SU1539527A1

SU1539527A1 - Method and apparatus for measuring distance to reflecting surface

Info

Publication number: SU1539527A1
Application number: SU853997154A
Authority: SU
Inventors: Тимур Мустафович Айсин; Александр Иванович Гродников; Юрий Андреевич Лушин; Анатолий Викторович Подобрянский; Валерий Дмитриевич Путилин; Феликс Павлович Хлебников
Original assignee: Предприятие П/Я Р-6670
Priority date: 1985-12-29
Filing date: 1985-12-29
Publication date: 1990-01-30

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике. Цель изобретени - повышение точности измерени . Устройство дл осуществлени способа снабжено генеротором, вспомогательным приводом, блоком выделени первой и второй гармонической составл ющих, источником напр жени , сумматором, блоком делени . 1 з.п.ф-лы.This invention relates to a measurement technique. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy. A device for carrying out the method is provided with a generator, an auxiliary drive, a unit for separating the first and second harmonic components, a voltage source, an adder, a division unit. 1 hp ff.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть исполь- зоввно дл бесконтактного измерени рассто ни до отражающей поверхности , например дл измерени воздушныхThe invention relates to a measurement technique and can be used for contactless measurement of the distance to a reflective surface, for example for measuring airborne

промежутков между оптическими компонентами объектива.gaps between the optical components of the lens.

Цель изобретени - повышение точности измерени .The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy.

На фиг. 1 представлена функциональна схема устройства дл осуществлени предлагаемого способа) на фиг. 2 - схема блока индикации; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов t формируемых на выходах отдельных узлов и блоков устройства.FIG. 1 shows a functional diagram of an apparatus for carrying out the proposed method) in FIG. 2 - diagram of the display unit; in fig. 3 - timing diagrams of signals t generated at the outputs of individual nodes and units of the device.

Устройство содержит оптически св занные блок 1 формировани авто- кйллимационного изображени диафраг- MIJI, состо щий из источника 2 света, диафрагм 3, светоделительного эле- 4, коллимирующего объектива 5 и фокусирующего объектива 6, привод 7, св занный с фокусирующим объек- 6, блок 8 пространственной фильтрации изображени диафрагмы, выполненный в виде анализирующей диафрагмы 9, вспомогательный привод 10, выход которого св зан с анализирующей диафрагмой 9, генератор 11, Йыход которого св зан с входом вспомогательного привода 10, фотоприемник 12, усилитель 13, вход которого подключен к фотоприемнику 12, блок 14 выделени первой и второй гармонических составл ющих, состо щий из Полосовых фильтров 15 и 16, входы Которых подключены к выходу усилите- л 13, детекторов 17 и 18, входы которых подключены к выходам полосовых фильтров 15 и 16, и фильтров 19 и 20 нижних частот, входы которых подключены к выходам детекторов 17 и 18, сумматор 21, первый вход которого подключен к выходу фильтра 19 нижних частот, источник 22 напр жени , выход которого соединен с вторым входом сумматора 21, блок 23 делени , входы которого подключены к выходу сумматора 21 и фильтра 20 нижних частот блок 24 индикации, состо щий из блока 25 нахождени максимума, вход которого подключен к выходу блока 23 делени , триггера 26, счетный вход которого подключен к выходу блока 25 нахождени максимума, элемента И 27, первый вход которого подключен к вых ду триггера 26, блока 28 формировани заполн ющих импульсов, выход которого соединен с вторым входом элемента И 27, счетчика 29, информационный вход которого подключен к выходу Элемента И 27, индикатора 30, вход кторого подключен к выходу счетчика 29, кнопки 31, формировател 32, вход которого св зан с кнопкой 31, а выход соединен с входами установки вThe device contains an optically coupled auto-rylization image forming unit 1 diaphragm MIJI consisting of a source 2 of light, diaphragms 3, a beam-splitting element 4, a collimating lens 5 and a focusing lens 6, a drive 7 connected to a focusing object- 6, block 8 of spatial filtering of the diaphragm image, made in the form of an analyzing diaphragm 9, auxiliary drive 10, the output of which is connected to the analyzing diaphragm 9, generator 11, whose output is connected to the input of the auxiliary drive 10, photodetector 12 , an amplifier 13, whose input is connected to a photodetector 12, a block 14 for selecting the first and second harmonic components, consisting of Bandpass Filters 15 and 16, whose inputs are connected to the output of amplifier 13, detectors 17 and 18, whose inputs are connected to outputs bandpass filters 15 and 16, and filters 19 and 20 low frequencies, whose inputs are connected to the outputs of the detectors 17 and 18, an adder 21, the first input of which is connected to the output of the low-pass filter 19, a voltage source 22, the output of which is connected to the second input of the adder 21, block 23 division, cat inputs connected to the output of the adder 21 and the low-pass filter 20, the display unit 24, consisting of a maximum finding unit 25, whose input is connected to the output of dividing unit 23, a trigger 26, the counting input of which is connected to the output of the maximum finding unit 25, And 27, the first input of which is connected to the output of the trigger 26, the filling pulse shaping unit 28, the output of which is connected to the second input of the element AND 27, the counter 29, whose information input is connected to the output of the element 27, the indicator 30, the input of which is connected to the output account ika 29, buttons 31, shaper 32, the input of which is coupled with the button 31, and an output connected to a set input

5 0 5 5 0 5

00

5five

00

5five

5050

5five

О триггера 26 и установочным входом счетчика 29.About the trigger 26 and the installation input of the counter 29.

