Устройство для контроля децентрировки линз

 

Использование: в оптическом приборостроении . Сущность изобретения: устройство содержит коллиматор 1, ТВ-камеру 2, грубый измеритель 3 координат, управляемый генератор 4 окна, точный измеритель 5, формирователь 6 электронной марки, видеоконтрольное устройство 8. осветитель 10, вход 9 управления режимом устройства, датчик 11 оптической марки, объектив коллиматора 12, дополнительную линзу 13, счетчики 18 и 19 соответственно по координатам X и Y,, аналого-цифровые преобразователи 20, 40 и 41, компараторы 21, 33-36 и 46, регистры 22, 24-27, 42 и 43, сумматоры 28-31 и 54, логические элементы И 23, 37 и 38, датчик 32 кода размеров окна, измеритель 39 координат центра тяжести объекта, коммутаторы 44. 45, 52 и 53, программируе

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 M 11/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4926350/10 (22) 28.02.91 (46) 23.05.93. Бюл. ¹ 19 (71) Особое конструкторско-технологическое бюро "Омега" при Новгородском политехническом институте и Завод "Юпитер" (72) В.П,Верещагин, В.Г.Каряки, B,А,Колядинцев, Г,А,Лапсарь, В.В.Мазяркин, В.П.Остапчук, О.О.Попов. H. Â.t.àâè÷ и

В, П. Федоров (73) Завод "Юпитер" (56) Креопалова Г,В, и др. Оптические измерения. — M,: Машиностроение, 1987, с.93, рис.48;

Авторское свидетельство СССР

N 1015273, кл. G 01 M 11/00, 1973. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕЦЕНТРИРОВКИ ЛИНЗ

„„. Ж„„1817843 А3 (57) Использование: в оптическом приборостроении. Сущность изобретения: устройство содержит коллиматор 1, TB-камеру 2, грубый измеритель 3 координат, управляемый генератор 4 окна, точный измеритель 5, формирователь 6 электронной марки, видеоконтрольное устройство 8. осветитель 10, вход 9 управления режимом устройства, датчик 11 оптической марки, объектив коллиматора 12, дополнительную линзу 13, счетчики 18 и 19 соответственно по координатам Х и У„аналого-цифровые преобразователи 20, 40 и 41, компараторы 21, 33 — 36 и

46, регистры 22, 24 — 27, 42 и 43, сумматоры

28 — 31 и 54, логические элементы И 23, 37 и

38, датчик 32 кода размеров окна, измеритель 39 координат центра тяжести объекта, коммутаторы 44. 45, 52 и 53, программируе1817843

45 на плоскости 15 в плоскость 17 фоточувствимые постоянные запоминающие устройства

47 и 48 и логические элементы ИЛИ 49-51.

В устройстве предусмотрены режимы грубого и точного измерения. В режиме грубого измерения измеряются координаты оптической марки с точностью до одного элемента ТВ изображения, и на экране видеоконтрольного устройства 8 отображается электронная марка, положение которой определяется положением оптической марИзобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в приборах для технологического и аттестационного контроля центрировки линз.

Цель изобретения — повышение точности контроля децентрировки склеиваемых линз.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства контроля децентрировки линз; на фиг.2 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу грубого измерителя координат; на фиг.3 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу управляемого генератора окна; на фиг,4 — информация, отображаемая на экране видеоконтрольного устройства, Устройство для контроля децентрировки линз на операции склейки содержит коллиматор 1, ТВ-камеру 2, грубый измеритель

3 координат, управляемый генератор 4 окна, точный измеритель 5 координат, формирователь 6 электронной марки, формирователь

7 измерительных сигналов. видеоконтрольное устройство (В КУ) 8, вход 9 управления режимом устройства, осветитель 10, датчик 11 оптической марки, обьектив коллиматора 12, дополнительную линзу 13, которая может выводиться из оптической схемы, устройство базирования 14 со склеиваемыми линзами, плоскость 15 изображения оптической марки, проекционную оптическую систему

16, плоскость 17 фоточувствительной поверхности ТБ-камеры.

