Измеритель углов (варианты)

 

Измеритель углов может быть использован в фотоэлектрических и визуальных приборах для измерения углов, угловых координат и угловых перемещений, основанных на методах геометрической оптики. Измеритель углов содержит тест-объект и оптическую систему, формирующую изображение тест-объекта в плоскости анализатора координат изображения, который измеряет линейные координаты изображения. Анализатором изображения может быть автоматическое фотоэлектрическое устройство или шкала для определения координат изображения оператором. Оптическая система построена так, что линейное положение формируемого изображения зависит от углового положения какого-либо или каких-либо элементов оптической системы, которые связаны с контролируемым объектом. Для одновременного увеличения точности и диапазона измеряемых углов анализатор содержит пространственно периодическую структуру, а тест-объект выполнен в виде пространственно периодической структуры, дополненной маркой. Периодическая структура анализатора может быть образована расположением фотоприемных областей или растром или участками выборки изображения в процессе его сканирования. Периодическая структура тест-объекта может быть образована набором излучателей или растром с системой подсветки. Марка выделяется из периодической структуры размерами или яркостью излучения или профилем пространственного распределения яркости или нарушения периода периодической структуры. Координаты марки дают обычный для таких устройств отсчет, а комбинационное взаимодействие периодических структур тест-объекта и анализатора формирует дополнительный отсчет нониусного типа. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к приборам для неконтактного прямого измерения углов, угловых координат и угловых перемещений, конкретнее к оптическим и оптико-электронным измерителям углов коллимационного, автоколлимационного и авторефлексионного типа. Оно может быть использовано также в приборах для геометрических или оптико-физических измерений, использующих преобразование измеряемой величины в угол.

Известны измерители углов, базирующиеся на методах геометрической оптики. Эти методы основаны на формировании изображения тест-объекта в плоскости анализа, линейное положение которого связано по известному закону с угловым положением контролируемого объекта. Такие измерители содержат в своем составе тест-объект, оптическую систему, у которой часть компонентов связана с контролируемым объектом, и анализатор изображения. Оптическая система формирует изображение тест-объекта в приемной плоскости анализатора координат изображения. Угловые развороты компонентов оптической системы, связанных с контролируемым объектом, приводят к линейному сдвигу изображения тест-объекта.

Линейное положение изображения при этом измеряется анализатором координат изображения, представляющим собой либо шкалу или другое устройство, с помощью которого оператор измеряет координаты изображения, либо фотоэлектрический блок для автоматического измерения координат. К таким методам относятся, в частности, коллимационный, автоколлимационный и авторефлексионный методы измерения углов.

На фиг. 1 показан автоколлимационный метод определения углов ([1] стр. 32). Излучение от излучающего тест-объекта 1 формируется в параллельный пучок коллимационным объективом 2, отражается автоколлимационным элементом 3 обратно в объектив и фокусируется в его фокальной плоскости в виде изображения 4. С контролируемым объектом в данном методе связан автоколлимационный элемент.

В случае использования в качестве автоколлимационного элемента плоского зеркала, смещение изображения связано с углом взаимного разворота коллиматора и зеркала формулой tg(2ω) = yʹ/fʹ. В качестве автоколлимационного элемента может использоваться плоское зеркало или другой оптический элемент, способный отражать параллельный пучок по какому-либо закону (например, тетраэдрический светоотражатель [2]). Как правило, такие элементы применяются для масштабирования коэффициента связи угла разворота контролируемого объекта и угла разворота пучка.

На фиг. 2 изображена упрощенная схема отечественного цифрового фотоэлектрического автоколлиматора ([1] стр. 343). Пучок лучей от источника излучения 5 собирается конденсором 6 в плоскости тест-объекта в виде щелевой марки 1, установленной в фокальной плоскости объектива 2, потом отражается от полупрозрачного зеркала 7, попадает в объектив 2 и формируется им в параллельный пучок, отражающийся контрольным элементом 3 в обратном направлении. Этот параллельный пучок лучей фокусируется объективом 2 в плоскости щели виброщелевого анализатора изображения 8, проецируя туда изображение марки 6. При этом пучок лучей проходит через полупрозрачное зеркало 7. Модулированный виброщелевым анализатором 8 поток излучения от марки 6 попадает на фотоприемник 9, установленный за анализатором, далее сигнал обрабатывается анализатором координат изображения 10.

