RU2769305C1 - Autocollimator - Google Patents

Autocollimator Download PDF

Info

Publication number
RU2769305C1
RU2769305C1 RU2021116950A RU2021116950A RU2769305C1 RU 2769305 C1 RU2769305 C1 RU 2769305C1 RU 2021116950 A RU2021116950 A RU 2021116950A RU 2021116950 A RU2021116950 A RU 2021116950A RU 2769305 C1 RU2769305 C1 RU 2769305C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
photodetector
autocollimator
mark
mirror
Prior art date
Application number
RU2021116950A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Анатольевич Сергеев
Юрий Павлович Жуков
Игорь Леонидович Ловчий
Борис Георгиевич Страдов
Original Assignee
АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП") filed Critical АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (АО "НИИ ОЭП")
Priority to RU2021116950A priority Critical patent/RU2769305C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769305C1 publication Critical patent/RU2769305C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/0242Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30Collimators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: optical equipment.
SUBSTANCE: invention can be used to measure the angles of rotation of objects relative to two mutually perpendicular axes. The autocollimator includes an optical system for generating an autocollimation image of a stamp on a photodetector from a radiation source, a capacitor, a mark, a beam splitter, a lens, an autocollimation mirror and a photodetector with a signal processing unit. The mark and the photodetector are installed in the focal planes of the lens. A semi-transparent plane-parallel plate is additionally installed between the lens and the autocollimator mirror, located to the sighting axis of the autocollimator at an angle ϕ selected from the condition: ϕ<b/kf, where b is the characteristic size of the photodetector, mm; f is the focal length of the lens, mm; k≥4. The signal processing unit is made calculating the position of the autocollimator mirror based by signals generated by several mark images.
EFFECT: increase in measurement accuracy, a reduction in dimensions and an increase in functionality.
1 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to measuring technology using optical measuring instruments, in particular to optoelectronic devices that allow the autocollimation method to measure the angles of rotation of objects relative to two mutually perpendicular axes.

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.It is known that for angular measurements of the position of objects, visual autocollimators are widely used, which are convenient and easy to use. These include, in particular, the widespread autocollimators AKU-1, AKU-0.5 and AKU-0.2, which are produced by the Federal State Unitary Enterprise PO Novosibirsk Instrument-Making Plant (Number in the State Register of Measuring Instruments 10714-05). They contain a source of radiation, a condenser and a test mark in the form of a crosshair, installed in the focal plane of the objective. The radiation from the test mark, having passed through the beam splitter, is directed by the lens to an autocollimation mirror mounted on the object, reflected from it, and projected through the lens and the beam splitter onto a special scale, also installed in the focal plane of the lens and made in the form of a grid of threads. The image of the test mark on the scale is viewed using an eyepiece. Measurements are made by determining the position of the test mark image relative to a fixed scale.

Данные автоколлиматоры не обладают высокой точностью измерений, не выполняют измерения углового положения зеркала в динамике и не позволяют выполнить автоматизацию процесса измерений.These autocollimators do not have high measurement accuracy, do not measure the angular position of the mirror in dynamics, and do not allow automation of the measurement process.

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.Known autocollimator (see Pat. RF No. 2353960, IPC GO2B 27/30, prior. 11/19/2007) consisting of an illuminator placed along the condenser beam, a brand, a beam splitter, a lens, an autocollimating mirror installed with the possibility of adjustment in two coordinates, a matrix photodetector and an information processing unit, wherein the mark and the photodetector are installed in conjugate focal planes of the lens, while part of the mark field is made in the form of a slit raster, and part is in the form of a stroke, and in front of the part of the matrix photodetector, which registers the image of the mark field in the form multi-element raster, an additional slit raster is installed close to it. When an autocollimation image of the mark raster is superimposed on an additional raster, a moiré pattern is formed, which is recorded by a matrix photodetector, and when the autocollimation mirror is rotated, the linear displacement of the extrema of the moiré pattern turns out to be greater than the movement of the stroke and depends on the selected ratio of the frequencies of the raster raster and the additional raster and the angle between them. A rough reading in the autocollimator is taken from the displacement of the mark stroke image, an accurate reading is taken from the displacement of the extrema of the moiré pattern. Data on the position of the stroke and the moiré pattern from the photodetector are fed to a personal computer, in which the position of the autocollimation mirror is calculated, taking into account all influencing factors.

Однако такой автоколлиматор не позволяет проводить измерения по двум координатам, требует разработки специализированной программы для персонального компьютера, юстировка оптической схемы автоколлиматора сложная.However, such an autocollimator does not allow measurements in two coordinates, it requires the development of a specialized program for a personal computer, and the adjustment of the optical scheme of the autocollimator is complicated.

