RU2073202C1 - Reading system and its versions - Google Patents

Abstract

FIELD: optical measuring devices, geodetic instrumentation engineering; applicable in theodolites, levels, jig-boring machines and index heads. SUBSTANCE: to enhance accuracy in taking readings by scale line divisions, use is made of matrix with transversal method of taking readings. For this purpose, light sensitive members and images of scale divisions on neighboring rows are made with regular mutual displacement along the row, and position of image of scale division is determined with consideration of the value of regular displacement, and distance between neighboring rows of light sensitive members. To obtain regular displacement, provision is made to use mutual turns of division and rows of photocells, and also anamorphic system for inclination of image of scale division relative to rows. EFFECT: higher accuracy in taking readings by scale line divisions. 2 cl, 5 dwg

Description

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. The invention relates to optical measuring devices, mainly to geodetic instrumentation, and can be used in theodolites, levels, as well as in coordinate boring machines and dividing heads.

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. It is known to use transversals for readings on measuring linear and angular scales (1). In them, the position of the image of the scale bar is determined by dividing the reading device, shifted relative to the initial division in the longitudinal and transverse directions by regular values, which are usually tenths and hundredths of an interval between the strokes of the scale.

Обеспечивая достаточно высокую точность отсчетов, трансверсали не дают возможности автоматизировать процесс измерений, что является существенным недостатком их применения. Providing a sufficiently high accuracy of readings, transversals do not allow automation of the measurement process, which is a significant drawback of their application.

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. The closest in technical essence and the achieved effect is the reference system (2). In the reading system of the level there is an optical system (level lens), representing the division of the scale moved in front of it (division of the leveling rail) by a multi-element photodetector with regular single-line arrangement of photosensitive elements installed in the conjugate plane (CCD line with 256 elements). The position of the scale division image on the line of the photodetector is determined by electrical signals from the photosensitive elements, taking into account the step size of these elements.

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. High accuracy of reading is obtained due to the projection onto the CCD - a ruler of a large number of strokes of the bar scale (from tens at distances of about 3 m to hundreds at distances of 100 m). The position of one division is necessary for counting, the rest are redundant, due to which the accuracy of counting is increased.

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. In addition, the thickness of the strokes on the rail is made variable, which reduces the reading error, because the shadowing of adjacent photosensitive elements of the CCD line is also a variable and the influence of the gaps between the photosensitive elements is excluded. As a result of processing all the samples in the computer, the reduced error in reading the horizontal direction in the prototype is about 0.01 of the value of the photosensitive element.

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. The disadvantage of this reading system is that it does not give high accuracy of reading in the presence of only one stroke in the field of view of the device, as is the case in goniometric devices.

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. The error in measuring the coordinates of a single stroke is, at best, a value of 0.1 of the photodetector element when defocusing the stroke into four adjacent elements of the CCD line. This corresponds with the same ruler and division of the limb after 20 arc minutes, an error of 0.5 arc seconds, which is not enough for theodolites of high accuracy. In addition, the heterogeneity of the sensitivity of the elements can reach 10, which doubles the possible error, i.e. up to 1 arc second, which corresponds to the accuracy of theodolite samples of medium accuracy. Precision theodolites require 0.1 s.

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. The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of reading the position of a single stroke due to the transverse method of reading, which improves the accuracy of reading, including several strokes designed by the lens on the photodetector.

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. This result is achieved by improving the reading system of an optical measuring device, comprising an optical system depicting the divisions of a scale moved in front of it on a multi-element photodetector with a regulatory single-line arrangement of photosensitive elements, and the position of the scale division image on the photodetector line is determined by electrical signals from photosensitive elements taking into account the step size of these elements.

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. Distinctive features of the reading system are the introduction of additional multi-element photodetectors installed in the conjugate plane with a regulatory line arrangement of photosensitive elements, the photosensitive elements and the scale division image on adjacent lines being made with regular mutual offset along the line by the value "p", and the position of the scale division image is determined with taking into account the magnitude of the regular mutual displacement and the distance between adjacent rows of photosensitive ementov.