На фиг. 3 изображен прототип [3]. Излучение от тест-объекта в виде излучающего диода 1 формируется коллимационным объективом 2 в параллельный пучок и попадает на плоское зеркало 3, связанное с контролируемым объектом. Отраженный от зеркала параллельный пучок попадает обратно на коллимационный объектив и фокусируется на дифференциальном фотоприемнике 9, электрически связанном с анализатором координат изображения 10. Координаты изображения тест-объекта определяются угловым положением плоского зеркала и не зависят от линейных перемещений зеркала. Электронный блок анализатора координат изображения измеряет координаты пятна по распределению воспринимаемой энергии на площадках фотоприемника.

Недостатком известных типов измерителей является низкая точность и малый диапазон измеряемых углов.

Эти характеристики измерителей определяются, прежде всего, возможностями анализатора координат изображения. Любой тип анализатора координат изображения имеет предельное для этого типа пространственное разрешение и предельный диапазон измеряемых величин, ограниченные различными физическими причинами.

В некоторых пределах, точность и диапазон измеряемых углов измерителя, для выбранного анализатора изображения, можно взаимно "обменивать", изменяя фокусные расстояния оптики или конструктивные параметры автоколлимационного элемента, однако одновременно повышать точность и диапазон углов нельзя. Поэтому для оценки возможностей измерителя по точности и диапазону целесообразно ввести термин "число измеряемых отсчетов", под которым понимается отношение диапазона измеряемых величин к точности измерения. "Числом измеряемых отсчетов" можно характеризовать как сам измеритель, так и его анализатор изображения (применительно к линейным величинам).

При отсутствии жестких требований по диапазону измеряемых углов точность ограничивается конечной точностью измерения линейной координаты изображения анализатором изображения и предельными допустимыми габаритами оптической системы.

Для автоколлимационного метода, например, предельное угловое разрешение dW связано с линейным разрешением анализатора dY через фокусное расстояние коллиматора: tg(2dW) = dY'/f'. Очевидно, что при определенном dY точность будет расти (dW -уменьшаться) с увеличением фокусного расстояния. Однако фокусное расстояние нельзя увеличивать до бесконечности, т.к. оно с одной стороны ограничено разумными габаритами измерителя, с другой стороны - через дифракционные и энергетические ограничения связано с диаметром объектива, который также не может быть бесконечно большим из-за технологических и габаритных ограничений.

При наличии требований по диапазону измеряемых углов W, точность ограничивается числом измеряемых отсчетов анализатора координат изображения N: dW= W/N. Так, например, для автоматического анализатора, реализованного на фотоприемнике в виде линейки из 1024 элементов, для точечного изображения, предельное количество измеряемых отсчетов составляет 1024 отсчета, предельная точность измерения угла при заданном диапазоне измеряемых углов W соответственно - W/1024. Если использовать неточечное изображение с последующей цифровой обработкой типа "взвешивание" центра тяжести сигнала, то удается достичь точности до десятых долей элемента ([4] стр. 59), что для выпускаемых в настоящее время линейных фотоприемников, по-видимому, является пределом. Количество измеряемых отсчетов составит, для такого метода и линейки из 1024 элементов, несколько тысяч отсчетов. При использовании фотоприемника в виде матрицы чувствительных элементов, для тест-объекта в виде полосы с определенным профилем яркости удается повысить точность (в долях элемента) за счет усреднения измеренной координаты по столбцам или строкам. В целом, учитывая, что линейки в настоящее время содержат до 4000 элементов, а матрицы до 1000х1000 (зарубежные) эти разновидности метода "взвешивания" дают близкие результаты. Таким образом, число измеряемых отсчетов в известных измерителях, использующих многоэлементные фотоприемники, пропорционально числу элементов в направлении измеряемой координаты.

Итак, точность и диапазон измеряемых углов измерителя лимитируются точностью измерения линейных величин и числом измеряемых линейных величин.

Поставленная задача решается тем, что использованием комбинационного взаимодействия периодических структур с одной стороны увеличивается точность измерения линейных величин, с другой стороны - увеличивается число измеряемых отсчетов для одного и того же типа анализатора.

Для этого используются анализатор изображения, содержащий периодическую структуру (например, линейку фотоприемников) или дополненный такой структурой (например, растром из периодических полос, размещаемым в плоскости изображения тест-объекта), и тест-объект, выполненный в виде растра, содержащего ряд периодических полос и марку. Период полос растра должен быть такой, чтобы его изображение (с учетом увеличения оптики) образовывало с периодической структурой анализатора комбинационное взаимодействие нониусного типа.