Измер етс рассто ние до отражающей поверхности 33.The distance to the reflective surface 33 is measured.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Изображение диафрагмы 3, освещаемой источником 2 света, строитс с помощью полупрозрачного элемента 4, коллимирующего объектива 5, фокусирующего объектива 6, вход щих в блок 1 формировани автоколлимационного изображени диафрагмы, на одной из отражающих поверхностей элемента 33 и в обратном ходе лучей с помощью фокусирующего и коллимирующего объективов 6 и 5 - в плоскости анализа.The image of the diaphragm 3, illuminated by the light source 2, is constructed using a translucent element 4, a collimating lens 5, a focusing lens 6 included in the auto irlix image generation unit 1 on one of the reflecting surfaces of the element 33 and in the reverse direction of the beams using a focusing and collimating lenses 6 and 5 - in the plane of analysis.

Генератор 11 формирует импульсы, поступающие на вспомогательный привод 10, осуществл ющий колебани анализирующей диафрагмы 9.The generator 11 generates pulses arriving at the auxiliary drive 10, oscillating the analyzing diaphragm 9.

Анализирующа диафрагма 9 проводит пространственную фильтрацию изображени диафрагмы 3, сформированного от отражающей поверхности элемента 33.The analyzing diaphragm 9 conducts spatial filtering of the image of the diaphragm 3 formed from the reflecting surface of the element 33.

При перемещении приводом 7 фокусирующего объектива 6 после анализирующей диафрагмы 9 формируетс модулированный по интенсивности световой - поток, величина которого достигает максимального значени при совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с плоскостью отражающей поверхности элемента 33.When the actuator 7 moves the focusing lens 6 after the analyzing diaphragm 9, an intensity-modulated light stream is formed, the value of which reaches its maximum value when the image plane of the diaphragm 3 is aligned with the plane of the reflecting surface of the element 33.

Световой поток, прошедший через анализирующую диафрагму 9, преобразуетс фотоприемником 12 в электрический сигнал, усиливаемый усилителем 13.The luminous flux transmitted through the analyzing diaphragm 9 is converted by the photodetector 12 into an electrical signal amplified by the amplifier 13.

Перва гармоническа составл юща электрического сигнала выдел етс полосовым фильтром 15, вход щим в блок 14 выделени первой и второй гармонических составл ющих, детектируетс детектором 17, сглаживаетс фильтромThe first harmonic component of the electrical signal is detected by the bandpass filter 15, which is included in the block 14 for selecting the first and second harmonic components, is detected by the detector 17, smoothed by filter

19нижних частот и поступает на первый вход сумматора 21, на .второй вход которого поступает напр жение смещени с источника 22 напр жени . Сигнал с выхода сумматора 21 поступает на вход Делитель блока 23 делени .19 and the lower frequencies are fed to the first input of the adder 21, the second input of which receives the bias voltage from the voltage source 22. The signal from the output of the adder 21 is fed to the input of the Divider unit 23 division.

Втора гармоническа составл юща электрического сигнала выдел етс полосовым фильтром 16, детектируетс детектором 18, сглаживаетс фильтромThe second harmonic component of the electrical signal is extracted by the band-pass filter 16, detected by the detector 18, smoothed by the filter

20нижних частот. Сигнал с выхода фильтра 20 нижних частот поступает на вход Делимое блока 23 делени .20 lower frequencies. The signal from the output of the low-pass filter 20 is fed to the input of the Divisible division block 23.

При перемещении приводом 7 фокусирующего объектива 6 происходит перемещение плоскости изображени диафрагмы 3 относительно отражающей (поверхности элемента 33. При приближении плоскости изображени диафрагмы 3 к отражающей поверхности элемента 33 амплитуда гармонической составл ющей электрического сигнала, частота которой равна частоте сканировани анализирующей диафрагмы 9, вначале возрастает до максимального значени , затем убывает и становитс равной нулю при совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с плоскостью отражающей поверхности элемента 33.When the actuator 7 moves the focusing lens 6, the image plane of the diaphragm 3 moves relative to the reflective (surface of the element 33. When the image plane of the diaphragm 3 approaches the reflecting surface of the element 33, the amplitude of the harmonic component of the electrical signal, whose frequency is equal to the scanning frequency of the analyzing diaphragm 9, initially increases to maximum value, then decreases and becomes equal to zero when the image plane of the diaphragm 3 is aligned with the plane reflecting 33 minutes element surface.

