RU2073202C1 - Reading system and its versions - Google Patents
Reading system and its versions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2073202C1 RU2073202C1 RU93012850A RU93012850A RU2073202C1 RU 2073202 C1 RU2073202 C1 RU 2073202C1 RU 93012850 A RU93012850 A RU 93012850A RU 93012850 A RU93012850 A RU 93012850A RU 2073202 C1 RU2073202 C1 RU 2073202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scale
- divisions
- elements
- image
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим измерительным устройствам, преимущественно к геодезическому приборостроению, и может быть использовано в теодолитах, нивелирах, а также в координатно-расточных станках и делительных головках. The invention relates to optical measuring devices, mainly to geodetic instrumentation, and can be used in theodolites, levels, as well as in coordinate boring machines and dividing heads.
Известно использование трансверсалей для отсчетов по измерительным линейным и угловым шкалам (1). В них положение изображения штриха шкалы определяется с помощью делений отсчетного устройства, смещенных относительно начального деления в продольном и поперечном направлениях на регулярные величины, составляющие обычно десятые и сотые доли интервала между штрихами шкалы. It is known to use transversals for readings on measuring linear and angular scales (1). In them, the position of the image of the scale bar is determined by dividing the reading device, shifted relative to the initial division in the longitudinal and transverse directions by regular values, which are usually tenths and hundredths of an interval between the strokes of the scale.
Обеспечивая достаточно высокую точность отсчетов, трансверсали не дают возможности автоматизировать процесс измерений, что является существенным недостатком их применения. Providing a sufficiently high accuracy of readings, transversals do not allow automation of the measurement process, which is a significant drawback of their application.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является отсчетная система (2). В отсчетной системе нивелира имеется оптическая система (объектив нивелира), изображающая деления перемещаемой перед ней шкалы (деления нивелирной рейки) на установленный в сопряженной со шкалой плоскости многоэлементный фотоприемник с регулярным однострочным расположением светочувствительных элементов (ПЗС линейка с 256 элементами). Положение изображения деления шкалы на строке фотоприемника определяется по электрическим сигналам от светочувствительных элементов с учетом величины шага этих элементов. The closest in technical essence and the achieved effect is the reference system (2). In the reading system of the level there is an optical system (level lens), representing the division of the scale moved in front of it (division of the leveling rail) by a multi-element photodetector with regular single-line arrangement of photosensitive elements installed in the conjugate plane (CCD line with 256 elements). The position of the scale division image on the line of the photodetector is determined by electrical signals from the photosensitive elements, taking into account the step size of these elements.
Высокая точность отсчитывания получается за счет проекции на ПЗС - линейку большого числа штрихов шкалы рейки (от десятков при расстояниях порядка 3 м, до сотен при расстояниях 100 м). Необходимым для отсчета является положение одного деления, остальные являются избыточными, за счет которых и повышается точность отсчитывания. High accuracy of reading is obtained due to the projection onto the CCD - a ruler of a large number of strokes of the bar scale (from tens at distances of about 3 m to hundreds at distances of 100 m). The position of one division is necessary for counting, the rest are redundant, due to which the accuracy of counting is increased.
Кроме того, толщина штрихов на рейке сделана переменной, что снижает ошибку отсчитывания, т.к. затенение соседних светочувствительных элементов ПЗС линейки также является переменной величиной и исключается влияние промежутков между светочувствительными элементами. В результате обработки всех отсчетов в компьютере приведенная ошибка отсчитывания горизонтального направления в прототипе составляет около 0,01 величины светочувствительного элемента. In addition, the thickness of the strokes on the rail is made variable, which reduces the reading error, because the shadowing of adjacent photosensitive elements of the CCD line is also a variable and the influence of the gaps between the photosensitive elements is excluded. As a result of processing all the samples in the computer, the reduced error in reading the horizontal direction in the prototype is about 0.01 of the value of the photosensitive element.
Недостатком этой отсчетной системы является то, что она не дает высокой точности отсчитывания при наличии всего одного штриха в поле зрения прибора, как это бывает в угломерных устройствах. The disadvantage of this reading system is that it does not give high accuracy of reading in the presence of only one stroke in the field of view of the device, as is the case in goniometric devices.
