RU2815604C1

RU2815604C1 - Оптическая система формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы

Info

Publication number: RU2815604C1
Application number: RU2023130235A
Authority: RU
Inventors: Игорь Касьянович Мешковский; Азамат Булатович Мухтубаев; Екатерина Сергеевна Виссарионова; Александра Сергеевна Бобе; Александр Сергеевич Васильев; Иван Геннадьевич Дейнека; Владимир Николаевич Кузнецов
Filing date: 2023-11-21
Publication date: 2024-03-19

Abstract

Изобретение относится к электронно-оптическому приборостроению и может быть использовано при формировании изображения кодирующей структуры измерительных шкал энкодеров открытого типа, работающих на отражение. Оптическая система формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы включает источник излучения и расположенные по ходу излучения светоделительный элемент, кодирующую структуру, объектив и приемник излучения. При этом между объективом и приемником излучения установлена цилиндрическая линза, а светоделительный элемент представляет собой светоделительный кубик, образованный парой прямоугольных призм, скрепленных друг с другом гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено полуотражающее покрытие, при этом грань, соединяющая прямоугольные призмы, расположена под прямым углом к падающему излучению источника. Технический результат - уменьшение погрешности, связанной с измерением положения кодирующей структуры путем уменьшения величины аберраций и увеличения контрастности изображения кодирующей структуры. 3 ил.

Description

Изобретение относится к электронно-оптическому приборостроению и может быть использовано при формировании изображения кодирующей структуры измерительных шкал энкодеров открытого типа, работающих на отражение.

Известна оптическая система проецирования кодирующей структуры измерительных шкал Renishaw SiGNUM, описанная в ресурсе Renishaw SiGNUM™ linear optical scheme [Electronic resource]. 2023. P. 1. URL: https://www.renishaw.com/resourcecentre/en/details/--11195, включающая источник излучения и расположенные по ходу излучения кодирующую структуру, объектив и приемник излучения, кроме того, содержит анализирующую структуру и в качестве объектива цилиндрическую линзу для получения изображения высокой контрастности на приемнике излучения.

Недостатком системы являются считывание кодирующей структуры под углом, что добавляет аберраций, и вследствие этого наличие дополнительного структурного элемента - анализирующей структуры, которая вносит дополнительную погрешность, являясь дополнительным элементом в конструкции, что усложняет юстировку оптической системы.

Известна оптическая система проецирования кодирующей структуры измерительных шкал, выбранная в качестве прототипа - Renishaw Evolute, представленная в каталоге Renishaw How optical encoders work [Electronic resource]. 2023. P. 1-8. URL: https://www.renishaw.com/en/how-optical-encoders-work--36979, включающая источник излучения и расположенные по ходу излучения светоделительный элемент, кодирующую структуру, объектив и приемник излучения, а также содержит светоделительную призму сложной формы и асферическую линзу для минимизации аберраций в качестве объектива.

Недостатком оптической схемы является использование асферической линзы для сведения искажений к минимуму, которая не увеличивает контрастность формируемого изображения кодирующей структуры.

Задача, решаемая заявленным решением - уменьшение погрешности, связанной с измерением положения кодирующей структуры путем уменьшения величины аберраций и увеличения контрастности изображения кодирующей структуры. Из-за наличия в системе аберраций, в частности дисторсии, т.е. изменения коэффициента линейного увеличения по полю системы возникают погрешности при обработке результатов и снижается точность определения перемещений.

Техническим результатом является фокусировка изображения кодирующей структуры по вертикали с относительной дисторсией на краях изображения не более 15%.

