Отсчетная система и ее варианты

 

Использование: в оптических измерительных устройствах, в геодезическом приборостроении, в теодолитах, нивелирах и в координатно - расточных станках и делительных головках. Сущность изобретения: для повышения точности отсчета по штриховым делениям шкал используется ПЗС матрица с трансверсальным способом отсчитывания. Для этого светочувствительные элементы и изображения деления шкалы на соседних строках выполняют с регулярным взаимным смещением вдоль строки, а положение изображения деления шкалы определяют с учетом величины регулярного смешения и расстояния между соседними строками светочувствительных элементов. Для получения регулярного смешения предполагается использовать взаимные развороты делений и строк фотоэлементов, а также анаморфотную систему для наклона изображения деления шкалы относительно строк. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптическим измерительным устройствам, преимущественно к геодезическому приборостроению, и может быть использовано в теодолитах, нивелирах, а также в координатно-расточных станках и делительных головках.

Известно использование трансверсалей для отсчетов по измерительным линейным и угловым шкалам (1). В них положение изображения штриха шкалы определяется с помощью делений отсчетного устройства, смещенных относительно начального деления в продольном и поперечном направлениях на регулярные величины, составляющие обычно десятые и сотые доли интервала между штрихами шкалы.

Обеспечивая достаточно высокую точность отсчетов, трансверсали не дают возможности автоматизировать процесс измерений, что является существенным недостатком их применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является отсчетная система (2). В отсчетной системе нивелира имеется оптическая система (объектив нивелира), изображающая деления перемещаемой перед ней шкалы (деления нивелирной рейки) на установленный в сопряженной со шкалой плоскости многоэлементный фотоприемник с регулярным однострочным расположением светочувствительных элементов (ПЗС линейка с 256 элементами). Положение изображения деления шкалы на строке фотоприемника определяется по электрическим сигналам от светочувствительных элементов с учетом величины шага этих элементов.

Высокая точность отсчитывания получается за счет проекции на ПЗС - линейку большого числа штрихов шкалы рейки (от десятков при расстояниях порядка 3 м, до сотен при расстояниях 100 м). Необходимым для отсчета является положение одного деления, остальные являются избыточными, за счет которых и повышается точность отсчитывания.

Кроме того, толщина штрихов на рейке сделана переменной, что снижает ошибку отсчитывания, т.к. затенение соседних светочувствительных элементов ПЗС линейки также является переменной величиной и исключается влияние промежутков между светочувствительными элементами. В результате обработки всех отсчетов в компьютере приведенная ошибка отсчитывания горизонтального направления в прототипе составляет около 0,01 величины светочувствительного элемента.

Недостатком этой отсчетной системы является то, что она не дает высокой точности отсчитывания при наличии всего одного штриха в поле зрения прибора, как это бывает в угломерных устройствах.

Ошибка измерения координат одиночного штриха составляет в лучшем случае величину 0,1 элемента фотоприемника при расфокусировке штриха на четыре соседних элемента ПЗС линейки. Это соответствует при той же линейке и делениях лимба через 20 угловых минут ошибке в 0,5 угловых секунд, что недостаточно для теодолитов высокой точности. Кроме того, неоднородность чувствительности элементов может достигать 10 что в два раза увеличивает возможную величину ошибки, т.е. до 1 угловой секунды, что соответствует точности отсчетов теодолитов средней точности. Высокоточным теодолитам требуется 0,1 с.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности отсчитывания положения одиночного штриха за счет трансверсального способа отсчитывания, что обеспечивает повышение точности отсчитывания, в том числе и нескольких штрихов, спроектированных объективом на фотоприемник.

Этот результат достигается тем, что усовершенствуется отсчетная система оптического измерительного прибора, содержащая оптическую систему, изображающую деления перемещаемой перед ней шкалы на установленной в сопряженной плоскости многоэлементном фотоприемнике с регуляторным однострочным расположением светочувствительных элементов, причем положение изображения деления шкалы на строке фотоприемника определяется по электрическим сигналам от светочувствительных элементов с учетом величины шага этих элементов.

Отличительными признаками отсчетной системы являются введение установленных в сопряженной плоскости дополнительных многоэлементных фотоприемников с регуляторным строчным расположением светочувствительных элементов, причем светочувствительные элементы и изображение деления шкалы на соседних строках выполнены с регулярным взаимным смещением вдоль строки на величину "р", а положение изображения деления шкалы определяется с учетом величины регулярного взаимного смещения и расстояния между соседними строками светочувствительных элементов.