Ошибка измерения координат одиночного штриха составляет в лучшем случае величину 0,1 элемента фотоприемника при расфокусировке штриха на четыре соседних элемента ПЗС линейки. Это соответствует при той же линейке и делениях лимба через 20 угловых минут ошибке в 0,5 угловых секунд, что недостаточно для теодолитов высокой точности. Кроме того, неоднородность чувствительности элементов может достигать 10 что в два раза увеличивает возможную величину ошибки, т.е. до 1 угловой секунды, что соответствует точности отсчетов теодолитов средней точности. Высокоточным теодолитам требуется 0,1 с. The error in measuring the coordinates of a single stroke is, at best, a value of 0.1 of the photodetector element when defocusing the stroke into four adjacent elements of the CCD line. This corresponds with the same ruler and division of the limb after 20 arc minutes, an error of 0.5 arc seconds, which is not enough for theodolites of high accuracy. In addition, the heterogeneity of the sensitivity of the elements can reach 10, which doubles the possible error, i.e. up to 1 arc second, which corresponds to the accuracy of theodolite samples of medium accuracy. Precision theodolites require 0.1 s.
Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности отсчитывания положения одиночного штриха за счет трансверсального способа отсчитывания, что обеспечивает повышение точности отсчитывания, в том числе и нескольких штрихов, спроектированных объективом на фотоприемник. The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of reading the position of a single stroke due to the transverse method of reading, which improves the accuracy of reading, including several strokes designed by the lens on the photodetector.
Этот результат достигается тем, что усовершенствуется отсчетная система оптического измерительного прибора, содержащая оптическую систему, изображающую деления перемещаемой перед ней шкалы на установленной в сопряженной плоскости многоэлементном фотоприемнике с регуляторным однострочным расположением светочувствительных элементов, причем положение изображения деления шкалы на строке фотоприемника определяется по электрическим сигналам от светочувствительных элементов с учетом величины шага этих элементов. This result is achieved by improving the reading system of an optical measuring device, comprising an optical system depicting the divisions of a scale moved in front of it on a multi-element photodetector with a regulatory single-line arrangement of photosensitive elements, and the position of the scale division image on the photodetector line is determined by electrical signals from photosensitive elements taking into account the step size of these elements.
Отличительными признаками отсчетной системы являются введение установленных в сопряженной плоскости дополнительных многоэлементных фотоприемников с регуляторным строчным расположением светочувствительных элементов, причем светочувствительные элементы и изображение деления шкалы на соседних строках выполнены с регулярным взаимным смещением вдоль строки на величину "р", а положение изображения деления шкалы определяется с учетом величины регулярного взаимного смещения и расстояния между соседними строками светочувствительных элементов. Distinctive features of the reading system are the introduction of additional multi-element photodetectors installed in the conjugate plane with a regulatory line arrangement of photosensitive elements, the photosensitive elements and the scale division image on adjacent lines being made with regular mutual offset along the line by the value "p", and the position of the scale division image is determined with taking into account the magnitude of the regular mutual displacement and the distance between adjacent rows of photosensitive ementov.
По второму варианту выполнения устройства фотоприемники могут составлять "m" групп по (n) параллельных строк в группе с шагом "k" между элементами и шагом "l" между строками фотоэлементов, а регулярное смещение изображения деления шкалы и светочувствительных элементов на соседних строках составляет величину p k/n + 1 или p k/n 1. Деления шкалы могут быть выполнены в виде сплошных прямых линий, а их изображения и строки элементов фотоприемников могут быть развернуты относительно друг друга на углы (90o + c) или (90o c), где с arctg p/1.According to the second embodiment of the device, the photodetectors can comprise “m” groups of (n) parallel lines in a group with a step “k” between the elements and a step “l” between the photocell lines, and the regular shift of the scale division image and the photosensitive elements on adjacent lines amounts to pk / n + 1 or pk /
Кроме того, деления шкалы могут быть установлены ортогонально направлению перемещения шкалы, а строки многоэлементных фотоприемников установлены параллельно направлению перемещения шкалы. Между шкалой и фотоприемником в этом случае устанавливается анаморфотная оптическая система, ось трансформирования размеров изображения у которой развернута относительно направления перемещения шкалы таким образом, что направление изображения оси деления шкалы составляет со строками фотоприемников угол (90o + c) или (90o c).In addition, the scale divisions can be set orthogonally to the direction of movement of the scale, and the lines of multi-element photodetectors are set parallel to the direction of movement of the scale. In this case, an anamorphic optical system is installed between the scale and the photodetector, the axis of transformation of the image dimensions of which is rotated relative to the direction of movement of the scale in such a way that the image direction of the scale division axis makes an angle of (90 o + c) or (90 o c) with the lines of the photodetectors.