Для иллюстрации образования комбинационного взаимодействия периодической структуры растра с периодически расположенными элементами фотоприемной линейки, на фиг. 4 а) показано наложение изображения растра в виде периодических полос на фоточувствительные элементы. Размер элементов, в данном примере, равен 0,5 периода расположения. Период изображения растра отличается на малое значение от периода расположения элементов в фотоприемной линейке (в данном примере, период расположения элементов меньше периода изображения полос, но может отличаться и в большую сторону). Если изображение полос на фотоприемнике расположено так, что полностью засвечивается светлой полосой первый фоточувствительный элемент, то элементы в середине линейки, в результате накапливающегося смещения расположения элементов относительно соответствующих полос из-за отличия в периодах, будут затемнены (на этом чертеже и далее более освещенным участкам изображения условно соответствует более темный тон). Соответствующий профиль электрического сигнала U, в функции линейной координаты, показан на фиг. 4 б) (повернут на 90^o для соотнесения с изображением растра в плоскости фотоприемной линейки). Фиг. 4 в) демонстрирует наложение изображения растра на линейку с малым зазором между элементами, характерным для фотоприемников с зарядовой связью; фиг. 4 г) и д) - соответствующие профили сигналов с нечетных (г) и четных (д) элементов. Сигналы с четных и нечетных элементов показаны отдельно потому, что их огибающие находятся в данном варианте в противофазе.

Полученный в результате взаимодействия периодических структур фотоприемника и растра комбинационный сигнал перемещается с большей скоростью, чем изображение растра. При смещении изображения растра на 0,1 периода фотоприемника комбинационный сигнал перемещается на 0,1 длины линейки, а при смещении изображения на один период комбинационный сигнал в форме горба перемещается на всю длину линейки и принимает прежний вид (фиг. 5). При смещении изображения растра на величины, кратные периоду T фотоприемной линейки (T·N), профиль сигнала соответствует нулевому положению. У обычно используемых тест-объектов, не образующих комбинационного взаимодействия, для соответствующего перемещения сигнала требуется перемещение изображения на 0,1 длины линейки и на всю линейку соответственно, т.е. большее во столько раз, сколько имеется элементов в линейке. Измеренная координата комбинационного сигнала в пропорции к длине фотоприемной линейки соответствует перемещению изображения тест-объекта на соответствующую долю периода расположения элементов.

Таким образом, тест-объект в форме периодических полос, с малым отличием периода d= T/N (или d<T/N), в плоскости изображения, от периода T фотоприемной линейки, содержащей N элементов, позволяет повысить точность измерения угла при равном числе измеряемых отсчетов анализатора и равном фокусном расстоянии в N раз. Диапазон измеряемых углов при этом уменьшится тоже в N раз. Такой растр соответствует п.4 формулы изобретения.

Для увеличения числа измеряемых отсчетов, тест-объект по п.1 формулы изобретения содержит, кроме растра, дополнительно, марку, перемещение изображения которой приводит к равному перемещению сигнала по фотоприемнику (т.е. обычного, не комбинационного типа). В таком тест-объекте, марка формирует сигнал грубого отсчета (соответствующий перемещению изображения на целое число периодов расположения элементов фотоприемной линейки), а комбинационное взаимодействие анализатора с растром формирует сигнал точного отсчета (соответствующий перемещению на доли периода). Суммарный сигнал, таким образом, будет содержать информацию о перемещении изображения в периодах и долях периода.

Один из вариантов тест-объекта, выполненного в виде полутонового транспаранта, содержащего периодические полосы и марку, отличающуюся от полос повышенным коэффициентом пропускания и большей шириной, показан на фиг. 6: в) профиль коэффициента пропускания транспаранта; а) изображение транспаранта, наложенное на фотоприемник; б) соответствующий профиль сигнала на фотоприемной линейке. В данном примере сигнал от марки больше комбинационного по амплитуде, и может быть автоматически выделен от него как цифровым, так и аналоговым устройством.

Фиг. 7 а) иллюстрирует изменения профиля сигнала на линейке из 50-ти элементов при пяти последовательных смещениях изображения транспаранта на 0,2 периода фоточувствительных элементов линейки, б) при пяти последовательных смещениях на 5 периодов. Как видно из чертежа, в случае малых подвижек а) неподвижен грубый отсчет, в случае б) неподвижен точный отсчет.