Поставленная задача решается следующим образом. В оптической системе формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы, включающей источник излучения и расположенные по ходу излучения светоделительный элемент, кодирующую структуру, объектив и приемник излучения, между объективом и приемником излучения установлена цилиндрическая линза, а светоделительный элемент представляет собой светоделительный кубик, образованный парой прямоугольных призм, скрепленных друг с другом гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено полуотражающее покрытие, при этом грань, соединяющая прямоугольные призмы, расположена под прямым углом к падающему излучению источника.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. При выбранном способе концентрации энергии с помощью цилиндрической линзы следует использовать подсветку кодирующей структуры под прямым углом - через светоделительный элемент, чтобы избежать положительной дисторсии. В случае возникновения дисторсии штрихи кодирующей структуры при сжатии накладываются друг на друга и изображение будет искажено и будет иметь разную интенсивность. Перед приемником излучения находится цилиндрическая линза, фокусирующая излучение по вертикальной оси. В результате концентрации энергии по вертикали, получается более контрастное изображение, а подсветка кодирующей структуры под прямым углом с помощью светоделительного элемента позволяет получить относительную дисторсию на краях изображения не более 15%. При использовании в качестве приемника излучения линейного фоточувствительного прибора, высота изображения кодирующей структуры должна быть не менее высоты пикселя фоточувствительного элемента после преобразования цилиндрической линзой. При наличии пыли, загрязнений и царапин - их изображение фокусируется по вертикальной оси и практически не вносит погрешности.

Сущность заявляемой оптической схемы поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3, где на фиг.1, показан принцип преобразования результирующего изображения кодирующей структуры с помощью цилиндрической линзы, на фиг.2 - график зависимости интенсивности излучения от положения кодирующей структуры на линейном фоточувствительном элементе (пунктир - без использования цилиндрической линзы в оптической системе, сплошная - с использованием цилиндрической линзы в оптической системе), на фиг.3 - оптическая схема заявляемой конструкции.

Оптическая система формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы включает источник излучения 1 и расположенные по ходу излучения светоделительный элемент 2, кодирующую структуру 3 , объектив 4 , цилиндрическую линзу 5 и приемник излучения 6. Светоделительный элемент представляет собой светоделительный кубик, образованный парой прямоугольных призм, скрепленных друг с другом гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено полуотражающее покрытие, при этом грань, соединяющая прямоугольные призмы, расположена под прямым углом к падающему излучению источника.

Излучение от источника излучения 1 через светоделительный кубик 2 попадает на кодирующую структуру 3. Отраженное изображение проходит через светоделительный кубик 2 и объектив 4, который формирует изображение кодирующей структуры 3 через цилиндрическую линзу 5 на плоскость фоточувствительного элемента 6.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается оптическая система формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы, в которой источник излучения представляет собой лазерный диод видимого диапазона, светоделительный элемент представляет собой светоделительный кубик, образованный парой прямоугольных призм, скрепленных друг с другом гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено полуотражающее покрытие, например, покрытие на основе двуокиси кремния SiO2 с коэффициентом отражения 50% , при этом грань, соединяющая прямоугольные призмы, расположена под прямым углом к падающему излучению источника, объектив представляет собой две склейки, каждая из которых состоит из двух линз - двояковыпуклой и вогнуто-выпуклой, цилиндрическая линза является положительной, приемник излучения представляет собой фоточувствительный в видимом диапазоне прибор, имеющий разрешающую способность, совпадающую с размером штрихов или большую.

Т. о., заявляемое решение позволяет получить контрастное изображение кодирующей структуры, и уменьшить искажение изображения кодирующей структуры. За счет использования светоделительного кубика и цилиндрической линзы в системе уменьшаются аберрации, в частности дисторсия, изображение становится более контрастным и, следовательно, уменьшается погрешность при обработке результатов и повышается точность субмикронных значений перемещения энкодеров открытого типа, работающих на отражение.

Claims

Оптическая система формирования изображения кодирующей структуры измерительной шкалы, включающая источник излучения и расположенные по ходу излучения светоделительный элемент, кодирующую структуру, объектив и приемник излучения, отличающаяся тем, что между объективом и приемником излучения установлена цилиндрическая линза, а светоделительный элемент представляет собой светоделительный кубик, образованный парой прямоугольных призм, скрепленных друг с другом гипотенузными гранями, на одной из которых нанесено полуотражающее покрытие, при этом грань, соединяющая прямоугольные призмы, расположена под прямым углом к падающему излучению источника.