Таким образом, предложенная отсчетная система соответствует критерию "новизна". Thus, the proposed reference system meets the criterion of "novelty."
Не обнаружено технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, других технических решений в данной области. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". No technical solutions were found that have similar characteristics with those that distinguish the claimed solution from the prototype, other technical solutions in this field. Therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".
На фиг. 1-5 показаны примеры выполнения отсчетной системы и ее элементов: 1 подложка шкалы, 2 объектив, 3 многоэлементный приемник в плоскости, сопряженной с плоскостью шкалы, 4 анаморфотная система, причем 4(1), 4(2) и 4(3) возможные положения анаморфотной системы, 5 расстояние от объектива до предметной плоскости, 5' расстояние от сопряженной плоскости изображения, 6 деления шкалы, 7 изображения делений в плоскости фотоприемников. In FIG. Figures 1-5 show examples of the implementation of the reading system and its elements: 1 scale substrate, 2 lens, 3 multi-element receiver in a plane conjugated with the scale plane, 4 anamorphic systems, with 4 (1), 4 (2) and 4 (3) possible position of the anamorphic system, 5 distance from the lens to the subject plane, 5 'distance from the conjugate image plane, 6 scale divisions, 7 image divisions in the plane of photodetectors.
На фиг. 1 показана принципиальная оптическая схема отсчетной системы. Свет от шкалы, расположенной на подложке 1, идет в сторону объектива 2 на расстояние 5. Подложка 1 может быть прозрачной и тогда свет проходит ее насквозь. Она может быть непрозрачной с рассеивающей поверхностью, на которой нанесены штрихи. После объектива свет от шкалы проходит расстояние 5' и создает в сопряженной плоскости на фотоприемниках 3 изображение штрихов. В случае использования анаморфотной системы 4 она может быть установлена: 1) между шкалой 1 и объективом 2 в положении 4(1); 2) между объективом 2 и фотоприемниками 3 в положении 4(2); 3) входить в состав объектива 2, т.е. занимать положение 4(3). Положение 4(2) предпочтительно используется при наличии визуального контроля, когда после объектива 2 часть света через светоделитель (не показанный на фиг. 1) поступает в окуляр и глаз наблюдателя. In FIG. 1 shows a schematic optical diagram of a reading system. The light from the scale located on the
На фиг. 2 показано шесть вариантов возможного исполнения штрихов: а) в виде ступенчатой линии, б) в кусочно-линейной форме, в) в виде прямой линии, г) в виде наклонной на угол "о" линии, д) в виде линии с угловым изломом, е) разнотолщинной линии. In FIG. 2 shows six options for the possible execution of strokes: a) in the form of a stepped line, b) in a piecewise linear form, c) in the form of a straight line, d) in the form of a line slanted at an angle “o”, e) in the form of a line with an angular kink , e) different thickness lines.
На фиг. 3 показан вариант исполнения шкалы на лимбе угломерного прибора, в котором деления 6 нанесены не по радиусам, а по касательным к внутренней окружности кругового кольца, наружная окружность которой является делительной окружностью лимба, что соответствует варианту "г" возможного исполнения. In FIG. Figure 3 shows an embodiment of the scale on the limb of the goniometer, in which the divisions 6 are plotted not along the radii, but along the tangents to the inner circumference of the circular ring, the outer circumference of which is the dividing circumference of the limb, which corresponds to the variant "g" of the possible execution.
Возможны и другие варианты исполнения, не противоречащие сущности изобретения, включая расфокусировку изображения штриха на соседние элементы фотоприемника. There are other possible versions that do not contradict the essence of the invention, including defocusing the image of the stroke on adjacent elements of the photodetector.