Использование одновременно грубого и точного отсчетов позволяет повысить число измеряемых отсчетов измерителя при одном и том же числе отсчетов анализатора. Допустим, что используется фотоприемная линейка из 1000 элементов, приведенный в примере растр и точность измерения координаты анализатором на линейке составляет для протяженного и малоразмерного сигнала 1 элемент (реально точность для протяженного сигнала выше, но в данном примере это не существенно). Тогда, для известного измерителя точность измерения линейной координаты изображения составит 1 элемент, число измеряемых отсчетов 1000, для измерителя с тест-объектом из периодических полос 0,001 и 1000 соответственно, а для тест-объекта из полос и марки 0,001 и 1000000. Таким образом, в известных измерителях число измеряемых угловых отсчетов пропорционально числу измеряемых отсчетов анализатора изображения, а в заявляемом измерителе число измеряемых отсчетов пропорционально квадрату числа отсчетов анализатора (число грубых отсчетов х число точных отсчетов).

Кроме изображенной полосатой периодической структуры, тест-объект может иметь и любую другую периодическую структуру, обеспечивающую формирование требуемого комбинационного сигнала.

На фиг. 8 показан пример структуры, периодической в двух ортогональных направлениях, которая дает возможность контролировать углы по 2 координатам. Фиг. 8 а) иллюстрирует изображение двухмерной структуры в приемной плоскости анализатора с матричным фотоприемником; фиг. 8 б) с линейным фотоприемником в одном из 2 приемных каналов.

Двухмерная структура может быть также криволинейной, например в тех измерителях, где имеет место поворот изображения тест-объекта в процессе его перемещения.

Тест-объект может иметь также две периодические структуры для контроля углов по двум координатам.

Фиг. 9 иллюстрирует изображение подобного тест-объекта в приемной плоскости анализатора с двумя линейными фотоприемниками.

Тест-объект может быть выполнен любым известным способом, например в виде подсвечиваемых прорезей на листовом материале или покрытий с переменным коэффициентом пропускания на прозрачной подложке или зеркальной, или, напротив, в виде зеркального покрытия на непрозрачной подложке.

Тест-объект также может быть выполнен в виде набора периодически расположенных источников излучения (например, линейка или матрица светодиодов).

В тех вариантах, где структура с маркой не являются сами по себе источниками излучения, в состав тест-объекта могут входить источник излучения и оптическая осветительная система.

Марка может быть реализована любым способом, обеспечивающим ее идентификацию на фоне комбинационного сигнала автоматическим анализирующим устройством или оператором. Для этого могут быть использованы следующие способы выделения марки: коэффициент пропускания (отражения, излучения) марки существенно выше или ниже соответствующего коэффициента периодических элементов растра; ширина марки существенно отличается от периода полос; профиль коэффициента пропускания (отражения, излучения) содержит характерные модуляции.

Очевидно, что эти способы могут быть комбинированы. В показанном, например, на фиг. 6 в) тест-объекте, марка отличается большей шириной и большим коэффициентом пропускания в сравнении с периодическими полосами. Для того, чтобы марка такого типа не исчезала в промежутках между дискретными элементами фотоприемника или полосами анализирующего растра, размер ее изображения в общем случае не должен быть менее одного периода в плоскости анализа (это не строгое ограничение).

Марка может быть выполнена в виде ступеньки в коэффициенте пропускания (отражения, излучения) полос растра и/или фона. На фиг. 10 показаны профили растра с 3 вариантами ступеньки.

Марка также может быть выполнена в виде одного или нескольких локальных нарушений периодичности растра - фиг. 11 а) профиль коэффициента пропускания растра без нарушений периодичности, б) однократное нарушение периодичности, при котором левая и правая части растра "смещены" относительно друг друга, в) двойное нарушение периодичности, при котором левая и правая части растра являются единым растром, а средняя небольшая часть смещена относительно них.

Фиг. 11 г), д) и e) - соответствующие профили сигналов с фотоприемника. В растрах а), б) и в) части "сдвинуты", но периоды в разных частях одинаковы. Кроме показанных нарушений периодичности в виде "сдвига", могут быть использованы изменения в виде отличия периодов в разных частях растра, а также комбинация этих видов. Марки в виде нарушений периодичности удобны тем, что не требуют дополнительных уровней коэффициента пропускания (отражения, излучения), кроме тех, что используются для формирования периодических полос.