Известен автоколлиматор (см. Пат. РФ №2455668, МПК G02B 27/30, приор. 20.05.2010), выбранный нами в качестве прототипа по большинству существенных признаков.Known autocollimator (see Pat. RF No. 2455668, IPC G02B 27/30, prior. 05/20/2010), chosen by us as a prototype for most essential features.

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.The autocollimator contains a radiation source, a condenser, a test mark, a beam splitter, an objective, an autocollimation mirror, a photodetector with a reading device, located along the beam, the mark and the photodetector are installed in the focal planes of the lens. The radiation from the test mark, reflected by the beam splitter, is directed by the lens to the autocollimating mirror, reflected from it, and projected by the same lens through the beam splitter onto the photodetector. The photodetector contains a CCD matrix with a device for generating a standard video signal. The reading device is made in the form of a computer with an application program for calculating the angular position of the autocollimating mirror. The test mark is made in the form of a round diaphragm, the diameter of which is calculated according to the stated formula.

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.When changing the angular position of the autocollimating mirror relative to the optical axis of the autocollimator, the coordinates of the center of the image of the test mark on the surface of the CCD array change, which is the basis for performing measurements. The measurements are performed using a specially developed application software that determines the desired angular position of the autocollimating mirror relative to the optical axis of the autocollimator.

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.However, such an autocollimator does not have a sufficiently high measurement accuracy. It also has other disadvantages: large overall dimensions, the need to use a specially developed application computer program, and there is no possibility to change the sensitivity of the autocollimator and the measurement range.

Техническим эффектом заявляемого устройства является повышение точности измерений, уменьшение габаритов и увеличение функциональных возможностей.The technical effect of the proposed device is to increase the accuracy of measurements, reduce the size and increase functionality.

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.As a result of our studies, we found that a semitransparent plane-parallel plate (PPP) located between the lens and an autocollimation mirror (ACM) at a given angle ϕ to the sighting axis of the autocollimator (AC) forms additional images of the mark in the photodetector (PC) plane, and some of them have increased sensitivity to the rotation of the AKZ, which makes it possible to increase the accuracy of measurements. We have also shown that the use of additional images of the mark allows you to change the conversion factor and the range of measurements of AC. And the use of an additional image formed by the rays after the first reflection from the SPP as a reference makes it possible to exclude some systematic errors, which also increases the accuracy of AK measurements.

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:To solve this problem, in the proposed autocollimator, which includes an optical system for forming an autocollimation image of a mark on a photodetector from a radiation source, placed along the beam of a condenser, a mark, a beam splitter, an objective, an autocollimation mirror and a photodetector with a signal processing unit, the mark and photodetector are installed in the focal planes of the lens, what is new is that between the lens and the autocollimation mirror on the optical axis, a semitransparent plane-parallel plate is additionally installed, located to the sighting axis of the autocollimator at an angle ϕ, selected from the condition:

ϕ<b/kf,ϕ<b/kf,

гдеwhere

b - характерный размер фотоприемника, мм;b is the characteristic size of the photodetector, mm;

f - фокусное расстояние объектива, мм;f - focal length of the lens, mm;

k≥4;k≥4;

а блок обработки сигналов выполнен вычисляющим положение автоколлимационного зеркала по сигналам, сформированным несколькими изображениями марки.and the signal processing unit is configured to calculate the position of the autocollimation mirror from the signals generated by several brand images.

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;In FIG. 1 shows a schematic diagram of the claimed autocollimator, where the radiation source 1, condenser 2, brand 3, beam splitter 4, lens 5, translucent plane-parallel plate 6, autocollimation mirror 7, photodetector 8, signal processing unit 9;

О - O1 - визирная ось автоколлиматора.O - O 1 - sighting axis of the autocollimator.

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;In FIG. 2 shows the course of rays upon reflection from an autocollimating mirror installed perpendicular to the optical axis of the autocollimator and a translucent plane-parallel plate installed with an inclination ϕ in the vertical plane, where the objective is 5, the translucent plane-parallel plate 6, the autocollimating mirror 7;

i0 - лучи после отражения от полупрозрачной плоскопараллельной пластины;i 0 - rays after reflection from a translucent plane-parallel plate;

i1, i2, i3 - лучи после первого, второго и третьего отражения от автоколлимационного зеркала.i 1 , i 2 , i 3 - rays after the first, second and third reflection from the autocollimating mirror.