На фиг. 4 показано взаимное положение строк трех фотоприемников 3 и изображений делений шкалы 7. Фиг. 4а показывает положение трех фотоприемников, у которых начало строк находится на одной прямой, ортогональной строкам, и кусочно-линейного деления шкалы, состоящего из смещенных друг от друга линейных участков 7(1), 7(2) и 7(3). Расфокусировка не требуется. In FIG. 4 shows the relative position of the rows of three
Фиг. 4б показывает положение сплошного прямого штриха 7 ортогонального направлению строк фотоприемников и трех фотоприемников 3(1), 3(2) и 3(3), у которых начало строк смещено относительно прямой, ортогональной строкам на разные величины. Ширина штриха 7 принята равной размеру элемента строки. FIG. 4b shows the position of the solid
Случай наклонного положения штриха относительно строк фотоприемников, совпадающих с направлением перемещения шкалы и случай наклоненных относительно этого перемещения строк фотоприемника при штрихе, ортогональном перемещению, показаны на фиг. 5а и 5б. The case of the inclined position of the stroke relative to the photodetector lines coinciding with the direction of movement of the scale and the case of the lines of the photodetector inclined relative to this movement during a stroke orthogonal to the movement are shown in FIG. 5a and 5b.
Отсчетная система работает следующим образом. Изображение шкалы с подложки 1 проектируется объективом 2 на фотоприемники 3, образуя на них изображение делений 7. На фиг. 3 показан случай, когда число строк фотоприемников n 3, взаимный сдвиг изображения делений 7 и светочувствительных элементов фотоприемников 3 составляет p 1/2 от размера элемента фотоприемника. На первой (нижней) строке изображение деления 7 затеняет по половине элементов 1.3 и 1.4, поэтому сигналы от этих элементов составят 0,5 от полного сигнала, поступающего от незатененных элементов 1.1, 1.2, 1.5. Во второй (средней) строке изображение деления 7 полностью затеняет элемент 2.3, оставляя незатененными элементы 2.1, 2.2, 2.4 и 2.5. Третья (верхняя) строка дает сигналы 0,5 от полного сигнала для элементов 3.2 и 3.3 и полные сигналы от элементов 3.1, 3.4 и 3.5. Из фиг. 3 видно, что для приведенного случая расстояние от начала координат можно определить по первой строке как 3,0 x k, по второй как 2,5 х k и по третьей как 2,0 х k. Учтем смещение p k x 0,5 для второй строки и смещение p 2 (k x 0,5) k для третьей строки и прибавим их как постоянные слагаемые к полученным выше расстояниям от начала координат. Тогда получаются три значения, равные 3,0 х k. Так же, как и в прототипе, одно значение отсчета является необходимым, а два остальные избыточными, позволяющими повышать точность измерений. Особенно большое число избыточных отсчетов получается при использовании ПЗС матрицы с большим числом строк. Например, при матрице с числом элементов, равным 192 х 256, т.е. с таким же, как у прототипа числом элементов, вдоль строки, избыточных измерений получается не меньше, чем у прототипа, но используется всего одно деление шкалы. При этом матрица может быть разделена на m 19 групп по n 10 параллельных строк в группе (две крайние строки используются для других целей). The reference system operates as follows. The image of the scale from the
Благодаря регулярному смещению изображения деления шкалы относительно светочувствительных элементов отсчет по каждой строке не только дает другое соотношение электрических сигналов, что делает их независимыми друг от друга, но и исключает влияние промежутков между светочувствительными элементами, как и в прототипе, но при постоянной толщине штриха. Естественно, что и в заявляемом изобретении может использоваться переменная толщина штриха ("е" на фиг. 2). В результате обработки отсчетов в компьютере точность отсчитывания, приведенная к одному элементу строки, может быть сделана равной 0,01 и меньше. Дополнительным путем повышения точности может быть расфокусировка, использование которой здесь не рассматривается. Due to the regular shift of the image of the division of the scale relative to the photosensitive elements, the counting on each line not only gives a different ratio of electrical signals, which makes them independent of each other, but also eliminates the influence of the gaps between the photosensitive elements, as in the prototype, but with a constant stroke thickness. Naturally, in the claimed invention can be used with a variable thickness of the stroke ("e" in Fig. 2). As a result of processing the samples in the computer, the accuracy of reading reduced to one element of the line can be made equal to 0.01 or less. An additional way to increase accuracy can be defocusing, the use of which is not considered here.
