двухканальный оптико-электронный автоколлиматор

Формула изобретения

Двухканальный автоколлиматор, содержащий два канала, причем основной канал выполнен из объектива, светоделительной призмы и осветителя, оптическая ось которого расположена по ходу луча, отраженного от гипотенузной грани светоделительной призмы, при этом осветитель состоит из последовательно расположенных от светоделительной призмы автоколлимационной марки, конденсора и источника света; дополнительный канал расположен параллельно оси осветителя основного канала, но по другую сторону от светоделительной призмы, и состоит из последовательно расположенных от нее дополнительного объектива и плоского зеркала, отличающийся тем, что в дополнительный канал введен второй осветитель, расположенный по отношению к светоделительной призме со стороны осветителя основного канала и выполненный аналогично этому осветителю, причем ось дополнительного канала смещена относительно оси осветителя основного канала, и оба осветителя оптически сопряжены с одной гипотенузной гранью светоделительной призмы, а в фокальной плоскости объектива основного канала расположена линейка ПЗС фотоприемного устройства, кроме того на светоделительную призму установлены поглощающие пластины, одна из которых расположена на внешней грани светоделительной призмы со стороны дополнительного объектива в месте пересечения с ней оптической оси осветителя основного канала, а другая - на внешней грани светоделительной призмы со стороны объектива основного канала в месте пересечения с ней отраженного излучения от осветителя дополнительного канала, а на противоположной грани светоделительной призмы в месте пересечения с этой же осью установлена дополнительная призма, изменяющая направление оси дополнительного канала с целью приведения автоколлимационного изображения этого канала на общую линейку фотоприемного устройства, при этом угол излома оптической оси дополнительного канала определяется по формуле:

где а - расстояние между оптической осью дополнительного канала и внешней гранью светоделительной призмы со стороны фотоприемного устройства;

К - расстояние между центрами автоколлимационных марок основного и дополнительного каналов;

S' - расстояние между плоскостью фотоприемного устройства и внешней гранью светоделительной призмы со стороны фотоприемного устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к углоизмерительным системам, и может быть использовано в автоколлиматорах с источником излучения в ближней ИК-области спектра и фотоприемным устройством типа прибора с зарядовой связью (ПЗС).

Известно автоколлимационное устройство (например, в а.с. №1506419, СССР, МПК G02B 27/30, опубликованном в 1989 г.), в котором с целью расширения функциональных возможностей наряду с основным каналом для формирования автоколлимационного изображения марки введен дополнительный канал путем расположения за общим объективом двух наклонных полупрозрачных зеркал, развернутых относительно друг друга на угол 90°. В результате этого при одном источнике излучения автоколлимационное устройство может работать на два раздельных приемника излучения: глаз наблюдателя через окуляр основного канала и собственно приемник в дополнительном канале. Существенным недостатком компоновки дополнительного канала в данном устройстве является низкий коэффициент пропускания обоих каналов из-за применения второго наклонного полупрозрачного зеркала и наклонной плоскопараллельной пластины.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является визирное автоколлимационное устройство по а.с. СССР №969103, МПК G02B 23/00, опубликованное в 1984 г., содержащее в основном канале телеобъектив, светоделительную призму, автоколлимационный окуляр с отсчетным узлом и осветитель, выполненный из источника света, конденсора и автоколлимационной марки. Дополнительный канал (механизм совмещения) выполнен в виде дополнительного объектива и плоского зеркала и расположен за светоделительной призмой соосно с осветителем. Между светоделительной призмой и объективом дополнительного канала установлена вдвижная заслонка для устранения посторонних изображений и рассеянного света. При работе основного канала в режиме автоколлимации вдвижная заслонка должна полностью перекрывать излучение от осветителя на объектив дополнительного канала, что является недостатком компоновки каналов в данном устройстве, так как требует установки механизма перемещения заслонки, что ведет к увеличению габаритов, удорожанию устройства и снижению надежности его работы.