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, гдеIn FIG. Figure 3 shows a variant of the location of the images of marks in the plane of the photodetector in the initial position and when the autocollimation mirror is rotated through an angle α in the horizontal plane, where

фотоприемник - 8;photodetector - 8;

I0 - изображение марки, остающееся неподвижным при поворотах автоколлимационного зеркала, образованное отраженными от полупрозрачной плоскопараллельной пластины лучами;I 0 - the image of the brand, which remains motionless when the autocollimation mirror is rotated, formed by rays reflected from a translucent plane-parallel plate;

I1, I2, I3 - первое, второе и третье изображения марки;I 1 , I 2 , I 3 - the first, second and third images of the brand;

I'1, I'2, I'3 - первое, второе и третье изображения марки при повороте автоколлимационного зеркала на угол α.I' 1 , I' 2 , I' 3 - the first, second and third images of the mark when the autocollimation mirror is rotated by an angle α.

Заявленный автоколлиматор работает следующим образом.The claimed autocollimator works as follows.

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).Let us assume that the sighting axis OO1 of the AK is directed perpendicular to the plane of the ACS 7, the PPP 6 is installed in front of the lens 5 perpendicular to the sighting axis of the autocollimator in the horizontal plane and at an angle ϕ in the vertical plane (see Fig. 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.The angle ϕ is determined from the condition of location on the sensitive surface of the AF 8 of the reference image formed by the rays reflected only by the PPP 6, and the estimated number of images formed by the reflection of the rays from the ACS 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.The reflection coefficients R and transmission T PPP is determined from the condition that the estimated number of brand images on the surface of the FP 8 will have a brightness that allows them to be processed.

Принципы расчета положений изображений марки, сформированных в фокальной плоскости объектива в оптической системе с отражателями в виде ППП и АКЗ, известны.The principles for calculating the positions of brand images formed in the focal plane of the lens in an optical system with reflectors in the form of SPP and ACD are known.

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 (I0 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.The beam of light from the radiation source 1 (see Fig. 1) through the condenser 2 and mark 3 falls on the beam splitter 4. The part of the light reflected from the beam splitter 4, passing through the lens 5, is converted into a parallel beam of rays, which partially passes through the PPP 6 and falls on AKZ 7, and is partially reflected from the PPP 6. Part of the rays reflected from the PPP 6 passes through the lens 5 in the opposite direction and through the beam splitter 4 forms an image of mark 3 on the AF 8, which is stable and motionless and does not depend on the position of the AKZ 7 (I 0 in Fig. 3). This image of the brand in the calculations is taken as a reference, and when measuring with a reference channel, relative to it, the position of other images formed on the FP 8 is calculated.

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.Rays that have passed PPP 6 are reflected by ACZ 7, partially re-pass through PPP 6, and partially reflected from PPP 6 and again fall on ACZ 7. The percentage ratio of the intensity of the transmitted and reflected rays from PPP 6 will be determined by the reflection coefficients R and transmission T of the PPP.

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).Part of the rays reflected from the AKZ 7 and passed through the PPP 6 passes in the opposite direction of the lens 5, in the focal plane of which, that is, on the FP 8, the image of mark 3 is built. from it and returns to PPP 6, partially passes through it and builds a new image of brand 3 on FP 8 through lens 5, and is partially reflected from PPP 6 and again falls on APC 7. The process of re-reflection between APC 7 and STP 6 is repeated many times and depends on coefficients R and T of the PPP 8, dimensions and location of the AKZ 7 and PPP 6 relative to each other and the sighting axis of the lens 5. After multiple reflections from the PPP 6 and AKZ 7 towards the lens 5, several parallel beams of rays emerge, pairwise differing in the directions of propagation at an angle of 2ϕ (see Fig. 2).

В результате на ФП 8 получается несколько изображений марки 3 (см. фиг. 3) с яркостью, убывающей по мере возрастания порядкового номера изображения.As a result, several images of brand 3 are obtained on the FP 8 (see Fig. 3) with brightness decreasing as the serial number of the image increases.

Известно выражение, связывающее величину смещения изображения и угол поворота зеркала в автоколлиматоре:An expression is known that relates the magnitude of the image shift and the angle of rotation of the mirror in the autocollimator:

d=2ftgα,d=2ftgα,

гдеwhere

d - линейное смещение изображения марки в плоскости ФП относительно первоначального положения, мм;d - linear displacement of the brand image in the FP plane relative to the initial position, mm;

f - фокусное расстояние объектива, мм;f - focal length of the lens, mm;

α - угол поворота зеркала.α is the angle of rotation of the mirror.

