SU771464A1

SU771464A1 - Тняее-coordinate optical device

Info

Publication number: SU771464A1
Application number: SU782687206A
Authority: SU
Inventors: Эрнст Дмитриевич Панков; Вячеслав Владимирович Хижняков
Original assignee: Ленинградский Институт Точной Механики И Оптики
Priority date: 1978-11-24
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1980-10-15

Description

1one

Изобретение относитс к области оптического приборостроени , а именно, к оптическим трехкоординатным устройствам, предназначенным дл измерени поворота объекта вокруг трех ортогональных осей.The invention relates to the field of optical instrumentation, namely, to optical three-coordinate devices for measuring the rotation of an object around three orthogonal axes.

Известно оптическое трехкоординатное 5 устройство, используемое дл измерени поворотов вокруг трех взаимно перпендикул рных осей 1. Такое устройство содержит основание , с установленным на немуправл ющим блоком, и отражательный блок, расположенный на объекте и выполненный в виде О объектива, и установленного за ним зеркально-линзового отражател , управл ющий блок выполнен в виде двух разнесенных точечных источников света, расположенных в фокальной плоскости объектива, отражател , вращающегос цилиндрического модул тора с нанесенными на нем спирал ми с разным направлением угла подъема и круговой шкалой, установленного так, что ось его вращени перпендикул рна оптической оси объектива, двух разнесенных 20 один относительно другого фотоприемников, установленных в фокальной плоскости объектива , каждый соответственно над источником света, и расположенных с внутреннейA three-coordinate optical device 5 is known, which is used to measure rotations around three mutually perpendicular axes 1. Such a device contains a base, mounted on a non-guide block, and a reflective block located on the object and made in the form of an O-lens, and a mirror mounted behind it. lens reflector, the control unit is made in the form of two separated point light sources located in the focal plane of the lens, the reflector rotating cylindrical modulator with spirals with different directions of elevation angle and a dial scale set up so that its axis of rotation is perpendicular to the optical axis of the lens, two separated 20 one relative to another photodetectors installed in the focal plane of the lens, each respectively above the light source, and located internal

стороны модул тора за его спирал ми, установленных один напротив другого по разные стороны модул тора в плоскости его круговой щкалы, блоков регистрации, соединенных с выходами фотоприемников, и блоков обработки сигналов с фотоприемников .the sides of the modulator behind its coils, which are installed opposite one another on opposite sides of the modulator in the plane of its circular chords, registration units connected to the outputs of photodetectors, and signal processing units from photodetectors.

Недостатком известного устройства вл етс невозможность одновременного отсчета углов поворота объекта вокруг трех взаимно перпендикул рных осей по причине того, что при развороте отражающего блока вокруг осей, перпендикул рных оптической оси прибора, мен етс начальное положение изображений источников света, относительно которого предусмотрен съем информации о повороте объекта вокруг оптической оси прибора.A disadvantage of the known device is the impossibility of simultaneously reading the angles of rotation of an object around three mutually perpendicular axes due to the fact that when the reflecting unit rotates around the axes perpendicular to the optical axis of the device, the initial position of the images of the light sources relative to which the rotation information is provided object around the optical axis of the device.