Коллиматор включает в себя осветитель

10, датчик 11 оптической марки и обьектив коллиматора, Грубый измеритель 3 координат включает в себя счетчик 18 по координате Х, счетчик 19 по координате У, АЦП 20, компаратор 21, регистры 22, элемент И 23 и регистры 24 — 27.

Управляемый генератор 4 окна включает в себя сумматоры 28-31, датчик 32 кода размеров окна, компараторы 33 — 36 и элементы И 37 и 38.

35 ки в линейном поле прибора. В режиме точного измерения определяются координаты оптической марки внутри формируемого измерительного окна небольших размеров. и положение электронной марки на экране видеоконтрольного устройства отображает положение оптический марки внутри окна, при этом значительно повышается чувствительность электронной марки к смешениям оптической марки. 1 з,п. ф-лы, 4 ил.

Точный измеритель 5 координат включает в себя измеритель 39 координат центра тяжести обьекта, аналого-цифровые преобразователи 40 и 41 и регистры 42 и 43, Формирователь 6 электронной марки включает в себя коммутаторы 44 и 45 и компаратор 46, Формирователь 7 измерительных сигналов включает в себя программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) 47 и 48, элементы ИЛИ 49 — 51, коммутаторы 52 и 53 и сумматор 54.

Счетчики t8 и 19 могут быть выполнены на интегральных микросхемах типа

КР1533И Е5.

Аналого-цифровые преобразователи

20, 40 и 41 — микросхемы типа 1108ÏÂ1, Компараторы 21, 34, 35, 36 и 46 могут быть выполнены на основе интегральных микросхем типа КР1533ИР22.

Элементы И 23, 37 и 38 и элементы ИЛИ

49-51 представляют собой логические элементы и реализуются на микросхемах типа

15ЗЗЛИ1 и 1533ЛЕ1 соответственно, Сумматоры 28-31 реализуются на базе микросхем типа КР1533ИМ1, Сумматор 54 может быть выполнен на основе операционного усилителя 1407УД1.

Датчик 32 кода размеров окна и программируемые ПЗУ 47 и 48 реализуются на основе интегральных микросхем типа

К Р556 Р Т4.

Коммутаторы 44, 45, 52 и 53 — интегральные микросхемы типа КР1533КП12.

Дополнительная линза 13 предназначена для того, чтобы обеспечить формирование действительного изображения оптической марки в плоскости 15 в случаях, когда склеиваемая деталь имеет отрицательную оптическую силу, При контроле децентрировки положительных компонент дополнительная линза

13 выводится из оптической системы, Проекционная оптическая система 16 переносит иэображение оптической марки тельной поверхности ТВ-камеры с увеличением, кратность которого выбирается из условия, чтобы изображение оптической марки не выходило за пределы фоточувствительной поверхности ТВ-камеры при наблюдении склеиваемых линз с наибольшей децентрировкой (1 — 2 мм).

Устройство работает следующим образом. Датчик 11 оптической марки, выполненный в виде точечной диафрагмы, совместно с осветителем 10 образует точечный источник света, изображение которого строится объективом коллиматора, дополнительной и электронная марка отражает положение оптической марки внутри измерительного окна, что повышает чувствительность к смещению оптической марки во столько раз, во сколько

5 отличаются размер линейного поля устройства и линейного поля, соответствующего измерительному окну. При этом на экране ВКУ отображаются также формируемые формирователем 7 измерительная сетка и поле

l0 допуска EFCH, цена деления которых соответствует режиму точного измерения (см. фиг.4б), тельное окно, центрированное относительно 5 положения оптической марки, На фиг,4а это окно отображается прямоугольником АВСВ, Точный измеритель 5 координат методом взвешенного суммирования с высокой точсклеиваемыми линзами в плоскости 15, иэ которой проекционно-оптической системой переносится с увеличением в плоскость 17 фоточувствительной поверхности ТВ-камеры. Вращение склеиваемых компонентов в устройстве базирования приводит к тому, что точечное изображение в плоскости 17 описывает окружность, диаметр которой пропорционален величине децентрировки, Устройство имеет два режима работы: грубого и точного измерения. Управление режимами осуществляется подачей на вход

