Оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике. Оптическое устройство позволяет повысить точность измерения. Сущность изобретения: пучок света от лазера через фокусирующее свет приспособление направляется на измеряемую поверхность. Отраженный поверхностью свет попадает в проекционную оптическую систему и через оптический блок преобразования светового пятна в световой плоский пучок - на оптоэлектронный приемник, электрически соединенный с электронным формирователем сигнала дальности. За счет оптического сопряжения оптической оси фокусирующего приспособления со светочувствительной плоскостью оптоэлектронного приемника, линия расположения светочувствительных элементов которого перпендикулярна плоскости преобразования оптического блока, и расположения оптической оси фокусирующего приспособления в направлении биссектрисы максимального угла, образуемого нормалями к измеряемой поверхности, увеличивается точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим средствам измерения расстояний от поверхности до исходной точки.

Известно устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки [1] содержащее источник излучения света, приемник и электронный блок формирования сигнала, зависящего от расстояния поверхности от источника излучения.

Недостаток устройства состоит в сложности реализации электронного блока при измерении малых расстояний и низкая точность измерения.

Наиболее близким техническим решением является оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки [2] содержащее лазер с фокусирующим свет приспособлением, проекционную оптическую систему, оптоэлектронный приемник, к которому электрически подключен электронный формирователь дальности в зависимости от места расположения светового пятна лазера на оптоэлектронном приемнике.

Недостаток устройства состоит в низкой точности из-за того, что световое пятно на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника имеет, в основном, одинаковую величину внутри участка нерезкости (размытости), вследствие чего при измерении расстояний, близких к максимальным, внутри этого участка освещенность возрастает от краев к центру пятна, что приводит к неоднозначному определению электронным формирователем границы светового пятна в пределах участка нерезкости, а это снижает точность измерения. Кроме того, линия перемещения центра пятна без проведения предварительной дорогостоящей юстировки, как правило, не совпадает с линией расположения чувствительных элементов на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника, что приводит к неполному попаданию или непопаданию вовсе светового пятна на элементы чувствительности, вследствие чего снижается точность измерений.

Цель изобретения повышение точности достигается тем, что устройство снабжено оптическим блоком преобразования светового пятна лазера в плоский пучок, установленным перед оптоэлектронным приемником таким образом, что плоскость преобразования блока перпендикулярна линии, вдоль которой расположены светочувствительные элементы приемника, светочувствительная плоскость которого оптически сопряжена с оптической осью фокусирующей системы, расположенной с возможностью ориентации ее оптической оси в направлении биссектрисы максимального угла, образуемого нормалями к измеряемой поверхности.

На фиг.1 представлена структурная схема оптического устройства; на фиг.2 показано расположение светового пятна на оптоэлектронном приемнике; на фиг.3 изображена проекционная оптическая система с оптическим блоком преобразования светового пятна в световой плоский пучок и ход лучей.

На фиг.1 лазер 1 через фокусирующее свет приспособление 2 формирует пучок света на поверхность 3. Последовательно скомпанованы проекционная оптическая система 4 для изображения светового пятна лазера 1, оптический блок 5 преобразования светового пятна лазера в световой плоский пучок и оптоэлектронный приемник 6, к которому подключен электронный формирователь 7 сигнала дальности в зависимости от места расположения светового пятна лазера 1 на оптоэлектронном приемнике 6.

Оптическое устройство работает следующим образом.

Лазер 1 через фокусирующее свет приспособление 2 формирует пучок света, направленный на поверхность 3. Отраженный поверхностью 3 свет попадает в проекционную оптическую систему 4 и через оптический блок 5 на оптоэлектронный приемник 6. Проекционная оптическая система 4 представляет собой однолинзовый объектив (фиг. 3), а оптический блок 5 выполнен в виде астигматической поверхности линзы, осуществляющей преобразование светового пятна от пучка лазера 1 в световой плоскости пучок. В зависимости от места расположения светового пятна на оптоэлектронном приемнике 6 электронный формирователь 7 вырабатывает соответствующий электрический сигнал.

Оптоэлектронный приемник 6 представляет собой линейную фоточувствительную схему с зарядовой связью, сигналы которой преобразуются электронным формирователем 7 в соответствии с диаграммой работы фоточувствительной схемы с зарядовой связью, в электрический сигнал дальности.