По второму варианту выполнения устройства фотоприемники могут составлять "m" групп по (n) параллельных строк в группе с шагом "k" между элементами и шагом "l" между строками фотоэлементов, а регулярное смещение изображения деления шкалы и светочувствительных элементов на соседних строках составляет величину p k/n + 1 или p k/n 1. Деления шкалы могут быть выполнены в виде сплошных прямых линий, а их изображения и строки элементов фотоприемников могут быть развернуты относительно друг друга на углы (90^o + c) или (90^o c), где с arctg p/1.

Кроме того, деления шкалы могут быть установлены ортогонально направлению перемещения шкалы, а строки многоэлементных фотоприемников установлены параллельно направлению перемещения шкалы. Между шкалой и фотоприемником в этом случае устанавливается анаморфотная оптическая система, ось трансформирования размеров изображения у которой развернута относительно направления перемещения шкалы таким образом, что направление изображения оси деления шкалы составляет со строками фотоприемников угол (90^o + c) или (90^o c).

Таким образом, предложенная отсчетная система соответствует критерию "новизна".

Не обнаружено технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, других технических решений в данной области. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1-5 показаны примеры выполнения отсчетной системы и ее элементов: 1 подложка шкалы, 2 объектив, 3 многоэлементный приемник в плоскости, сопряженной с плоскостью шкалы, 4 анаморфотная система, причем 4(1), 4(2) и 4(3) возможные положения анаморфотной системы, 5 расстояние от объектива до предметной плоскости, 5' расстояние от сопряженной плоскости изображения, 6 деления шкалы, 7 изображения делений в плоскости фотоприемников.

На фиг. 1 показана принципиальная оптическая схема отсчетной системы. Свет от шкалы, расположенной на подложке 1, идет в сторону объектива 2 на расстояние 5. Подложка 1 может быть прозрачной и тогда свет проходит ее насквозь. Она может быть непрозрачной с рассеивающей поверхностью, на которой нанесены штрихи. После объектива свет от шкалы проходит расстояние 5' и создает в сопряженной плоскости на фотоприемниках 3 изображение штрихов. В случае использования анаморфотной системы 4 она может быть установлена: 1) между шкалой 1 и объективом 2 в положении 4(1); 2) между объективом 2 и фотоприемниками 3 в положении 4(2); 3) входить в состав объектива 2, т.е. занимать положение 4(3). Положение 4(2) предпочтительно используется при наличии визуального контроля, когда после объектива 2 часть света через светоделитель (не показанный на фиг. 1) поступает в окуляр и глаз наблюдателя.

На фиг. 2 показано шесть вариантов возможного исполнения штрихов: а) в виде ступенчатой линии, б) в кусочно-линейной форме, в) в виде прямой линии, г) в виде наклонной на угол "о" линии, д) в виде линии с угловым изломом, е) разнотолщинной линии.

На фиг. 3 показан вариант исполнения шкалы на лимбе угломерного прибора, в котором деления 6 нанесены не по радиусам, а по касательным к внутренней окружности кругового кольца, наружная окружность которой является делительной окружностью лимба, что соответствует варианту "г" возможного исполнения.

Возможны и другие варианты исполнения, не противоречащие сущности изобретения, включая расфокусировку изображения штриха на соседние элементы фотоприемника.

На фиг. 4 показано взаимное положение строк трех фотоприемников 3 и изображений делений шкалы 7. Фиг. 4а показывает положение трех фотоприемников, у которых начало строк находится на одной прямой, ортогональной строкам, и кусочно-линейного деления шкалы, состоящего из смещенных друг от друга линейных участков 7(1), 7(2) и 7(3). Расфокусировка не требуется.

Фиг. 4б показывает положение сплошного прямого штриха 7 ортогонального направлению строк фотоприемников и трех фотоприемников 3(1), 3(2) и 3(3), у которых начало строк смещено относительно прямой, ортогональной строкам на разные величины. Ширина штриха 7 принята равной размеру элемента строки.

Случай наклонного положения штриха относительно строк фотоприемников, совпадающих с направлением перемещения шкалы и случай наклоненных относительно этого перемещения строк фотоприемника при штрихе, ортогональном перемещению, показаны на фиг. 5а и 5б.