9 устройства логического сигнала "0" или

"1", Логический "0" устанавливает грубый, а логическая "1" — точный режимы измерения, После установки склеиваемых линз в базирующее устройство сначала включается грубый режим измерения. При этом грубый измеритель координат выдает текущие координаты изобра>кения оптической марки, которые поступают на формирователь 6 электронной марки. Формирователь 6 формирует электронную марку в виде яркой точки, размеры которой соответствуют одному элементу разложения (пикселу). Формирователь 7 измерительных сигналов генерирует измерительную сетку и суммирует изображения измерительной сетки и электронной марки, которые отобра>каются на В КУ 8 (см. фиг.4а), Далее оператор устанавливает ре>ким точного измерения. При этом в грубом измерителе 3 координат запоминаются координаты оптической марки, предшествовавшие переходу в режим точного измерения. Эти координаты подаются на управляемый генератор 4 окна, который формирует измериностью определяет координаты наблюдаемого изобра>кения оптической марки в системе координат измерительного окна, Результат координаты измерений подается на формирователь б электронной марки. Таким образом, в точном режиме измерения

Работа грубого измерителя 3 координат

15 иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг.2, Видеосигнал изображения оптической марки (пятна конечных размеров) поступает с выхода ТВ-камеры

2 на вход АЦП 20. который преобразует зна20 чения видеосигнала в цифровой код. Этот код подается на вход цифрового компаратора 21 и вход данных регистра 22, Выход генератора соединен с вторым входом компаратора 21. Если двоичное число, подаваемое

25 ка первый вход компаратора 21 превышает число, подаваемое на его второй вход, на выходе компаратора 21 устанавливается логический сигнал. разрешающий запись данных в регистр 22. На фиг,2Ь, 2о, 2f показаны дво- .

30 ичный числа, формируемые АЦП 20 (сплошная линия) и числа, снимаемые с выхода регистра 22 (пунктирная линия). На фиг, 2с, 2е, 2g показаны сигналы на выходе компаратора 21. Из иллюстрации видно, что ком35 паратор 21 и регистр 22 в рассматриваемом включении образуют цифровой вариант пиковогО детектора видеосигнала, при этом последнее значение уровня логической "1" на выходе компаратора 21 соответствует мак40 симальному значению видеосигнала.

Выходной сигнал компаратора 21 поступает на один из входов элемента И 23, на другой вход которого приходит управляющий потенциал с входа 9 устройства, В режи45 ме грубого измерения элемент И 23 открыт этим управляющим потенциалом, и на входы регистров 24 и 26 проходит сигнал записи координатной информации, снимаемый с выхода компаратора 21. Таким образом, в регист0 ры 24 и 26 по единичным сигналам, подаваемым на вход записи, записываются текущие со. стоякия счетчиков 18 и 19 соответственно, При этом последними будут записаны координаты пика видеосигнала от точечного ис55 точника, наблюдаемого TB-камерой 2, По окончании кадр- телевизионной развертки эти координаты из регистров 24 и 26 переносятся соответственко в регистры 25 и 27 под дейс-;вием подаваемсго ка вход записи последних кадрового синхронизирую1817843 и = Iog2N, 50

55 щего импульса, где "замораживаются" на время очередного кадра, Таким образом, в грубом измерителе 3 координат обеспечивается измерение координат наиболее яркого элемента изображения точечного источника с погрешностью в один пиксел.