Отсчет угла поворота вокруг оптической оси возможен только после отработки в ноль углов поворота относительно двух других координатных осей, т. е. прибор может быть использован только как ноль-индикатор.The readout of the angle of rotation around the optical axis is possible only after working at zero angles of rotation relative to two other coordinate axes, i.e. the device can only be used as a zero indicator.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению вл етс трехкоординатное оптическое устройство, содержащее объектив, два разнесенных один относительно другого излучател с конденсором , оптические оси которых параллельны оптической оси объектива, отражательный блок, устанавливаемый на объекте и выполненный в виде четырехугольной пирамиды с взаимно перпендикул рными внутренними зеркальными гран ми, вращающийс анализатор, установленный в фокальной плоскости объектива, последовательно размещенные за анализатором конденсор, фотоприемник , и блок цифровой обработки 2. Недостатком известного устройства вл етс невозможность получени информации о численных значени х поворотов относительно каждого из трех взаимно перпендикул рных осей, так как поворот отражательного блока одновременно вокруг оптической и одной из перпендикул рных ей осей вызывает по вление сигнала на фотоприемнике от одной и той же крестообразной площадки анализатора. Целью изобретени вл етс упрощение процесса измерени и увеличени быстродействи устройства. Цель достигаетс тем, что устройство снабжено двум точечными диафрагмами, установленными соответственно перед каждым конденсором излучател в фокальной плоскости объектива, и последовательно установленными за анализатором вторыми конденсором и фотоприемником, оптические оси конденсоров параллельны оптической оси объектива, анализатор выполнен в виде непрозрачного диска с нанесенными на его поверхности прорез ми разного направлени угла подъема. Кроме того, одна прорезь расположена по радиусу диска, втора в виде левосторонней спирали Архимеда, начало которой находитс в центре диска, а конец диаметрально противоположен началу прорези. Выполнение анализатора в виде диска с двум прорез ми позвол ет определить координаты Изображений в фокальной плоскости объектива в пол рной системе координат с полюсом, совпадающим с центром диска, и пол рными ос ми. На фиг. 1 изображена принципиальна схема устройства, на фиг. 2 - траектории перемещени изображений диафрагмы в фо кальной плоскости объектива при последовательных поворотах отражательного блока вокруг осей X, Y, Z. Трехкоординатное оптическое устройство (фиг. 1), содержит отражательный блок 1, размещенный на объекте, объектив 2, точечные диафрагмы 3 и 4, конденсоры 5 и 6, излучатели 7 и 8, анализатор 9, конденсоры 10, 11, фотоприемники 12 и 13, двигатель 14 и блок цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). Отражательный блок 1 выполнен в виде правильной четырехугольной пирамиды с взаимно перпендикул рными зеркальными внутренними гран ми и расположен так, что высота пирамиды совпадает с оптической осью объектива 2. Точечные диафрагмы 3 и 4 расположены в фокальной плоскости объектива 2 так, что их центры удалены от оптической оси на одинаковые рассто ни вдоль пр мых, параллельных оси Y и оси X. Оптические оси конденсоров 5 и 6 параллельны оптической оси объектива 2 и проход т через центры точечных диафрагм 3 и 4. Анализатор 9 расположен в фокальной плоскости объектива 2 и выполнен в виде непрозрачного дл излучени диска с нанесенными на нем прорез ми, одна из которых совпадает с радиусом диска, а друга выполнена в виде левосторонней спирали Архимеда, размещенной в двух квадрантах , счита от радиальной прорези. Такое конструктивное выполнение анализатора 9 позвол ет определить положение изображений диафрагм на плоскости анализатора в пол рной системе координат. Кратчайшие рассто ни от центра анализатора 9 до пр мых, проход щих через центры точечных диафрагм 3, 4 и оптическую ось, равны отрезку между центро.м точечной диафрагмы и оптической осью. Анализатор выполнен с возможностью вращени вокруг оси симметрии, например, с помощью двигател 14. За плоскостью анализатора 9 установлены конденсоры 10, 11 с фотоприемниками 12 и 13. Оптические оси конденсоров 10 и 11 параллельны оптической оси объектива 2. Выходы фотоприемников 12 и 13 соединены с блоком цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). Устройство работает следующи.м образом. Конденсоры 5 и 6 фокусируют световой поток излучателей 7 и 8 в центры точечных диафрагм 3 и 4, расположенные в фокальной плоскости объектива 2. После объектива параллельные потоки поступают на зеркальные грани пирамиды. После отражени от граней пирамиды каждый из падающих потоков образует два новых, один из которых фокусируетс объективом в центре точечной диафрагмы, а другой - в точке, симметричной ему относительно оптической оси. Так поток, выход щий из диафрагмы 3 проходит объектив 2 и, отразившись от грани отражательного блока 1, фокусируетс объективом 2 в точках А и В (фиг. 2). Поток, выход щий из диафрагмы 4, фокусируетс после отражени от грани пирамиды 1 в точках М и Н. Далее световой поток, модулированный прорез ми анализатора 9, фокусируетс конденсорами 10 и 11 на фотоприемники 12 и 13. При каждом обороте анализатора 9 вырабатываетс один опорный импульс. Интервал времени между опорным импульсом и передним фронтом импульса, возникающего при пересечении изображени диафрагмы радиальной щель.ю, пропорционален пол рному углу.The closest to the technical essence of the present invention is a three-coordinate optical device containing a lens, two spaced apart with respect to another radiator with a condenser, whose optical axes are parallel to the optical axis of the lens, a reflection unit mounted on the object and made in the form of a quadrangular pyramid with mutually perpendicular internal mirror edges, rotating analyzer installed in the focal plane of the lens, sequentially placed at the analog the condenser, photodetector, and digital processing unit 2 are massed. A disadvantage of the known device is that it is impossible to obtain information about the numerical values of rotations about each of the three mutually perpendicular axes, since rotating the reflection unit around the optical axis and one of its perpendicular axes simultaneously causes Signal on the photodetector from the same cruciform platform of the analyzer. The aim of the invention is to simplify the measurement process and increase the speed of the device. The goal is achieved by the fact that the device is equipped with two point diaphragms, installed respectively in front of each radiator condenser in the focal plane of the lens, and sequentially installed second condenser and photoreceiver behind the analyzer, optical axes of the condensers parallel to the optical axis of the lens, the analyzer is made the surfaces are slotted in different directions of the elevation angle. In addition, one slot is located along the radius of the disk, the second is in the form of Archimedes' left-side helix, the beginning of which is in the center of the disk, and the end is diametrically opposite the beginning of the slot. Performing the analyzer in the form of a disk with two slits allows to determine the coordinates of the Images in the focal plane of the lens in the polar coordinate system with the pole coinciding with the center of the disk and the polar axes. FIG. 1 is a schematic diagram of the device, FIG. 2 - trajectories of moving images of the diaphragm in the focal plane of the lens during successive rotations of the reflective block around the X, Y, Z axes. The three-coordinate optical device (Fig. 1) contains the reflective block 1 placed on the object, the lens 2, pin-hole diaphragms 3 and 4 , condensers 5 and 6, radiators 7 and 8, analyzer 9, condensers 10, 11, photodetectors 12 and 13, engine 14 and a digital processing unit (not shown in Fig. 1). The reflective unit 1 is made in the form of a regular quadrangular pyramid with mutually perpendicular mirror inner edges and is located so that the height of the pyramid coincides with the optical axis of the lens 2. The dotted apertures 3 and 4 are located in the focal plane of the lens 2 so that their centers are removed from the optical axes at equal distances along the straight lines, parallel to the Y axis and the X axis. The optical axes of the condensers 5 and 6 are parallel to the optical axis of the objective 2 and pass through the centers of the pinholes 3 and 4. The analyzer 9 is located in the focal The objective plane of the lens 2 is made in the form of a disk that is opaque to radiation and has slits on it, one of which coincides with the radius of the disk, and the other is made in the form of Archimedes' left-side helix placed in two quadrants, calculated from the radial slit. Such a constructive implementation of the analyzer 9 makes it possible to determine the position of the diaphragm images on the analyzer plane in the polar coordinate system. The shortest distances from the center of the analyzer 9 to the direct paths passing through the centers of the point diaphragms 3, 4 and the optical axis are equal to the segment between the center of the point diaphragm and the optical axis. The analyzer is designed to rotate around the axis of symmetry, for example, using a motor 14. Behind the analyzer 9 plane are installed condensers 10, 11 with photodetectors 12 and 13. The optical axes of condensers 10 and 11 are parallel to the optical axis of the lens 2. The outputs of photodetectors 12 and 13 are connected to digital processing unit (not shown in Fig. 1). The device works as follows. The condensers 5 and 6 focus the light flux of the emitters 7 and 8 into the centers of the point diaphragms 3 and 4, located in the focal plane of the lens 2. After the lens, parallel streams enter the mirror faces of the pyramid. After reflection from the faces of the pyramid, each of the falling streams forms two new ones, one of which is focused by the lens in the center of the pinhole, and the other at a point symmetrical to it relative to the optical axis. Thus, the flow coming out of the diaphragm 3 passes the lens 2 and, reflecting from the edge of the reflective unit 1, is focused by the lens 2 at points A and B (Fig. 2). The stream leaving the diaphragm 4 is focused after reflection from the face of pyramid 1 at points M and N. Next, the luminous flux modulated by the slots of the analyzer 9 is focused by condensers 10 and 11 on the photodetectors 12 and 13. One turn is generated at each revolution of the analyzer 9 pulse. The time interval between the reference pulse and the leading edge of the pulse arising from the intersection of the diaphragm image by the radial slit is proportional to the polar angle.