Отсчетная система работает следующим образом. Изображение шкалы с подложки 1 проектируется объективом 2 на фотоприемники 3, образуя на них изображение делений 7. На фиг. 3 показан случай, когда число строк фотоприемников n 3, взаимный сдвиг изображения делений 7 и светочувствительных элементов фотоприемников 3 составляет p 1/2 от размера элемента фотоприемника. На первой (нижней) строке изображение деления 7 затеняет по половине элементов 1.3 и 1.4, поэтому сигналы от этих элементов составят 0,5 от полного сигнала, поступающего от незатененных элементов 1.1, 1.2, 1.5. Во второй (средней) строке изображение деления 7 полностью затеняет элемент 2.3, оставляя незатененными элементы 2.1, 2.2, 2.4 и 2.5. Третья (верхняя) строка дает сигналы 0,5 от полного сигнала для элементов 3.2 и 3.3 и полные сигналы от элементов 3.1, 3.4 и 3.5. Из фиг. 3 видно, что для приведенного случая расстояние от начала координат можно определить по первой строке как 3,0 x k, по второй как 2,5 х k и по третьей как 2,0 х k. Учтем смещение p k x 0,5 для второй строки и смещение p 2 (k x 0,5) k для третьей строки и прибавим их как постоянные слагаемые к полученным выше расстояниям от начала координат. Тогда получаются три значения, равные 3,0 х k. Так же, как и в прототипе, одно значение отсчета является необходимым, а два остальные избыточными, позволяющими повышать точность измерений. Особенно большое число избыточных отсчетов получается при использовании ПЗС матрицы с большим числом строк. Например, при матрице с числом элементов, равным 192 х 256, т.е. с таким же, как у прототипа числом элементов, вдоль строки, избыточных измерений получается не меньше, чем у прототипа, но используется всего одно деление шкалы. При этом матрица может быть разделена на m 19 групп по n 10 параллельных строк в группе (две крайние строки используются для других целей).

Благодаря регулярному смещению изображения деления шкалы относительно светочувствительных элементов отсчет по каждой строке не только дает другое соотношение электрических сигналов, что делает их независимыми друг от друга, но и исключает влияние промежутков между светочувствительными элементами, как и в прототипе, но при постоянной толщине штриха. Естественно, что и в заявляемом изобретении может использоваться переменная толщина штриха ("е" на фиг. 2). В результате обработки отсчетов в компьютере точность отсчитывания, приведенная к одному элементу строки, может быть сделана равной 0,01 и меньше. Дополнительным путем повышения точности может быть расфокусировка, использование которой здесь не рассматривается.

Таким образом, поставленная цель полностью достигается. Технико-экономическое преимущество отсчетного устройства заключается в возможности уменьшения числа делений шкалы. Например, деления лимба теодолита могут делаться не через 20 угловых минут, а через 1^o, что в 3 раза уменьшает сроки нанесения делений на лимб, являющейся одной из самых дорогостоящих операций по изготовлению оптических элементов теодолита.

Формула изобретения

1. Отсчетная система оптического измерительного прибора, содержащая проекционную оптическую систему, в пространстве предметов которой расположена шкала с делениями, а в сопряженной плоскости пространства изображений установлен многоэлементный фотоприемник с регулярным строчным расположением светочувствительных элементов с шагом К между элементами, отличающаяся тем, что в нее введены установленные в сопряженной плоскости дополнительные многоэлементные фотоприемники, идентичные первому, составляющие n параллельных строк с шагом l между строками, причем светочувствительные элементы на соседних строках расположены с регулярным взаимным смещением на величину р по направлению, параллельному шкале.

2. Отсчетная система оптического измерительного прибора, содержащая проекционную оптическую систему, в пространстве предметов которой расположена шкала с делениями, а в сопряженной плоскости пространства изображений параллельно шкале с делениями установлен многоэлементный фотоприемник с регулярным строчным расположением светочувствительных элементов с шагом К между элементами, отличающийся тем, что в него введены установленные в сопряженной плоскости дополнительные многоэлементные фотоприемники, идентичные первому, составляющие m групп по n параллельных строк с шагом l между строками, а между шкалой и фотоприемником установлена анаморфотная оптическая система, развернутая вокруг оптической оси проекционной системы, так что отклонение изображения шкалы составляет со строкой первого фотоприемника угол, равный arc tg K/l (n+1) или arc tg K/l (n-1).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5