В режиме точного измерения элемент И

23 закрывается управляющим потенциалом с входа 9, и обновление координатной информации в регистрах 24 и 26 прекращается. Следовательно, в течение всей работы устройства в режиме точного измерения координаты на выходе грубого измерителя 3 координат не изменяются.

Работа управляемого генератора 4 окна иллюстрируется временными диаграммами, показанными на фиг.3. Рассмотрим формирование окна по координате Х. Датчиком 32 кода размеров окна задается полуширина окна Л, Зто число подается на входы сумматоров 28 и 29, При этом на первый вход цифрового компаратора 33 приходит число, равное сумме координаты наблюдаемого пятна (в первом приближении она совпадает с координатой центра пятна) и полуширины окна 6 ã.. На второй вход компаратора 33 приходит изменяющаяся во времени текущая координата Х. На первый вход цифрового компаратора 34 подается сумма текущей координаты и полуширины окна Л, в то время как на его второй вход подается значение координаты центра пятна Хо. Входные сигналы компараторов 33 и 34 показаны на фиг.3а.

Сигналы, снимаемые с выходов компараторов 33 и 34, соответствуют условию А>Н, где А и  — числа, подаваемые соответственно на первый и второй входы. На фиг,3в и Зс показаны сигналы на выходах компараторов 33 и 34 соответственно, Логическое умножение этих сигналов на элементе И 37 дает сигнал окна по координате Х (фиг.3d), Таким образом, как видно из фиг,3, формируемый сигйал окна центрирован относительно наблюдаемого изображения точечного источника, Аналогично происходит формирование окна по кадру (координате Y), которое обеспечивается блоками 30, 31, 35, 36 и 38.

Работа точного измерителя 5 координат основана на измерении методом взвешенного суммирования координат центра тяжести наблюдаемого пятна, которое выполняет измеритель 39, При этом на его вход подается аналоговый видеосигнал с выхода ТВ-камеры, Кроме того, на измеритель 39 приходят сигналы окна, внутри которого производится измерение координат. Измеритель координат имеет аналоговые входы, уровень

45 напряжения на которых пропорционален измеряемым координатам Х и Y. Зти аналоговые напряжения при помощи АЦП 40 и 41 преобразуются в цифровые коды, При этом разрядность АЦП должна выбирается из условия где и — число разрядов АЦП, N — число элементов изображения (пикселов) в ТВ-камере.

Регистры 42 и 43 запоминают координатную информацию на время очередного кадра.

Таким образом, погрешность точного измерителя координат практически определяется соотношением размеров окна и ТВ-растра, Пусть, например, ТВ-камера имеет 256х256 элементов изображения, а окно, в пределах которого происходит точное измерение координат, имеет размеры 32х32 элемента. В соответствии с изложенным, разрядность АЦП должна быть равной 8, Тогда перемещение изображения точки на 32 элемента внутри окна будет соответствовать изменению координаты на выходе АЦП на 256 единиц.

Изменение кода на выходе точного измерителя координат на единицу соответствует смещению наблюдаемому иэображению на

32/256, то есть на 1/8 элемента.

Работа формирователя 6 электронной марки основана на сравнении текущих координат Х и У, подаваемых на второй вход цифрового компаратора (число В с координатами, приходящими на первый вход компаратора 46 (число А), При равенстве кодов (А = В) на выходе цифрового компаратора 26 формируется сигнал длительностью в один элемент разложения, В режиме грубого измерения поддействием управляющего потенциала с входа 9 коммутаторы 44 и 45 пропускают на выход информацию с регистров 25 и 27 (выход грубого измерителя 3). В режиме точного измерения коммутаторы 44 и 45 пропускают на выход информацию с регистров 42 и 43 (Bblход точного измерителя 5).