Светочувствительная плоскость оптоэлектронного приемника 6 оптически сопряжена с оптической осью фокусирующего приспособления 2, т.е. расположена в плоскости изображения оси светового пучка, что значительно улучшает точность оптического устройства.

Оптический блок 5 (фиг.3) представляет собой цилиндрическую поверхность астигматической линзы, причем, образующая этой поверхности перпендикулярна линии расположения чувствительных элементов оптоэлектронного приемника 6. Оптический блок 5 осуществляет преобразование светового пятна от пучка лазера 1 в световой плоский пучок M'N' (фиг.3) на расстоянии от главной плоскости линзы (место изображения светового пятна от пучка лазера 1).

Оптическая ось фокусирующего приспособления 2 расположена в направлении биссектрисы максимального угла, образованного нормалями к измеряемой поверхности 3. Предполагаем, что измеряемая поверхность имеет такую форму, что нормаль к этой поверхности изменяется от вертикального расположения до горизонтального и наоборот. Тогда максимальный угол между нормалями 2α 90^o. Пусть 00 продольная ось оптического устройства проходит через главную точку проекционной оптической системы 4 в вертикальном направлении. Оптическая ось фокусирующего приспособления 2 расположена под углом a 45^o к оси 00 и совпадает с направлением биссектрисы максимального угла 2α, образованного нормалями к измеряемой поверхности. Такое направление оптической оси фокусирующего приспособления 2 позволяет одинаково эффективно измерять расстояния как до вертикально, так и горизонтально расположенных поверхностей.

Оценим влияние на точность измерения формы пятна на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника. Если пятно имеет форму круга (фиг.2,а) и перемещение его центра не совпадает с линией r расположения чувствительных элементов на оптоэлекронном приемнике из-за конструктивных особенностей оптического устройства, то при измерении различных расстояний положение пятна будет смещаться относительно линии r, что приводит к неполной засветке отдельных чувствительных элементов и снижению освещенности этих элементов до уровня E_п. В этих условиях неполностью освещенные чувствительные элементы будут работать неустойчиво, что снижает точность измерения.

Определим возможную область Dl неполной засветки чувствительных элементов при заданном их поперечном размере h. Если d диаметр пятна, то в соответствии с фиг.2 Если пятно имеет форму вытянутого прямоугольника (фиг.2,б), то при том же несовпадении линии перемещения центра пятна с линией r чувствительные элементы будут засвечиваться полностью, что не приведет к снижению точности оптического устройства.

Оценим влияние угла α между осью 00 и оптической осью фокусирующего приспособления при измерении различных поверхностей, нормаль к которым лежит в пределах угла 2α. Освещенность пятна E на поверхности зависит от угла n между оптической осью фокусирующего приспособления и нормалью к поверхности в месте падения пучка лазера. Эту зависимость можно представить в виде E = E_mcosν где E_m освещенность поверхности при ν 0. При a 45^o (оптическая ось фокусирующего приспособления расположена в направлении биссектрисы максимального угла, образованного нормалями к измеряемой поверхности, изменяющимися от вертикального до горизонтального расположения) угол n изменяется в пределах (-45^o, 45^o), т.е. при всех значениях ν. Если a ≠45^o, то угол n изменяется в пределах -α, 90°-α. В известном решении (2) угол a 0^o. В этом случае при измерении расстояний до поверхностей, для которых выполняется условие E_mcosν < E_п погрешность измерения будет определяться шириной пятна d_m, т.е.

Δ_mcosν = K_id_m Например, при d_m 0,3 мм ΔR_i≃ 2,1 мм.

Предлагаемое оптическое устройство улучшает точность измерения.

Формула изобретения

1. Оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки, содержащее лазер, последовательно установленные по ходу излучения фокусирующую оптическую систему и оптоэлектронный приемник и электрически с ним связанный электронный формирователь сигнала дальности, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим блоком преобразования светового пятна лазера в плоский пучок, установленным перед оптоэлектронным приемником таким образом, что плоскость преобразования блока перпендикулярна линии вдоль которой расположены светочувствительные элементы приемника, светочувствительная плоскость которого оптически сопряжена с оптической осью фокусирующей системы, расположенной с возможностью ориентации ее оптической оси в направлении биссектрисы максимального угла, образуемого нормалями к измеряемой поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический блок преобразования светового пятна выполнен в виде астигматической линзы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3