Тест-объект может содержать несколько марок. Наличие отличимых друг от друга марок позволяет дополнительно увеличить диапазон измеряемых углов (или уменьшить требуемое количество дискретных отсчетов анализатора). Расстояние между марками должно обеспечивать попадание в приемную плоскость анализатора изображения хотя бы одной марки. Отличительные признаки марки при этом позволят распознать участок диапазона углов, которому соответствует видимая марка. Марки могут отличаться друг от друга количеством полос в каждой марке или любыми вышеописанными способами.

В качестве анализатора координат изображения может использоваться либо электронный блок для автоматического измерения координат, либо шкальное устройство для измерения координат оператором.

Автоматический анализатор может содержать периодическую структуру в виде расположения фотоприемных областей или расположения участков считывания изображения в процессе пространственного сканирования фотоприемником, а может быть дополнен такой структурой - например растром, наложенным на фотоприемную область или оптически связанным с ней.

Электронный блок для автоматического анализа координат по сигналам от фотоприемника может иметь аналоговую, цифровую или аналого-цифровую реализацию. В качестве такого блока может использоваться также отдельная ЭВМ.

Очевидно, что одновременное использование грубого и точного отсчета, а также набора марок может использоваться не только для увеличения диапазона измерения углов, но и для снижения требуемого количества дискретных отсчетов анализатора при равном диапазоне. Если анализатор использует многоэлементный фотоприемник, это позволяет использовать более дешевые фотоприемники с меньшим количеством элементов и, кроме того, повысить частоту измерений, которая в общем случае обратно пропорциональна числу элементов фотоприемника.

Период изображения периодической структуры тест-объекта отличается от периода структуры анализатора координат на величину, равную или меньшую отношения периода к числу используемых анализатором периодов (T/N). В случае, когда отличие равно указанному отношению, на N периодах анализатора размещается полный период комбинационного сигнала и профиль его соответствует показанному на фиг. 6 и 7. В случае когда отличие меньше отношения T/N, вмещается только часть периода комбинационного сигнала, которая тем не менее достаточна для точного отсчета, а профиль соответствует части полного профиля.

Пункты 2 и 5 формулы защищают измеритель, в котором размер изображения тест-объекта меньше размера рабочей области анализатора. В этом случае комбинационный сигнал формируется не на всем анализаторе, а лишь в той его части, в которой размещается в данный момент изображение тест-объекта. Края комбинационного сигнала ("окно сигнала") перемещаются с той же скоростью, что и грубый отсчет, а фаза - так же, как в пп.1 или 2. При использовании краев комбинационного сигнала в качестве грубого отсчета нет также необходимости в использовании специальной марки для этой цели.

Под этот же пункт формулы попадает вариант измерителя, в котором формируется несколько периодов комбинационного сигнала. В этом варианте сигнал точного отсчета содержит несколько "горбов". Определение положения точного отсчета здесь производится в следующей последовательности: рабочее пространство анализатора разбивается на участки, равные периоду комбинационного сигнала; для каждого участка определяется положение точного отсчета; конечный результат для точного отсчета определяется усреднением результатов по участкам.

Оба указанных варианта рассматриваются автором как второстепенные или обходные и поэтому выделены в отдельный пункт формулы.

П.п. 3 или 6 формулы изобретения оговаривают, что для образования комбинационного взаимодействия может использоваться период, кратный периоду физической структуры анализатора или тест-объекта. Такой вариант может иметь место, например, в случае когда фоточувствительные площадки в линейном фотоприемнике объединяются в группы. Сигналы с элементов в одной группе суммируются. Перегруппированная таким образом линейка эквивалентна линейке с меньшим числом элементов и с большим периодом расположения их. Аналогичные перегруппировки возможны и в тест-объекте.

На фиг. 1 дана схема автоколлимационного метода измерения углов, где 1 - тест-объект в виде марки, 2 - коллимационный объектив, 3 - контрольный элемент в виде плоского зеркала, 4 - изображение тест-объекта.

На фиг. 2 дана упрощенная схема отечественного цифрового фотоэлектрического автоколлиматора, где 1 - тест-объект в виде щелевой марки, 2 - объектив, 3 - контрольный элемент в виде плоского зеркала, 5 - источник излучения, 6 - конденсор, 7 - полупрозрачное зеркало, 8 - виброщелевой сканер анализатора изображения, 9 - фотоприемник, 10 - электронный блок анализатора координат изображения.