Таким образом, поставленная цель полностью достигается. Технико-экономическое преимущество отсчетного устройства заключается в возможности уменьшения числа делений шкалы. Например, деления лимба теодолита могут делаться не через 20 угловых минут, а через 1o, что в 3 раза уменьшает сроки нанесения делений на лимб, являющейся одной из самых дорогостоящих операций по изготовлению оптических элементов теодолита.Thus, the goal is fully achieved. The technical and economic advantage of the reading device is the possibility of reducing the number of scale divisions. For example, theodolite limb divisions can be done not after 20 arc minutes, but after 1 o , which reduces the time for applying divisions to the limb by 3 times, which is one of the most expensive operations for manufacturing theodolite optical elements.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012850A RU2073202C1 (en) | 1993-03-11 | 1993-03-11 | Reading system and its versions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012850A RU2073202C1 (en) | 1993-03-11 | 1993-03-11 | Reading system and its versions |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93012850A RU93012850A (en) | 1995-10-20 |
RU2073202C1 true RU2073202C1 (en) | 1997-02-10 |
Family
ID=20138426
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93012850A RU2073202C1 (en) | 1993-03-11 | 1993-03-11 | Reading system and its versions |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2073202C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548575C2 (en) * | 2013-09-12 | 2015-04-20 | Акционерное общество "Швабе-Приборы" | Device for measurement of angle of slanted surface |
-
1993
- 1993-03-11 RU RU93012850A patent/RU2073202C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Грейм И.А. Оптические отсчетные системы в приборостроении и машиностроении. - М.-Л.: Машгиз, 1963, стр. 17-18. Нивелир NА2000 фирмы "Вильд", Н. Jngensand "Das wild NA2000 Das erste digitale Niuellier der Welt". Allgemeine vermessung - Nachrichten, 1990, N 6, стр. 201 - 210. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548575C2 (en) * | 2013-09-12 | 2015-04-20 | Акционерное общество "Швабе-Приборы" | Device for measurement of angle of slanted surface |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4792904A (en) | Computerized flight inspection system | |
CN105627921A (en) | Absolute encoder subdivision acquisition system and measurement method thereof | |
CN107664509B (en) | Device and method for detecting large-range dynamic angle measurement precision of spaceborne scanning mechanism | |
CN109520446A (en) | A kind of measurement method of revolution at a high speed shafting dynamic inclination error | |
US4758720A (en) | Method and means for measuring guidance errors at one or more points along the length of a displacement-measuring system | |
US3068741A (en) | Objective reading of scales | |
JPS5829844B2 (en) | Angle measuring device with telescope | |
RU2073202C1 (en) | Reading system and its versions | |
US2619002A (en) | Optical scale reading system | |
EP1653625B1 (en) | Position-to-number electro-optical converter | |
CN106323198A (en) | High precision, wide range and large working distance laser auto-collimation device and method | |
US3983390A (en) | Device for measuring angular deviation of a light beam by use of gratings | |
US2893123A (en) | Cinetheodolites | |
RU97835U1 (en) | DIGITAL AUTOCollimator | |
JPS58150804A (en) | Optical position detector | |
US3572940A (en) | Method and a device for measuring the sighting error of an optical apparatus | |
RU2569072C2 (en) | Angle of rotation sensor | |
SU669202A1 (en) | Loose material level meter | |
SU1219916A1 (en) | Arrangement for specimen deformation | |
RU2353960C1 (en) | Autocollimator for measurement of flat angles | |
SU1523907A1 (en) | Spherometer | |
SU1049814A1 (en) | Process for determining zero signal of accelerometer unit | |
GB955045A (en) | Improvements relating to optical indicating devices | |
RU2242715C1 (en) | Method of measuring precision of protractor | |
SU879541A1 (en) | Photoelectric automatic collimator |