Задачей изобретения является создание оптико-электронного автоколлиматора с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, уменьшение габаритов при высоком качестве изображения.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый оптико-электронный автоколлиматор, содержащий два канала, причем основной канал выполнен из объектива, светоделительной призмы и осветителя, оптическая ось которого расположена по ходу луча, отраженного от гипотенузной грани светоделительной призмы, при этом осветитель состоит из последовательно расположенных от светоделительной призмы автоколлимационной марки, конденсора и источника света; дополнительный канал, расположен параллельно оси осветителя основного канала, но по другую сторону от светоделительной призмы и состоит из последовательно расположенных от нее дополнительного объектива и плоского зеркала, в отличие от известного в дополнительный канал введен второй осветитель, расположенный по отношению к светоделительной призме со стороны осветителя основного канала и выполненный аналогично этому осветителю, при этом ось дополнительного канала смещена относительно оси осветителя основного канала и оба осветителя оптически сопряжены с одной гипотенузной гранью светоделительной призмы. В фокальной плоскости объектива основного канала расположена линейка фотоприемного устройства. В предлагаемом автоколлиматоре в отличие от известного в дополнительный канал введен второй осветитель, расположенный по отношению к светоделительной призме со стороны осветителя основного канала и выполненный аналогично этому осветителю, при этом ось дополнительного канала смещена относительно оси осветителя основного канала и оба осветителя оптически сопряжены с одной гипотенузной гранью светоделительной призмы. В фокальной плоскости объектива основного канала расположена линейка фотоприемного устройства. В предлагаемом автоколлиматоре в отличие от известного для устранения посторонних изображений и рассеянного излучения при работе каналов используются поглощающие пластины, установленные на светоделительную призму, одна из которых расположена на внешней грани светоделительной призмы со стороны дополнительного объектива в месте пересечения с ней оптической оси осветителя основного канала, а другая - на внешней грани светоделительной призмы со стороны объектива основного канала в месте пересечения с ней отраженного излучения от осветителя дополнительного канала. На противоположной грани светоделительной призмы в месте пересечения с этой же осью установлена дополнительная призма, изменяющая направление оси дополнительного канала с целью приведения автоколлимационного изображения этого канала на общую линейку фотоприемного устройства; при этом угол излома оптической оси дополнительного канала определяется по формуле

где а - расстояние между оптической осью дополнительного канала и внешней гранью светоделительной призмы со стороны фотоприемного устройства;

K - расстояние между центрами автоколлимационных марок основного и дополнительного каналов;

S' - расстояние между плоскостью фотоприемного устройства и внешней гранью светоделительной призмы со стороны фотоприемного устройства.

На чертеже изображена принципиальная оптическая схема двухканального оптико-электронного автоколлиматора.

Основной канал автоколлиматора состоит из объектива 1, светоделительной призмы 2, выполненной из двух прямоугольных призм АР-90°, склеенных гипотенузными гранями, на одну из которых нанесено светоделительное покрытие, и осветителя 3. Оптическая ось осветителя 3 расположена по ходу луча, отраженного от гипотенузной грани светоделительной призмы. Кроме того, осветитель 3 состоит из последовательно расположенных к светоделительной призме 2 источника света 4, конденсора 5 и автоколлимационной марки 6, которая представляет собой плоскопараллельную пластину с нанесенным на ней тест-объектом в виде прозрачных штрихов на темном фоне. Плоскость тест-объекта автоколлимационной марки 6 и плоскость фотоприемного устройства 7, в которой располагается линейка ПЗС, совмещены с фокальной плоскостью объектива 1. Дополнительный канал расположен параллельно оси осветителя 3 основного канала, но по другую сторону от светоделительной призмы 2.

Дополнительный канал состоит из последовательно расположенных к светоделительной призме 2 плоского зеркала и дополнительного объектива 9. Кроме того, светоделительная призма 2 дополнена призмой 10, расположенной на внешней грани светоделительной призмы 2 со стороны фотоприемного устройства 7 в месте пересечения с ней оптической оси дополнительного канала, отраженной от гипотенузной грани светоделительной призмы 2. При этом ось дополнительного канала расположена параллельно оси осветителя 3 основного канала и смещена относительно нее на величину "К". На этой оси со стороны осветителя 3 основного канала аналогично ему расположен осветитель 11, состоящий также из источника света 12, конденсора 13, зеркала 14 (для лучшей компоновки оптической схемы) и автоколлимационной марки 15, представляющей собой плоскопараллельную пластину с нанесенным на ней тест-объектом в виде прозрачных штрихов на темном фоне. Плоскость тест-объекта марки 15 совмещена с фокальной плоскостью дополнительного объектива 9. Для устранения посторонних изображений и рассеянного излучения на нерабочие зоны преломляющих поверхностей светоделительной призмы 2 наклеены светофильтры 16 и 17 из цветного стекла, поглощающего рассеянное излучение рабочего спектра источников света 4 и 12. Поглощающая пластина 16 установлена на внешней грани светоделительной призмы 2 со стороны дополнительного объектива 9 в месте пересечения с ней оптической оси осветителя 3 основного канала. Поглощающая пластина 17 - на внешней грани светоделительной призмы 2 со стороны объектива 1 основного канала в месте пересечения с ней отраженного излучения от осветителя 11 дополнительного канала.

Светоделительная призма 2, осветитель 3 основного канала, фотоприемное устройство 7, объектив 9 дополнительного канала, призма 10 и осветитель 11 дополнительного канала образуют отдельный узел - приемо-передающее устройство 18, который может поворачиваться вокруг оси А-А, совпадающей с осью объектива основного канала, на угол ± ° относительно корпуса объектива автоколлиматора, на котором находится зеркало 8 дополнительного канала.