При дальнейшем перемещении плоскости изображени диафрагмы 3 относительно плоскости отражающей поверхности элемента 33 амплитуда первой гармонической составл ющей электрического сигнала вновь возрастает, а затем убывает.With further movement of the image plane of the diaphragm 3 relative to the plane of the reflecting surface of element 33, the amplitude of the first harmonic component of the electrical signal increases again and then decreases.

При приближении плоскости изображени диафрагмы 3 к плоскости отражающей поверхности элемента 33 амплитуда второй гармонической составл ющей электрического сигнала возрастает и достигает максимального значени при совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с плоскостью отражающей поверхности элемента 33. При дальнейшем перемещении плоскости изображени диафрагмы 3 относител но плоскости отражающей поверхности элемента 33 амплитуда второй гармонической составл ющей электрического сигнала начинает уменьшатьс .When the image plane of the aperture 3 approaches the plane of the reflecting surface of the element 33, the amplitude of the second harmonic component of the electrical signal increases and reaches its maximum value when the image plane of the diaphragm 3 coincides with the plane of the reflecting surface of the element 33. When the image plane of the diaphragm 3 moves further relative to the plane of the reflecting surface of the element 33, the amplitude of the second harmonic component of the electrical signal begins to decrease.

Блок 23 делени осуществл ет деление сигнала, пропорционального амплитуде второй гармонической составл ющей , на сигнал, св занный с амплитудой первой гармонической составл ющей . Сигнал, снимаемый с выхода блока 23 делени , имеет максимальную величину при совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с плоскостью отражающей поверхности элемента 33. Источник 22 необходим дл ограничени выходного сигнала блока 23 делени при обращении в ноль первой гармонической составл ющей. Крутизна нарастани и спада сигнала на выходе блока 23 делени выше крутизны спада и нарастани амплитуд первой и второй гармонических составл ющих сигнала, снимаемого с фотоприемника 12.Dividing unit 23 divides a signal proportional to the amplitude of the second harmonic component into a signal related to the amplitude of the first harmonic component. The signal taken from the output of dividing unit 23 has a maximum value when the image plane of diaphragm 3 is aligned with the plane of the reflecting surface of element 33. Source 22 is necessary to limit the output signal of dividing unit 23 when zeroing the first harmonic component. The slope of the rise and fall of the signal at the output of dividing unit 23 is higher than the steepness of the falloff and the rise of the amplitudes of the first and second harmonic components of the signal taken from the photodetector 12.

00

5five

00

Сигнал, формируемый блоком 23 делени , поступает на вход блока 25 нахождени максимума, вход щего в блок 24 индикации.The signal generated by the dividing unit 23 is fed to the input of the maximum finding unit 25 included in the indication unit 24.

При перемещении фокусирующего объектива 6 приводом 7 и совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с первой отражающей поверхностью элемента 33 блок 25 нахождени максимума формирует импульсный сигнал, поступающий на счетный вход триггера 26. На выходе триггера 26 формируетс сигнал 1, поступающий на первый вход элемента И 27, на второй вход которого поступают импульсные сигна- |лы с блока 28 формировани заполн ющих импульсов. На выходе элемента И 27 начинает формироватьс последовательность импульсов.When the focusing lens 6 is moved by the actuator 7 and the image plane of the diaphragm 3 is aligned with the first reflective surface of the element 33, the maximum-finding unit 25 generates a pulse signal arriving at the trigger input 26. A signal 1 is generated at the output of the trigger 26, And the second input of which receives pulse signals from the block 28 of the formation of filling pulses. At the output of the element 27, a pulse train begins to form.

При совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с второй отражающей поверхностью элемента 33 блок 25 нахождени максимума формирует второй 5 импульсный сигнал. При этом триггер 26 перебрасываетс в состо ние О, Последовательность импульсов на выходе элемента И 27, число которых подсчитываетс счетчиком 29, прекращаетс , а индикатор 30 фиксирует результат , накопленный в счетчике 29, пропорциональный с определенным масштабным коэффициентом рассто нию между отражающими поверхност ми элемента 33. Масштабный коэффициент определ етс путем установки элемента 33 с аттестованным рассто нием между отражающими поверхност ми.When the image plane of the aperture 3 is aligned with the second reflective surface of the element 33, the maximum finding unit 25 forms the second 5 pulse signal. In this case, the trigger 26 is transferred to the state O, the pulse sequence at the output of the element 27, the number of which is counted by the counter 29, stops, and the indicator 30 records the result accumulated in the counter 29, proportional with a certain scale factor to the distance between the reflective surfaces of the element 33 The scale factor is determined by installing an element 33 with a certified distance between reflective surfaces.