На фиг. 3 показан измеритель - прототип, где 1 - тест-объект в виде излучающего диода, 2 - коллимационный объектив оптической системы, 3 - контрольный элемент в виде плоского зеркала, связанного с контролируемым объектом, 9 - дифференциальный фотоприемник анализатора координат изображения, 10 - электронный блок анализатора координат изображения.

На фиг. 4 а) наложение изображения растра в виде периодических полос на фотоприемную линейку с большим зазором между элементами; б) профиль электрического сигнала U в функции линейной координаты X в результате взаимодействия структур, изображенных на фиг. а); в) наложение изображения растра на линейку с малым зазором между элементами, характерным для фотоприемников с зарядовой связью; г) профиль электрического сигнала U на четных элементах, в функции линейной координаты X в результате взаимодействия на фиг. в); д) профиль электрического сигнала U на нечетных элементах, в функции линейной координаты X в результате взаимодействия на фиг. в).

На фиг. 5 изображена огибающая комбинационного сигнала для смещений изображения растра на TN+0.1T, TN+0.5T, где T - период фотоприемных элементов, N - целое число.

На фиг. 6 а) наложенное на фотоприемник изображение тест-объекта, содержащего периодические полосы и марку, отличающуюся от полос повышенным коэффициентом пропускания и большей шириной;
б) соответствующий профиль сигнала U(X) на фотоприемной линейке;
в) профиль коэффициента пропускания тест-объекта.

На фиг. 7 а) даны изменения профиля сигнала на линейке из 50-ти элементов при пяти последовательных смещениях изображения тест-объекта на 0,2 периода фоточувствительных элементов линейки;
б) изменения профиля сигнала на линейке из 50-ти элементов при пяти последовательных смещениях на 5 периодов.

На фиг. 8 дан пример наложения изображения тест-объекта со структурой периодической в двух ортогональных направлениях на фотоприемник анализатора:
а) анализатор с матричным фотоприемником;
б) анализатор с линейным фотоприемником в одном из каналов.

На фиг. 9 - изображение тест-объекта для измерения по двум координатам, наложенное на два линейных фотоприемника анализатора координат изображения.

На фиг. 10 - профили тест-объекта в виде растра с тремя вариантами ступеньки коэффициента пропускания (отражения, излучения).

На фиг. 11 изображены профили коэффициента пропускания (отражения, излучения) тест-объекта в виде растра и соответствующих сигналов:
а) профиль растра без нарушений периодичности;
б) однократное нарушение периодичности, при котором левая и правая части растра "смещены" относительно друг друга;
в) двойное нарушение периодичности, при котором левая и правая части растра являются единым растром, а средняя небольшая часть смещена относительно них;
г), д) и e) - соответствующие профили сигналов с фотоприемника.

На фиг. 12 дана схема автоколлимационного варианта заявленного измерителя, где 1 - тест-объект в виде транспаранта, 2 - коллимационный объектив оптической системы, 3 - автоколлимационный элемент оптической системы в виде плоского зеркала, 5 - источник излучения тест-объекта, 6 - конденсор тест-объекта, 9 - фотоприемная линейка анализатора координат изображения, 10 - электронный блок анализатора координат изображения.

На фиг. 13 даны варианты измерителя со сканистором с непрерывной фоточувствительной областью:
а) анализирующий растр наложен на сканистор;
б) анализирующий растр расположен в фокальной плоскости приемного объектива, а сканистор оптически связан с ним через дополнительный объектив.

1 - тест-объект в виде транспаранта, 2 - коллимационный объектив оптической системы, 3 - автоколлимационный элемент оптической системы в виде плоского зеркала, 5 - источник излучения тест-объекта, 6 - конденсор тест-объекта, 9 - фотоприемник анализатора координат изображения в виде сканистора, 10 - электронный блок анализатора координат изображения, 11 - растр анализатора координат изображения, 12 - объектив анализатора координат изображения.

На фиг. 14 дан вариант измерителя со сканированием изображения одноэлементным фотоприемником при помощи оптико-механического сканера, где 1 - тест-объект в виде транспаранта, 2 - коллимационный объектив оптической системы, 3 - автоколлимационный элемент оптической системы в виде плоского зеркала, 5 - источник излучения тест-объекта, 6 - конденсор тест-объекта, 9 - одноэлементный фотоприемник анализатора координат изображения, 11 - растр анализатора координат изображения, 12 - объектив анализатора координат изображения, 13 - оптико-механический сканер анализатора координат изображения в виде колеблющегося зеркала.

