SU1040503A1

SU1040503A1 - Photoelectric position-to-code converter

Info

Publication number: SU1040503A1
Application number: SU813339286A
Authority: SU
Inventors: Александр Афанасьевич Бражник
Original assignee: Сибирское особое конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Нефтегеофизика"
Priority date: 1981-09-23
Filing date: 1981-09-23
Publication date: 1983-09-07

Abstract

ФОЮЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ В КОД, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света и кодовый элемент, считъшаюхние элементы , отличающийс тем, что, с целью повышени его разрешающей способности , в него введены оптически соединенные светоделительна призма, сферическое зеркало и две пары зеркальных пластин, которые расположены перпендикул рно друг другу, одна пара пластин установлена с возможностью перемещени , а друга - неподвижно, и размещены между сферическим зеркалом и светоделИ Q тельной призмой, отражающа грань когорой обращена к считьшающим элементам (Л и к отражающим гран м подвижной пары зеркальных пластин.POSITIONAL CONVERTER POSITION TO CODE, containing successively located along the optical axis a light source and a code element, counting elements, characterized in that, in order to increase its resolution, an optically coupled beam splitting prism, a spherical mirror and two pairs of mirror plates are inserted arranged perpendicularly to each other, one pair of plates mounted for movement, and the other fixedly, and placed between the spherical mirror and the beacon Q tion prism reflecting face faces the Kogoro schitshayuschim elements (A and a movable reflective facets m pairs of mirror plates.