Призма 10 представляет собой равнобедренную призму с одной отражающей гранью и углом при вершине , равном углу отклонения оптической оси дополнительного канала для приведения автоколлимационного изображения тест-объекта марки 15 на линейку ПЗС фотоприемного устройства 7, установленную перпендикулярно относительно оптической оси основного канала автоколлиматора.

В соответствии с предложенным решением разработана оптическая схема двухканального оптико-электронного автоколлиматора, в котором в качестве источников света 4 и 12 используются светодиоды, излучающие в ближней ИК-области спектра с основной длиной волны 940 нм. Объектив 1 основного канала выполнен из трех линз, объектив 9 дополнительного канала для компоновки в заданных габаритах имеет конструкцию телеобъектива, оптическая ось которого смещена относительно оптической оси осветителя 3 основного канала на величину К=10 мм, а относительно края светоделительной призмы 2 - на величину а=3 мм. Плоскость фотоприемного устройства 7 относительно преломляющей поверхности светоделительной призмы 2 смещена на расстояние S =21,615 мм. При этом угол =37,855° 38° - угол отклонения оптической оси дополнительного канала призмой 10 (призма АР-38°).

Автоколлиматор работает следующим образом. Конденсор 5 осветителя 3 основного канала проецирует источник света 4 в плоскость тест-объекта марки 6. Часть пучка лучей, прошедших через прозрачные штрихи тест-объекта, отражается светоделительным покрытием призмы 2 на объектив 1, который преобразует падающее на него излучение в параллельный пучок в пространстве изображений, где располагается объект визирования для основного канала автоколлиматора. Другая часть светового потока проходит через светоделительное покрытие призмы 2 и попадает на светофильтр 16, приклеенный полированной поверхностью к нерабочей зоне преломляющей поверхности призмы 2. Марки стекла светофильтра и его толщина выбраны таким образом, что светофильтр полностью поглощает вошедшее в него излучение источника света 4 основного канала. Отразившись от одного или нескольких объектов визирования, параллельный пучок лучей вновь попадает на объектив 1, который совместно с призмой 2 формирует автоколлимационное изображение тест-объекта марки 6 на линейке фотоприемного устройства 7.

Конденсор 13 осветителя 11 дополнительного канала проецирует источник света 12 в плоскость тест-объекта марки 15. Для удобства компоновки узла осветителя 11 используется плоское зеркало 14, изменяющее направление оси осветителя 11 на 90°. Часть пучка лучей, прошедших через прозрачные штрихи тест-объекта марки 15, направляется светоделительным покрытием призмы 2 на объектив 9 допонительного канала, который преобразует падающее на него излучение в параллельный пучок в пространстве изображений, где расположено плоское зеркало 8. Другая часть светового потока отражается светоделительным покрытием призмы 2 в направлении светофильтра 17, приклеенного полированной поверхностью к нерабочей зоне преломляющей поверхности призмы 2. Марка стекла светофильтра 17 и его толщина выбраны таким образом, что светофильтр 17 полностью поглощает вошедшее в него излучение источника света 12 дополнительного канала. В случае одинаковых источников света 4 и 12 в обоих каналах светофильтры 16 и 17 имеют одинаковую толщину и марки стекол, но разные поперечные габариты. Отразившись от зеркала 8, параллельный пучок лучей вновь попадает на объектив 9, который совместно с призмой 2 и призмой 10, приклеенной к преломляющей поверхности призмы 2 со стороны выхода излучения дополнительного канала, формирует автоколлимационное изображение тест-объекта марки 15 на линейке ПЗС фотоприемного устройства 7, общей для обоих каналов автоколлиматора.

По сравнению с наиболее близким аналогом в предложенной схеме автоколлиматора оба канала работают в автономном режиме без подвижной заслонки, имеются более широкие функциональные возможности, а именно: автоколлимационное изображение тест-объекта дополнительного канала может служить нулевой точкой отсчета на линейке ПЗС фотоприемного устройства при работе основного канала в режиме измерения угловых поворотов в горизонтальной плоскости различных объектов визирования, а при повороте приемо-передающего устройства вокруг горизонтальной оси А-А автоколлимационное изображение тест-объекта дополнительного канала может перемещаться вдоль линейки ПЗС фотоприемного устройства, при этом дополнительный канал выполняет функцию датчика угла крена углоизмерительной системы, в которую входит автоколлиматор, относительно базовой горизонтальной плоскости объекта визирования.

Таким образом, обеспечено получение технического результата по сравнению с прототипом: двухканальный оптико-электронный автоколлиматор может быть использован в высокоточной многоканальной оптико-электронной углоизмерительной системе, расширяя функциональные возможности работы системы в сочетании с высокой точностью и надежностью проводимых измерений.