С фотоприемников 2 и 13 импульсы поступают в блок цифровой обработки (на фиг. 1 не показан). При повороте отражательного блока 1 вокруг оси Y от нулевого положени изображение Е точке А смещаетс вдоль пр мой, параллельной МН в точку А , а изображение в точке Н - вдоль оси МН в точку М (фиг. 2). При повороте отражательного блока 1 вокруг оси Z от нулевого положени изображени в точках А, В, М, Н перемещаютс на одинаковые рассто ни по дуге окружности. При повороте вокруг оси Z (после поворотов вокруг осей X к Z) изображени А , В , М , Н перемещаютс по концентрическим окружност м .From the photodetectors 2 and 13, the pulses enter the digital processing unit (not shown in Fig. 1). When the reflection block 1 is rotated around the Y axis from the zero position, the image E to point A is displaced along a straight line parallel to МN to point A, and the image at point H is displaced along the axis MN to point M (Fig. 2). When the reflective block 1 is rotated around the Z axis from the zero position of the image at points A, B, M, H, they move at equal distances along the arc of a circle. When rotated around the Z axis (after rotation around the X to Z axes), the images A, B, M, H are moved in concentric circles.

С помощью анализатора 9 определ ютс пол рные координаты изображений В и Н, таким образом определ ютс длины отрезков СН, СВ и углы, образованные этими отрезками с ос ми СН и СВ соответственно .Using the analyzer 9, the polar coordinates of the images B and H are determined, thus the lengths of the segments CH, CB and the angles formed by these segments with the axes CH and CB, respectively, are determined.

С помощью цифрового устройства (на фиг. 1 не показан) производ тс вычислени значений отрезков МН, ВВ и угла Ч, величины которых пропорциональны углам поворота пирамиды вокруг осей , Y и Z.Using a digital device (not shown in Fig. 1), the values of segments MN, BB and angle are calculated, the values of which are proportional to the angles of rotation of the pyramid around the axes, Y and Z.

Применение устройства позвол ет определ ть угловое положение объекта в трехмерной системе координат, что позвол ет устанавливать объект в любое наперед заданное положение.The use of the device allows to determine the angular position of the object in the three-dimensional coordinate system, which allows you to set the object to any pre-specified position.

Claims

1. USSR author's certificate number 550529, cl. G 01 B 11/26, 1977.

2. US patent number 3241430, cl. 88-14, 1962 (prototype).