На фиг. 15 дана структурная схема автоколлимационного визуального варианта заявленного измерителя, где 1 - тест-объект в виде транспаранта, 2 - коллимационный объектив оптической системы, 3 - автоколлимационный элемент оптической системы в виде плоского зеркала, 5 - источник излучения тест-объекта, 6 - конденсор тест-объекта, 7 - светоделитель оптической системы, 11 - растр с измерительной шкалой анализатора координат изображения, 14 - окуляр анализатора координат изображения, 15 - анализатор координат изображения в виде глаза оператора.

На фиг. 12 показана структурная схема автоколлимационного варианта заявленного измерителя, включающего в себя (по ходу излучения) тест-объект в виде транспаранта с изображением периодического растра и марки 1, систему подсветки транспаранта, в составе источника излучения 5 и конденсора 6, оптическую систему, состоящую из коллимационного объектива 2 и автоколлимационного элемента в виде плоского зеркала 3, и автоматический анализатор координат изображения, состоящий из фотоприемной линейки 9 и электронного измерительного блока 10.

Излучение от подсвеченного транспаранта 1 формируется коллимационным объективом 2 в параллельный пучок излучения. Параллельный пучок, попадая на плоское зеркало 3, связанное с контролируемым объектом, отражается под некоторым углом, зависящим от углового положения контролируемого объекта. Отраженный параллельный пучок фокусируется объективом 2, образуя изображение тест-объекта в плоскости фотоприемной линейки, линейная координата которого связана с разворотом контролируемого элемента, электронный блок анализатора координат изображения 10 преобразовывает световой сигнал на фотоприемной линейке, имеющий вид функции яркости от линейной координаты, в электрический сигнал, в виде функции напряжения от времени, отделяет сигнал грубого отсчета от сигнала точного отсчета по уровню или крутизне фронта, и определяет координаты каждого в отдельности. Затем измеренные координаты грубого и точного отсчета суммируются с учетом весового коэффициента сигнала точного отсчета (в долях периода) и, при необходимости, пересчитываются в угол, с учетом фокусного расстояния приемного объектива, и выдаются на индикатор или в другое устройство.

Возможны как цифровая, так и аналоговая и аналого-цифровая реализации электронного блока. В качестве электронного блока или его компонента может быть использована также ЭВМ. Кроме фотоприемной линейки или матрицы, могут быть использованы и другие анализаторы изображения. Если анализатор изображения не содержит, сам по себе, периодической структуры, то она может быть введена в одну из плоскостей изображения в виде растра.

На фиг. 13 изображены варианты схемы, использующие сканистор с непрерывным считыванием сигнала с фотоприемной поверхности, при этом на а) анализирующий растр наложен на сканистор, а на б) анализирующий растр расположен в фокальной плоскости приемного объектива, а сканистор оптически связан с ним через дополнительный объектив (в этом варианте - две плоскости изображения тест-объекта, в одной размещен анализирующий растр, в другой - сканистор). Сканисторы дискретного типа могут использоваться таким же образом как и многоэлементные фотоприемники - без дополнительного растра. Многоэлементные фотоприемники также могут использовать дополнительный анализирующий растр.

Фиг. 14 иллюстрирует вариант со сканированием изображения одноэлементным фотоприемником 9 при помощи оптико-механического сканера в виде колеблющегося зеркала 13. Для приемника с непрерывным считыванием сигнала в данной схеме используется дополнительный растр 11, оптически связанный с приемником объективом 12. Если выборка сигнала происходит дискретно, в фиксированных участках дополнительный растр излишен.

Очевидно, что возможны и иные варианты электронного и оптико-механического сканирования.

На фиг. 15 изображен визуальный автоколлимационный вариант измерителя. Излучение от подсвеченного источником 5 с помощью конденсора 6 транспаранта 1 формируется коллимационным объективом 2 в параллельный пучок излучения. Параллельный пучок, попадая на плоское зеркало 3, связанное с контролируемым объектом, отражается под некоторым углом, зависящим от углового положения контролируемого объекта. Отраженный параллельный пучок фокусируется объективом 2 и проходит через светоделитель 7, образуя изображение тест-объекта в плоскости анализирующего растра со шкалой 11, линейная координата которого связана с разворотом контролируемого элемента. Через окуляр 14 оператор 15 считывает положение марки и положение комбинационного сигнала относительно шкалы.