Перед началом измерений фокусирующий объектив 6 перемещаетс приводом 7 в положение, при котором плоскость изображени диафрагмы 3 не совпадает с плоскост ми отражающих поверхностей элемента 33 и находитс вне элемента 33.Before starting the measurements, the focusing lens 6 is moved by the actuator 7 to a position where the image plane of the diaphragm 3 does not coincide with the planes of the reflecting surfaces of the element 33 and is outside the element 33.

Удвоенна амплитуда сканировани анализирующей диафрагмы 9 выбираетс в пределах ширины расфокусировочной кривой, например, равной ширине расфокусировочной кривой на уровне, равном половине максимального значени электрического сигнала.The doubled scanning amplitude of the analyzing diaphragm 9 is chosen within the width of the defocusing curve, for example, equal to the width of the defocusing curve at a level equal to half the maximum value of the electrical signal.

Диафрагма 3 и анализирующа диафрагма 9 могут быть выполнены в виде щелевых диафрагм.The diaphragm 3 and the analyzing diaphragm 9 can be made in the form of slit diaphragms.

Скорость перемещени фокусирующего объектива 6 намного ниже скорости сканировани анализирующей диафрагмы 9.The speed of movement of the focusing lens 6 is much lower than the scanning speed of the analyzing diaphragm 9.

00

5five

00

5five

При измерении рассто ни до отражающих поверхностей многокомпонентных оптических систем, например объетивов , возможно выполнение блока индикации (фиг. 2) в виде индикатора 30, подключенного к выходу блока 23 делени , и блока 28 формировани , св занного с приводом 7.When measuring the distance to the reflecting surfaces of multicomponent optical systems, for example, it is possible to perform the display unit (Fig. 2) as an indicator 30 connected to the output of the dividing unit 23 and the forming unit 28 associated with the drive 7.

При совмещении плоскости изображени диафрагмы 3 с отражающей повер н|эстью элемента 33 на выходе блока 23 делени формируетс максимальный сигнал, который индицируетс индикатором 30.When the image plane of the diaphragm 3 is aligned with the reflecting pivot | estyu of element 33, the maximum signal is generated at the output of the dividing unit 23, which is indicated by the indicator 30.

При этом фиксируетс пространственное положение привода 7 с помощью блока 28 формировани .In this case, the spatial position of the actuator 7 is fixed by means of a formation unit 28.

При перемещении привода 7 последовательно фиксируютс рассто ни до отражающих поверхностей элемента 33 многокомпонентной оптической системы. Использование устройства позвол ет повысить точность измерени рассто ний до отражающей поверхности объекта за счет повышени крутизны инфор- (рационного сигнала, характеризующего моменты фокусировани изображени тест-объекта на отражающую поверхность объекта.When the actuator 7 is moved, the distances to the reflecting surfaces of the element 33 of the multicomponent optical system are successively fixed. The use of the device makes it possible to increase the accuracy of measuring the distance to the reflecting surface of an object by increasing the steepness of the information signal (a characteristic signal characterizing the moments of focusing the image of the test object on the reflecting surface of the object.

..

ЕЙ1IT1

Фив.1Thebes 1

юYu

1515

Claims

1. The method of measuring the distance to the reflecting surface, which consists in moving the image of test objects in the direction of the measured distance, spatial filtering of the autocollimation image of the test object with conversion into an electrical signal, fixing the spatial position of the image of the test object judging the measured distance, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurements, they scan the autocollimation image of the test object in the direction of yaemogo distances, emit a first harmonic component electrical signal of frequency equal to the frequency scanning, emit a second harmonic component of the electric

. the signal with a frequency equal to twice the scanning frequency, find the ratio of the amplitudes of the second harmonic

2

ί component to the first harmonic component ι when reaching the relation

the amplitudes of the threshold or maximum value, fix the spatial position of the test object.

2. A device for measuring the distance to a reflective surface, containing an optically coupled diaphragm autocollimation image forming unit with a drive, a spatial filtering unit for an autocollimation diaphragm image, a photodetector, a display unit, characterized in that it is equipped with a generator, auxiliary drive, to improve measurement accuracy, the input and output of which are connected respectively with the generator and the spatial filtering unit of the autocollimation image of the diaphragm, the output block the first and second harmonic components, whose input is connected to a photodetector, a voltage source, an adder, whose inputs are connected to the first output of the first and second harmonic components selection unit and a voltage source, a division unit, whose inputs are connected to the second output of the allocation unit first d 'second harmonic components> and the output of the adder, the output of the division unit is connected to the input of the display unit.

ЗЦ ...... 1539527 A1