Таким образом, положение формируемой электронной марки определяется в грубом режиме положением наблюдаемого точечного изображения в пределах всего линейного поля наблюдения, а в режиме точного измерения — положением изображения внутри окна, вырезаемого в этом линейном поле, Формирователь 7 измерительных сигналов обеспечивает формирование электронной измерительной сетки для работы в

1817843

10 грубом режиме, а также измерительной сетки и зоны допуска для работы в режиме точного измерения. Информация для отображения на экране ВКУ 8 "зашивается" путем соответствующего программирования в ППЗУ 47 и 48 в виде трех и-разрядных слов: сетка режима грубого измерения, сетка режима точного измерения и зона допуска, Эта информация считывается из ППЗУ

47 и 48 путем подачи на адресные входы

ППЗУ текущих координат Х и Y с выходов счетчиков 18 и 19 соответственно, При этом на выходах ППЗУ 47 формируются вертикальные линии сеток и зоны допуска, а на выходах ППЗУ 48 — горизонтальные линии.

Элементы ИЛИ 49 — 51 объединяют сигналы отображения по вертикали и горизонтали соответственно для измерительной сетки грубого режима, измерительной сетки точного режима и зоны допуска точного режима, В режиме грубого измерения коммутаторы 52 и 53 под действием управляющего потенциала с входа 9 пропускают на выходы сигналы отображения измерительной сетки грубого режима и нулевой потенциал соответственно, В режиме точного измерения на выходы коммутаторов 52 и 53 проходят сигналы отображения измерительной сетки точного режима и зоны допуска соответственно, Сигналы электронной марки, измерительной сетки и эоны допуска смешиваются в сумматоре 54.

Таким образом, в режиме грубого измерения на экране ВКУ 8 отображаются электронная марка и измерительная сетка, а в точном режиме — электронная марка, измерительная сетка точного режима и эона допуска (фиг.4в).

Оценим Выигрыш в точности, которую обеспечит заявляемое устройство. В качестве базы для сравнения используем применяемый в оптических производствах коллиматор

КЮ- t30. Точность контроля децентрировки при работе с этим коллиматором не превышает 10 мкм и определяется, главным образом, тем, что толщина наблюдаемой оптической марки в виде креста нитей примерно равна

10 мкм.

В заявляемом устройстве выбрано линейное поле наблюдения, равное 2,5 мм, что соответствует наибольшей децентрировке склеиваемых линз. В качестве ТВ-камеры используется ПЗС-камера на основе матрицы 1200 ЦМ7, имеющая примерно 256х256 элементов, Таким образом, s режиме грубо- 5 го измерения смещение электронной марки на один элемент соответствует смещению изображения оптической марки на 10 мкм.

В режиме точного измерения при размере окна 32х32 элемента чувствительность к смещению оптической марки повышается в

8 раз, то есть смещение электронной марки на один элемент будет соответствовать смещению оптической марки на 1,25 мкм.

5 Для достижения высоких энергетических характеристик устройства в качестве осветителя коллиматора использован лазерный светодиод ИЛПН-301-1, длина волны излучения которого находится в области

10 максимальной спектральной чувствительности ВЗС-камеры, При этом достигается высокое отношение сигнал-шум на выходе

TB-камеры, что обеспечивает повышение точности при измерении координат изобра15 жения оптической марки.

Формула изобретения

1, Устройство для контроля децентрировки линз, содержащее расположенные на одной оптической оси проекционную опти20 ческую систему, устройство базирования с контролируемой линзой, дополнительнуюлинзу, установленную с возможностью вывода с оптической оси устройства при контроле положительных линз, и коллиматор, включаю25 щий в себя осветитель, датчик оптической марки и объектив, отл ича ю ще ес я тем, что, с целью повышения точности контроля децентрировки склеиваемых линз, в него введены устанавливаемая в плоскость изображе30 ния оптической марки телевизионная камера, видеоконтрольное устройство, грубый измеритель координат, включающий в себя первый аналого-цифровой преобразователь, первый компаратор, первый — пятый регист35 ры, счетчик по координате Х, счетчик по координате "Y", и элемент И, управляемый генератор окна, включающий в себя датчик кода размеров окна, первый — четвертый сумматоры, второй — пятый компараторы, 40 второй и третий элементы И, точный измеритель координат, включающий в себя измеритель координат центра тяжести обьекта, второй и третий аналого-цифровой преобразователь, шестой и седьмой регистры, 45 формирователь электронной марки, включающий в себя первый и второй коммутаторы и шестой компаратор, формирователь измерительных сигналов, включающий в себя первое и второе программируемое посто50 янное запоминающее устройство, первый, второй и третий элементы ИЛИ. третий и четвертый коммутаторы и пятый сумматор, причем видеовыход телевизионной камеры соединен с первым входом измерителя ко5 ординат центра тяжести обаекта и первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен со счетным входом счетчика по координате