Description

елate

о со Изобретение относитс к автоматике н вычислительной технике, и предназначе но дл измерени углового или линейног положени и может быть использовано дл ввода информации в ЭЦВМ, при программном управлении станками, дл систем управлени технологическими процессами , в различных сканирующих уст ройствах , в том числе в аналитических стереопрйборах. Известен фотоэлектрический преобразователь перемещени , который содержи расположенные последовательно вдоль оптической оси неподвижный источник света, измерительный растр, закреплен ный на перемещающемс объекте, а также неподвижные индикаторный растр и считъшающий элемент {фотоприемник), П перемещении измерительного растра в направлении, перпендикул рном его штрихам , происходит периодическое изменение фототока в фотоприемнике из-за модул 1ШИ светового потока сопр жением изме- рительного и индикаторного растра ij . Недостатком вл етс то, что такой преобразователь при щаге растра 40 мкм позвол ет получить разрещающую способность в 10 мкм. Случайные сбои в его работе привод т к по влению накопленны ощибок. При измерении положений, когда перемещение между двум моментами прохождени датчика нул может быть очень , накопленна ощибка может превьш1ать допустимые пределы, что затрудн ет использование этого преобразовател дл измерени . Известен фотоэлектрический преобразователь положени в код с оптико-мехашиеским интерпол тором, содержащий осветительную систему, компенсационный лимб с нанесенной на нем спиральной сеткой, кодовый лимб с нанесенными на нем двум радами прозрачных и непрозрачных щтрихов, сдвинутых на 1/4 щага друг относительно друга, кодовый элемент, и фотоприемники (считывающие элементы). Осветительна система ос-, вещает диаметрально противоположные рабочие зоны компенсационного лимба, изображени которых с помощью оптических систем проецируютс на диаметрально противоположные участки кодового лимба. Модул тор осветительной системы попеременно перекрывает верхнюю шш нижнюю половины рабочехх пол . Когда лимбы наход тс в согласованном положении , световьш потоки от обеих половин рабочего пол равны 2| . Недостатком вл етс то, что при повороте кодов( ч лимба равенство нарушаетс , и на фотоприемниках по вл етс сигнал; рассогласовани , управл ющий след щим двигателем, осуществл ющим соответствующий доворот компенсаиион- ного лимба до согласованного положени . Разрещающа способность датчика по углу - 0,3, угл. сек однако быстродействие его , как и всех преобразователей с оптико-механической интерпол цией, ограничиваетс скоростью вращени механических элементов и составл ет величину пор дка 0,1 с. Наи)лее близким по тех1гической сущности к предлагаемому вл етс фотоэлектрический преобразователь положени в код, который содержит расположенные вдоль оптической оси неподвижный источник света, подвижный кодовый элемент, св занный с объектом перемещени , а также неподвижные целевую диафрагму и считывающие элементы - фотоприемники . Кодова маска кодовго элемента представл ет собой несколько кодовых дорожек, на которьк в двоичном коде в виде прозрачных и непрозрачньк участков закодирована координата 3 и 4J . Такой преобразователь позвол ет с высоким быстродействием однозначно опре дел ть линейное или угловое положение движущегос объекта, однако его разре щающа способность ограничиваетс величиной щага кодовой дорожки младщего разр да и составл ет 20-50 мкм дл линейнйх положений 10-20 дл угловых положений-. .. Цель изобретени - повьпиение разреающей способности преобразовател . Поставленна цель достигаетс тем, то в фотоэлектрическом преобразователе оложени в код, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической си источник света и кодовый элемент, читывающие элементы, введены оптически соединенные светоделительна призма, ферическое зеркало и две пары зеркаль- ых пластин, которые расположены перендикул рно друг другу, одна пара miacин установлена с возможностью перемещени , а друга - неподвижно, и размещеш 1 между сферическим зеркалом и ветоделнтельной призмой, о;гражающа грань которой обращена к считьтающим элементам и к отражакшшм гран м подижной тшры зеркальных пластин. На . 1 изофажена схема предла-«емого фотоэлектрического преобразовател ; на фиг. 2 - принцип умножени ли- нейного перемещени ; на фиг. 3 - ход лучей в системе зеркальных пластин в плоскости, перпендикул рной направле-. нию перемещени ; на фиг. 4 - схема npe« обраэовател углового положени ; на фиг. 5 - принцип умножени углового перемещени . На пути распространени светового : пера от источника 1 света (фиг. 1) piacположены конденсор 2, кодовый элемент 3 и зеркально-линзовый объектив 4, состо щий из светоделительной призмы 5, задн поверхность которой вьшолнена сферической, вогнутого сферического зеркала 6. Такой зеркально-линзовый объектив 4 с увеличением один обеспечивает очень высокое качество изображени , св занное с объектом перемещени - подвижна пара зеркальных пластин 7, и неподвижна пара зеркальных пластин 8, считывающие элементы 9. Устройство работает следующим об разом.. Дл измерени линейных положений кодовый элемент 3 вьшолнен в виде кодовой линейки, а подвижна пара зеркальных пластин 7 имеет возможность линейного перемещени вдоль кодовой линейки. Конденсор 2 формирует из светового потока, излучаемого источником 1 света, луч света, освещающий кодовую линейку (маску), проходит светоделительную призму 5 и попадает на систему зеркальных пластин.