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:In the proposed AK, when rotating AKZ 7, several images of brand 3, formed by rays reflected from AKZ 7, are displaced in the area of AF 8 by an amount proportional to the tangent of the rotation angle (see Fig. 3). In this case, the linear displacement of the 1st image of the brand relative to the initial position when the mirror is rotated through an angle α is equal to:

di=ftg2α,di=ftg2α,

2-го:2nd:

d2=2(ftg2α),d 2 =2(ftg2α),

3-го:3rd:

d3=3(ftg2α).d 3 =3(ftg2α).

Суммарное смещение n изображений:Total offset of n images:

D=N(ftg2α),D=N(ftg2α),

где N=(1+2+…+n) - сумма порядковых номеров изображений, используемых при расчетах.where N=(1+2+…+n) is the sum of the sequence numbers of the images used in the calculations.

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.From the above formulas, it can be seen that when using the second image of the brand to calculate the position of the AKZ, the sensitivity of the AK increases by 2 times, the third image - by 3 times, simultaneously the 1st, 2nd and 3rd - 6 times compared to AK, built according to a standard optical scheme, in which only one image of the brand is used.

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.The AK signal processing unit provides calculation of the AKZ rotation angle taking into account the above formulas and for each specific case allows you to quickly change the sensitivity and measurement range using one image of the brand, several images or all images of the brands that are in the field of view of the AK, depending on the problem being solved. specific task.

Принципы расчета определения координат центра тяжести изображений марки с учетом усреднения по строкам (столбцам) и по времени относительно координат матрицы известны.The calculation principles for determining the coordinates of the center of gravity of brand images, taking into account averaging over rows (columns) and over time relative to the coordinates of the matrix, are known.

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

Figure 00000001
раз, где n - число используемых при расчете изображений. При использовании 3-х изображений чувствительность возрастает в
Figure 00000002
раз.Also, to increase the sensitivity of the AK leads to a greater number of images used in the calculation of the angular position of the AKZ, compared with the prototype. In general, the sensitivity increases with
Figure 00000001
times, where n is the number of images used in the calculation. When using 3 images, the sensitivity increases in
Figure 00000002
once.

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.Thus, the calculation shows that when processing three images used in the proposed AK when determining the angular position of the AKZ, the overall sensitivity of the AK increases by about 10 times.

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.It is known that when measurements are taken with the required accuracy of fractions of an arc second, errors due to the displacement of elements in the optical path (CCD array, lens, etc.) for a conventional AK can reach comparable values. In practice, this leads to the need for a long preheating of the device, careful stabilization of the position of the AC itself during measurements.

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.In the claimed AK when measuring with a reference channel eliminates the systematic error associated with changing the position of the autocollimator or its elements. In this case, the measurements of the position of the AKZ take place relative to the position of the PPP, the stability of which is much easier to ensure, since it does not have internal heat sources, has smaller dimensions, and can be placed on an independent base. A slight shift of the AF, the optical elements of the AK or the AK itself during the measurement process leads to the fact that the images of the brand from the PPP and from the AKZ are shifted by the same amount, which eliminates the occurrence of a systematic error.

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.Also, systematic errors are partially compensated due to the uneven sensitivity of the FP elements and (or) point inhomogeneities of the optical elements due to the different location of the brand images on the FP site.

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.The claimed autocollimator makes it possible to obtain high sensitivity and, accordingly, high measurement accuracy in combination with high reliability of these measurements, since some systematic errors are excluded, with the small dimensions of the device itself.

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.According to the scheme (see Fig. 1), a model of a high-precision two-coordinate photoelectric autocollimator was created. An infrared LED (λ=0.87 µm) is used as a radiation source. The lens has a focal length of 300 mm; the photodetector is a CCD array of 1200×1920 photosensitive elements 4.8×4.8 µm in size. AK uses a stamp with a diameter of 0.1 mm. A PPP with a light diameter of 60 mm and a thickness of 10 mm is installed in front of the lens, on one side of which a dielectric coating is applied with a reflection coefficient of R = 40% and a transmission coefficient of T = 60% at a wavelength of 0.87 μm, on the other side - an antireflection coating with a reflection coefficient 0.1%. The PPP is installed perpendicular to the sighting axis of the AK in the horizontal plane and at an angle ϕ=5 arc. min. in the vertical plane. The signal processing unit calculates the angles of rotation of the ACZ from the signals received from the three images. The sensitivity to a change in the angle of the AKZ, when the AK is located at a distance of 100 mm from it, is 0.04 arc. sec. The measurement range of the horizontal angle is ± 6 arc. min, vertical angle - ± 1.5 arc. min.