Х и выходом тактовой частоты телевизионной камеры, выход строчной синхронизации

1817843

12 которой соединен с установочным входом счетчика по координате Х, со счетным входом счетчика по координате "Y" и входом строчной синхронизации видеоконтрольного устройства, вход кадровой синхронизации которого соединен с входом записи четвертого-седьмого регистров, с выходом кадровой синхронизации телевизионной камеры и установочным входом счетчика по координате У, выход которого соединен с адресным входом второго и рограммируемого постоянного запоминающего устройства, с первыми входами шестого и четвертого компараторов, четвертого сумматора и входом данных второго регистра, выход которого соединен с входом данных пятого регистра, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, первым входом третьего сумматора и первым входом пятого компаратора, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И. выход которого соединен с вторым входом измерителя координат центра тяжести объекта, а второй вход — с выходом четвертого компаратора, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика кода размеров окна, вторым входом четвертого сумматора кода размеров окна, вторым входом четвертого сумматора и первым входом первого и второго сумматоров; выход второго сумматора соединен с первым входом третьего компаратора, à его второй вход соединен с адресным входом первого программируемого постоянного запоминающего устройства, вторым входом шестого компаратора, первым входом второго компаратора, выходом счетчика по координате Х и входом данных первого регистра, выход которого соединен с входом данных четвертого регистра, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора, вторым входом третьего компаратора и вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго компаратора, выход которого соедийен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом третьего компаратора, а выход — с третьим входом измерителя координат цен45

2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что осветитель коллиматора выполнен на основе лазерного светодиода, длина волны излучения которого соответствует максимальной спектральной чувствительности телевизионной камеры. тра тяжести объекта, первый и второй выходы которого соответственно через второй аналого-цифровой преобразователь и wecтой регистр и третий аналого-цифровой и ре5 образователь, седьмой регистр подключены к вторым входам первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами шестого компаратора, выход которого сое10 динен с первым входом пятого сумматора, выход которого соединен с видеовходом видеоконтрольного устройства, а его второй вход — с выходом третьего коммутатора, первый и второй входы которого соединены с выхода15 ми первого и второгоэлементовИЛИсоответственно; первые входы которых соединены с первым и вторым выходами первого программируемого постоянного запоминающего устройства, а их вторые входы — с первым

20 и вторым выходами второго программируемого постоянного запоминающего устройства, третий выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с третьим

25 выходом первого программируемого постоянного запоминающего устройства, а выход — с первым входом четвертого коммутатора, выход которого соединен с третьим входом пятого сумматора, второй вход — с нулевым

30 потенциалом, а вход управления — c входом управления первого, второго и третьего коммутаторов, с входом управления режимом устройства и первым входом первого элемента И, выход которого соединен с вхо35 дами записи первого и второго регистров, а второй вход — с выходом первого компаратора и входом третьего регистра. выход которого соединен с первым входом первого компаратора. второй вход которого соеди40 нен с входом данных третьего регистра и выходом первого аналого-цифрового преобразователя.

1817843

1817843

Груда

ТОК йО

Составитель В.Верещагин

Техред М.Моргентал Корректор М.Петрова

Редактор

Заказ 1740 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская нэб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101