При перемещении подвижной пары зеркальных пластин 7 на величину ой луч света на его выходе сме- щаетс (фиг. 2). После одного отражени от пластины 7 световой луч об смещаетс вдоль направлени перемещени на ве- личину 2 0, после второго отражени на величину после третьего отражени - на величину 6 at. В общем виде эта зависимость записьтаетс следую- щим образом А«2кл, где А - смещение| лу на выходе системы зеркальных1тйетан в направлении смещени подвижной пары зеркальных пластин 7; к - целое число, равное числу циклов отражений в системе. Дл разнесени входа и выхода nf вводитс в систему зеркальных плас тин под углом в плоскости, перпендикул рной направлению перемещени попвт ной пары зеркальных пластин 7, как это показано на фиг. 3, луч, прощедший через эту систему, отражаетс вогнутым сферическим зеркалом 6, вновь проходит через систему зеркальных пластин, смеща сь дополнительно на вели1ину 2 к, и после отражени от светоделитбльной плоскости призмы 5 попадает на линейку считьгеаюших элементов 9. В плоскости расположени считывающих элементов 9 формируетс в масштабе m 1 изображение кодовой линейки, смещенное на величину А 4k(vS вдоль направлени кодовых дорожек. Таким образом, разрешающа способность преобразовател повьпиаетс в 4 к раз. Практически наибольший эффект достигаетс при к 1-6, что позвол ет реально повысить разрешающую способность фотоэлектрического преобразовател в 16-24 раза. Аналогично описанному выше фотоэлектрическому преобразователю линейных положений может быть вьшолнен фотоэлектрический преобразователь угловых положений (фиг. 4). Отличие его состоит в том, что кодова линейка заменена на кодовый диск, т. е. кодовые дорожки расположены на окружности, и соответственно подвижна пара зеркальных пластин 7, св занна с объектом перемещени , имеет возможность вращени вокруг оси, перпендикул рной линии пересечени точности, в которых расположены неподвижные зеркальные пластины 8. На фиг. 5 показан принцип умножени углового перемещени . Подвижные зеркальные тластины 7 повернуты на угол о относительно неподвижных зеркальных пластин Я. Изображение штриха b (фиг. 5) на входе пластин 7 смещаетс на угол 2 об в положение Ъ на выходе пластин 7 после первого цикла и возвращаетс на неподвижные зеркальные пластины 8, из которого оно выходит в положение С, вновь возвращаетс на подвижные зеркальные пластины 7, на выходе которого оно смещаетс после второго цикла уже на угол 4 об (положение С ), после третьего цикла изображение смещаетс на величину 6ot (положение с ) затем выхо положение Л и т. д. Таким обра У™ Р наличии k пиклов отражений в системе зеркальных плас«тин разрешающа способность преобразовател повьшхаетс в 4k раз. Повышение разрешающей споообности преобразовател угловых или линейных положений в 4 k раз сопровождаетс таким же уменьшением пределов измерени . В тех случа х, когда необходимо при повьш1ении разрешающей способности сохранить пределы измерени , следует вместо одной пары подвижных зеркальных 104 пластин установить несколько пар пластин . Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь положени , использу относительно грубую кодовую маску с шагом точной дорожки 40-100 мкм, позвол ет повысить разрешающую способность в . 16-24 раза, т, е. достигнуть линейной разрешающей способности 2-5 мкм и угловой 0,5-1, не снижа при этом быстродействи и надежности преобразовател ,не ус ложн электронику считывани и не повыша трудоемкость и стоимость преобразовател . 036 Кроме того, конструкци и принцип действи предлагаемого фотоэлектрического преобразовател положени в код позвол ют использовать известные способы и устройства оптико-механической или электронной интерпол ции, повьшхающие разрешающую способность в 1О-2ОО раз, и добитьс таким образом пре- дельно высокой разрешающей способности пор дка 0,01 мкм и 0,01, что Может найти широкое применение при разработке преиезионных приборов .About s The invention relates to automation and computing, and is intended to measure the angular or linear position and can be used to enter information in an electronic computer, in software control of machines, for process control systems, in various scanning devices, including Analytical Stereo. The known photoelectric transducer of motion, which contains a stationary light source located successively along the optical axis, a measuring raster attached to the moving object, as well as a fixed indicator raster and a counting element (photodetector), P moving the measuring raster in a direction perpendicular to its strokes periodic change of the photocurrent in the photodetector due to the module 1 of the light flux by the conjugation of the measuring and indicator raster ij. The disadvantage is that such a transducer with a 40 µm raster plane allows a resolution of 10 µm to be obtained. Accidental failures in his work lead to the accumulation of errors. When measuring positions, when the movement between the two moments of the sensor passing through the zero can be very large, the accumulated error can exceed the permissible limits, which makes it difficult to use this transducer for measurement. A photoelectric transducer for positioning into a code with an optical-mechanical interpolator is known, which contains an illumination system, a compensation limb with a spiral grid applied to it, a code limb with two radars of transparent and opaque schtrichs shifted 1/4 of a step relative to each other, and a code limb element, and photodetectors (reading elements). The lighting system broadcasts diametrically opposite working areas of the compensation limb, the images of which are projected onto the diametrically opposite parts of the code limb with the help of optical systems. The modulator of the lighting system alternately overlaps the upper width of the lower half of the working floor. When the limbs are in a consistent position, the light flux from both halves of the working floor is 2 | . The disadvantage is that when the codes are rotated (the limb equality is violated, and a signal appears on the photodetectors; a mismatch that controls the following motor, performing a corresponding reversal of the compensation limb to an agreed position. The angle of the sensor is 0 , 3, sec. S, however, its speed, like of all converters with optomechanical interpolation, is limited by the speed of rotation of the mechanical elements and is of the order of 0.1 s, the closest in technology STI is proposed to photoelectric conversion in the position code, which comprises, arranged along an optical axis of a stationary light source, the movable code element, coupled to the moving object and the fixed target aperture and the read elements - photodetectors. The code mask of a code element consists of several code tracks, on which in binary code in the form of transparent and non-transparent sections the coordinates 3 and 4J are coded. Such a converter allows high-speed determination of the linear or angular position of a moving object, but its resolution is limited by the size of the low-order code track and is 20–50 µm for linear positions 10–20 for angular positions ––. .. The purpose of the invention is the resolution resolution of the converter. The goal is achieved by the fact that, in the photoelectric transducer, the code containing successively located along the optical si source and the code element reading the elements are optically coupled to a beam-splitting prism, a ferric mirror and two pairs of mirror plates that are located perpendicularly to each other. , one pair of miacins is installed with the possibility of movement, and the other is motionless, and it is placed 1 between the spherical mirror and the vegetatively prism, o, the side of which is facing schittayuschim to the elements and to otrazhakshshm gran m podizhnoy tshry mirror plates. On . 