциональную тангенсу угла поворота (см. фиг. 3). При этом линейное смещение 1-го изображения марки относительно первоначального положения при повороте зеркала на угол α равно:
di=ftg2α,
2-го:
2
d=2(ftg2α),
3-го:
3
d=3(ftg2α).
Суммарное смещение n изображений:
D=N(ftg2α),
где N=(1+2+…+n) - сумма порядковых номеров изображений, используемых при расчетах.
Из приведенных формул видно, что при использовании для расчета положения АКЗ второго изображения марки чувствительность АК возрастает в 2 раза, третьего изображения - в 3 раза, одновременно 1-го, 2-го и 3-го - в 6 раз по сравнению с АК, построенным по стандартной оптической схеме, в которой используется только одно изображение марки.
Блок обработки сигналов АК обеспечивает расчет угла поворота АКЗ с учетом вышеприведенных формул и для каждого конкретного случая позволяет оперативно изменять чувствительность и диапазон измерений, используя для этого одно изображение марки, несколько изображений или все изображения марок, находящиеся в поле зрения АК, в зависимости от решаемой конкретной задачи.
Принципы расчета определения координат центра тяжести изображений марки с учетом усреднения по строкам (столбцам) и по времени относительно координат матрицы известны.
Также к повышению чувствительности АК приводит большее количество изображений, используемых при расчете углового положения АКЗ, по сравнению с прототипом. В общем случае чувствительность возрастает в  раз, где n - число используемых при расчете изображений. При использовании 3-х изображений чувствительность возрастает в  раз.
Таким образом, расчет показывает, что при обработке трех изображений, используемых в заявляемом АК при определении углового положения АКЗ, общая чувствительность АК возрастает примерно в 10 раз.
Известно, что при проведении измерений с требуемой точностью в доли угловой секунды, погрешности из-за смещения элементов в оптическом тракте (ПЗС-матрица, объектив и т.д.) для обычного АК могут достигать сопоставимых величин. На практике это приводит к необходимости длительного предварительного прогрева прибора, тщательной стабилизации положения самого АК во время измерений.
В заявляемом АК при измерениях с опорным каналом исключается систематическая погрешность, связанная с изменением положения автоколлиматора или его элементов. В этом случае измерения положения АКЗ происходят относительно положения ППП, стабильность которой обеспечить намного проще, поскольку она не имеет внутренних источников тепла, имеет меньшие размеры, ее можно расположить на независимом основании. Небольшой сдвиг ФП, оптических элементов АК или самого АК в процессе измерений приводят к тому, что изображения марки от ППП и от АКЗ сдвигаются на одну и ту же величину, что исключает возникновение систематической ошибки.
Также частично компенсируются систематические ошибки, обусловленные неравномерностью чувствительности элементов ФП и(или) точечными неоднородностями оптических элементов за счет различного расположения изображений марки на площадке ФП.
Заявленный автоколлиматор позволяет получить высокую чувствительность и, соответственно, высокую точность измерений в сочетании с высокой надежностью этих измерений, так как исключаются некоторые систематические ошибки, при малых габаритах самого прибора.
По схеме (см. фиг. 1) создан макет высокоточного двухкоординатного фотоэлектрического автоколлиматора. В качестве источника излучения используется светодиод инфракрасного диапазона (λ=0,87 мкм). Объектив имеет фокусное расстояние 300 мм, фотоприемником служит ПЗС-матрица из 1200×1920 фоточувствительных элементов размером 4,8×4,8 мкм. В АК используется марка диаметром 0,1 мм. Перед объективом установлена ППП световым диаметром 60 мм, толщиной 10 мм, на одну сторону которой нанесено диэлектрическое покрытие с коэффициентами отражения R=40% и пропускания Т=60% на длине волны 0,87 мкм, на другую сторону - просветляющее покрытие с коэффициентом отражения 0,1%. ППП установлена перпендикулярно к визирной оси АК в горизонтальной плоскости и под углом ϕ=5 угл. мин. в вертикальной плоскости. Блок обработки сигналов вычисляет углы поворота АКЗ по сигналам, полученным от трех изображений. Чувствительность к изменению угла АКЗ, при расположении АК на расстоянии 100 мм от него, составляет 0,04 угл. сек. Диапазон измерений горизонтального угла составляет ± 6 угл. мин, вертикального угла - ± 1,5 угл. мин.