Claims (7)

Автоколлиматор, включающий 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, отличающийся тем, 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:Autocollimator, including an optical system for forming an autocollimation image of a mark on a photodetector from a radiation source, placed along the beam of a condenser, a mark, a beam splitter, an objective, an autocollimation mirror and a photodetector with a signal processing unit, the mark and photodetector are installed in the focal planes of the lens, characterized in that between the lens and the autocollimation mirror on the optical axis, a semitransparent plane-parallel plate is additionally installed, located to the sighting axis of the autocollimator at an angle ϕ, selected from the condition: ϕ<b/kf,ϕ<b/kf, гдеwhere b - характерный размер фотоприемника, мм;b is the characteristic size of the photodetector, mm; f - фокусное расстояние объектива, мм;f - focal length of the lens, mm; k≥4;k≥4; а блок обработки сигналов выполнен вычисляющим положение автоколлимационного зеркала по сигналам, сформированным несколькими изображениями марки.and the signal processing unit is configured to calculate the position of the autocollimation mirror from the signals generated by several brand images.
RU2021116950A 2021-06-09 2021-06-09 Autocollimator RU2769305C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021116950A RU2769305C1 (en) 2021-06-09 2021-06-09 Autocollimator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021116950A RU2769305C1 (en) 2021-06-09 2021-06-09 Autocollimator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769305C1 true RU2769305C1 (en) 2022-03-30

Family

ID=81076226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021116950A RU2769305C1 (en) 2021-06-09 2021-06-09 Autocollimator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769305C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2038914A (en) * 1933-09-30 1936-04-28 Templeton James Clark Optical system for observing displacement or deflection in connection with measuring instruments
RU2353960C1 (en) * 2007-11-19 2009-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) Autocollimator for measurement of flat angles
RU2455668C2 (en) * 2010-05-20 2012-07-10 Открытое акционерное общество "Государственный специализированный проектный институт", ОАО "ГСПИ" Video autocollimator
RU2682588C1 (en) * 2018-02-28 2019-03-19 Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) Method of high-precision calibration of digital video channel distortion

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2038914A (en) * 1933-09-30 1936-04-28 Templeton James Clark Optical system for observing displacement or deflection in connection with measuring instruments
RU2353960C1 (en) * 2007-11-19 2009-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) Autocollimator for measurement of flat angles
RU2455668C2 (en) * 2010-05-20 2012-07-10 Открытое акционерное общество "Государственный специализированный проектный институт", ОАО "ГСПИ" Video autocollimator
RU2682588C1 (en) * 2018-02-28 2019-03-19 Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) Method of high-precision calibration of digital video channel distortion

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7298468B2 (en) Method and measuring device for contactless measurement of angles or angle changes on objects
CN100535767C (en) Focusing leveling measuring method and device
KR101596290B1 (en) Thickness Measuring Apparatus And Thickness Measuring Method
CN101169601B (en) Focusing leveling measuring system
US4969744A (en) Optical angle-measuring device
CN110082071B (en) Device and method for measuring optical parallel difference of right-angle prism
CN1675515A (en) Common-path frequency-scanning interferometer
CN106767545A (en) A kind of high accuracy high-space resolution angel measuring instrument and angle measurement method
CN109520446A (en) A kind of measurement method of revolution at a high speed shafting dynamic inclination error
JP2014163895A (en) Shape measurement instrument and shape measurement method using shack-hartmann sensor
JP4188515B2 (en) Optical shape measuring device
CN109387161A (en) Auto-collimation system
CN205942120U (en) Self-aligning optical path system with polarization beam splitting element
US20080137061A1 (en) Displacement Measurement Sensor Using the Confocal Principle
CN102072710A (en) Optical angle measuring device and angle measuring method
CN109579744A (en) Trailing type three-dimensional photoelectric auto-collimation method and apparatus based on grating
US4678324A (en) Range finding by diffraction
RU2769305C1 (en) Autocollimator
EP0343158B1 (en) Range finding by diffraction
CN116381708A (en) High-precision laser triangular ranging system
CN114111570B (en) Image positioning calculation method and device based on two-dimensional autocollimator
RU2384812C1 (en) Autocollimator for measuring angle of torque
RU2519512C1 (en) Device to measure angular and linear coordinates of object
RU98596U1 (en) TWO CHANNEL DIGITAL AUTOCollimator
RU2366893C1 (en) Device for measurement of angular and linear coordinates of object