1 isofazhena scheme proposed photoelectric converter; in fig. 2 - the principle of multiplying the linear displacement; in fig. 3 - the path of the rays in the system of mirror plates in the plane, perpendicular to the direction. displacement; in fig. 4 shows a npe ' angular positioner; in fig. 5 shows the principle of multiplying the angular displacement. On the propagation path of the light: a feather from the light source 1 (Fig. 1), a condenser 2, a code element 3 and a lens / mirror lens 4 composed of a beam-splitting prism 5, the back surface of which is filled with a spherical, concave spherical mirror 6, are arranged. The lens lens 4 with magnification one provides a very high image quality associated with the object to be moved — a movable pair of mirror plates 7 and a fixed pair of mirror plates 8 that read the elements 9. The device works as follows code .. To measure the linear positions, code element 3 is implemented as a code ruler, and the movable pair of mirror plates 7 has the possibility of linear movement along the code ruler. The condenser 2 forms from the light flux emitted by the light source 1, a light beam illuminating the code ruler (mask) passes the beam-splitting prism 5 and hits the mirror plate system. When moving a moving pair of mirror plates 7 by the amount of light beam at its output Squat (Fig. 2). After a single reflection from the plate 7, the light beam about is displaced along the direction of movement by 2 0, after the second reflection by the value after the third reflection - by 6 at. In general, this dependence is written as follows: A 2kl, where A is the offset | the output of the mirror mirror system in the direction of displacement of the moving pair of mirror plates 7; k is an integer equal to the number of cycles of reflections in the system. To separate the input and output, nf is introduced into the system of mirror plates at an angle in the plane perpendicular to the direction of movement of the second pair of mirror plates 7, as shown in FIG. 3, the beam passing through this system is reflected by a concave spherical mirror 6, again passes through the system of mirror plates, additionally shifted by 2 k and after reflection from the divider plane of the prism 5 falls on the ruler of the counting elements 9. In the plane of the reading elements 9, the image of the code line is scaled in m 1, shifted by the value А 4k (vS along the direction of the code tracks. Thus, the resolution of the converter is equal to 4 k times. Almost the greatest effect the effect is achieved at k 1-6, which actually increases the resolution of the photoelectric converter 16-24 times. Similarly to the linear positions described above, the photoelectric converter of angular positions can be fulfilled (Fig. 4). The difference is that the code ruler is replaced by a code disk, i.e. the code lanes are located on a circle, and accordingly the movable pair of mirror plates 7 connected with the object of movement has the ability to rotate around and perpendicular to the line of intersection of accuracy, which are arranged in stationary mirror plate 8. FIG. 5 shows the principle of multiplying the angular displacement. The movable mirror plates 7 are rotated by an angle about relatively fixed mirror plates I. The image of bar b (Fig. 5) at the entrance of the plates 7 is shifted by 2 degrees to the b position at the output of plates 7 after the first cycle and returns to the fixed mirror plates 8, from which it goes to position C, returns again to the movable mirror plates 7, at the output of which it is displaced after the second cycle by an angle of 4 degrees (position C), after the third cycle the image is displaced by 6ot (position c) then the output position L, etc. Thus, the image of the presence of k pixels of reflections in the system of mirror plates and the resolution of the transducer increases 4k times. Increasing the resolution sporadicity of the angular or linear transducer by 4 k times is accompanied by the same decrease in the measurement limits. In those cases when it is necessary to maintain the limits of measurement when increasing the resolution, instead of one pair of movable mirror 104 plates, several pairs of plates should be installed. The proposed photoelectric position transducer, using a relatively coarse code mask with an exact track pitch of 40-100 µm, makes it possible to increase the resolution of c. 16-24 times, t, e. To achieve a linear resolution of 2-5 microns and an angular value of 0.5-1, without reducing the speed and reliability of the converter, the reading electronics are not complicated, and the complexity and cost of the converter are not increased. 036 In addition, the design and principle of operation of the proposed photoelectric transducer into a code allows the use of known methods and devices of optical-mechanical or electronic interpolation, increasing the resolving power 1O-2OO times, and thus achieving extremely high resolution of the order 0.01 microns and 0.01, which May be widely used in the development of premium instruments.

§§

vv

ff ff ffaff ff ffa

Ф&г.F & g

Claims

A PHOTOELECTRIC CONVERTER OF THE POSITION IN THE CODE containing a light source sequentially located along the optical axis and a code element, sensing elements, characterized in that, in order to increase its resolution, optically coupled beam splitting prism, a spherical mirror and two pairs of mirror plates are inserted into it, which are perpendicular to each other, one pair of plates is movable and the other - fixed and disposed between the spherical mirror and svetodeli "· _with those noy prism reflecting face someone & swarm faces the reading elements and to the reflecting mirror faces of the movable pair of plates.

SU ... 1040503