Периодические структуры тест-объекта и анализатора визуального варианта могут иметь реализацию, предназначенную для получения комбинационного сигнала в виде модуляции светового потока, а могут иметь и реализацию в виде двух групп тонких полос, которые совпадают по положению только в месте точного отсчета, подобно нониусному отсчету в штангенциркуле.

В заявленном измерителе могут быть использованы автоколлимационный, коллимационный или авторефлексионный варианты оптической системы. Оптическая система может содержать любые известные решения: светоделители, раздельные объективы для излучения и приема излучения, промежуточные плоскости изображения и связывающие их объективы, коммутаторы каналов и т.п. Могут быть также использованы любые известные автоколлимационные элементы.

Библиография
1. Д. А.Аникст, К.М.Константинович, И.В.Меськин, Э.Д.Панков, Ю.М.Парвулюсов, В. П. Солдатов, В.С.Титов, М.В.Хорошев, Ю.Г.Якушенков. "Высокоточные угловые измерения". Под ред. Ю.Г.Якушенкова. М.: Машиностроение. 1987.

2. С. В. Процко, А.Д.Титов, Б.Ю.Ханох, А.П.Хапалюк. "Автоколлимационные свойства световозвращателей в форме трехгранных углов". Известия ВУЗов "Приборостроение" N 6, 1988 г.

3. В.М.Марахонов, В.П.Горохов, В.В.Гусаков, Б.Х.Колодин, В.П.Белокуров, А.О.Олеск. "Оптоэлектронные датчики линейных и угловых перемещений". Приборы и системы управления, N 6, 1986 г., стр. 14.

4. Л.И.Хромов, Н.В.Лебедев, А.К.Цыцулин, А.К.Куликов. "Твердотельное телевидение". М.: Радио и связь, 1986 г.

Мараханов В. М. и др. Оптоэлектронные датчики линейных и угловых перемещений. - Приборы и системы управления, 1986, N 6, с. 14.

SU 125892A, 04.02.60.

EP 0414559A2, 27.02.91.

Формула изобретения

1. Измеритель углов, угловых перемещений и угловых координат, состоящий из тест-объекта, оптической системы и анализатора координат изображения, оптически связанных так, что линейные координаты изображения тест-объекта в анализаторе зависят от углового положения хотя бы одного из компонентов оптической системы, связанного с контролируемым объектом, отличающийся тем, что анализатор содержит периодическую структуру, образованную расположением фотоприемных областей, или растром, или участками выборки изображения в процессе его сканирования, или любой комбинацией из перечисленного, тест-объект содержит периодическую структуру, образованную набором излучателей или растром с системой подвески, и хотя бы одну марку, выделяющуюся из периодической структуры размерами, или яркостью излучения, или профилем распределения яркости, или нарушениями периода периодической структуры, или любой комбинацией из перечисленного, причем период изображения периодической структуры тест-объекта в анализаторе отличается от периода периодической структуры анализатора хотя бы в одном направлении на величину, не превышающую отношения периода периодической структуры анализатора к числу используемых анализатором периодов.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что период изображения периодической структуры тест-объекта в анализаторе отличается от периода периодической структуры анализатора хотя бы в одном направлении на величину, не превышающую 1/4 периода структуры анализатора.

3. Измеритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочий период периодической структуры анализатора координат изображения и/или тест-объекта состоит из нескольких периодов его физической структуры.

4. Измеритель углов, угловых перемещений и угловых координат, состоящий из тест-объекта, оптической системы и анализатора координат изображения, оптически связанных так, что линейные координаты изображения тест-объекта в анализаторе зависят от углового положения хотя бы одного из компонентов оптической системы, связанного с контролируемым объектом, отличающийся тем, что анализатор содержит периодическую структуру, образованную расположением фотоприемных областей, или растром, или участками выборки изображения в процессе его сканирования, или любой комбинацией из перечисленного, а тест-объект содержит периодическую структуру, образованную набором излучателей или растром с системой подсветки, причем период изображения периодической структуры тест-объекта в анализаторе отличается от периода периодической структуры анализатора хотя бы в одном направлении на величину, не превышающую отношения периода периодической структуры анализатора к числу используемых анализатором периодов.

5. Измеритель по п.4, отличающийся тем, что период изображения периодической структуры тест-объекта в анализаторе отличается от периода периодической структуры анализатора хотя бы в одном направлении на величину, не превышающую 1/4 периода структуры анализатора.

6. Измеритель по п.4 или 5, отличающийся тем, что рабочий период периодической структуры анализатора координат изображения и/или тест-объекта состоит из нескольких периодов его физической структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15