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.According to the second embodiment of the device, the photodetectors can comprise “m” groups of (n) parallel lines in a group with a step “k” between the elements and a step “l” between the photocell lines, and the regular shift of the scale division image and the photosensitive elements on adjacent lines amounts to pk / n + 1 or pk / n 1. Scale divisions can be made in the form of solid straight lines, and their images and lines of photodetector elements can be rotated relative to each other at angles (90 ^o + c) or (90 ^o c), where with 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).In addition, the scale divisions can be set orthogonally to the direction of movement of the scale, and the lines of multi-element photodetectors are set parallel to the direction of movement of the scale. In this case, an anamorphic optical system is installed between the scale and the photodetector, the axis of transformation of the image dimensions of which is rotated relative to the direction of movement of the scale in such a way that the image direction of the scale division axis makes an angle of (90 ^o + c) or (90 ^o c) with the lines of the photodetectors.

Таким образом, предложенная отсчетная система соответствует критерию "новизна". Thus, the proposed reference system meets the criterion of "novelty."

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". No technical solutions were found that have similar characteristics with those that distinguish the claimed solution from the prototype, other technical solutions in this field. Therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

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. In FIG. Figures 1-5 show examples of the implementation of the reading system and its elements: 1 scale substrate, 2 lens, 3 multi-element receiver in a plane conjugated with the scale plane, 4 anamorphic systems, with 4 (1), 4 (2) and 4 (3) possible position of the anamorphic system, 5 distance from the lens to the subject plane, 5 'distance from the conjugate image plane, 6 scale divisions, 7 image divisions in the plane of photodetectors.

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. In FIG. 1 shows a schematic optical diagram of a reading system. The light from the scale located on the substrate 1, goes towards the lens 2 at a distance 5. The substrate 1 can be transparent and then the light passes through it. It may be opaque with a scattering surface on which strokes are applied. After the lens, the light from the scale travels a distance of 5 'and creates an image of strokes in the conjugate plane of the photodetectors 3. In the case of using anamorphic system 4, it can be installed: 1) between the scale 1 and the lens 2 in position 4 (1); 2) between the lens 2 and the photodetectors 3 in position 4 (2); 3) be part of the lens 2, i.e. occupy position 4 (3). Position 4 (2) is preferably used in the presence of visual inspection, when after the lens 2 part of the light through a beam splitter (not shown in Fig. 1) enters the eyepiece and eye of the observer.

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. In FIG. 2 shows six options for the possible execution of strokes: a) in the form of a stepped line, b) in a piecewise linear form, c) in the form of a straight line, d) in the form of a line slanted at an angle “o”, e) in the form of a line with an angular kink , e) different thickness lines.

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. In FIG. Figure 3 shows an embodiment of the scale on the limb of the goniometer, in which the divisions 6 are plotted not along the radii, but along the tangents to the inner circumference of the circular ring, the outer circumference of which is the dividing circumference of the limb, which corresponds to the variant "g" of the possible execution.

Возможны и другие варианты исполнения, не противоречащие сущности изобретения, включая расфокусировку изображения штриха на соседние элементы фотоприемника. There are other possible versions that do not contradict the essence of the invention, including defocusing the image of the stroke on adjacent elements of the photodetector.

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. In FIG. 4 shows the relative position of the rows of three photodetectors 3 and the images of the divisions of the scale 7. FIG. 4a shows the position of three photodetectors, in which the beginning of the lines is on one straight line, orthogonal to the lines, and a piecewise linear division of the scale, consisting of linear sections 7 (1), 7 (2) and 7 (3) displaced from each other. Defocusing is not required.

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. FIG. 4b shows the position of the solid straight line 7 orthogonal to the direction of the lines of photodetectors and three photodetectors 3 (1), 3 (2) and 3 (3), in which the beginning of the lines is shifted relative to the line orthogonal to the lines by different values. The width of the stroke 7 is taken equal to the size of the line element.

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. The case of the inclined position of the stroke relative to the photodetector lines coinciding with the direction of movement of the scale and the case of the lines of the photodetector inclined relative to this movement during a stroke orthogonal to the movement are shown in FIG. 5a and 5b.

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). The reference system operates as follows. The image of the scale from the substrate 1 is projected by the lens 2 onto the photodetectors 3, forming an image of the divisions 7 on them. FIG. 3 shows the case where the number of lines of the photodetectors n 3, the mutual shift of the image of the divisions 7 and the photosensitive elements of the photodetectors 3 is p 1/2 of the size of the element of the photodetector. On the first (bottom) line, the image of division 7 obscures half of the elements 1.3 and 1.4, so the signals from these elements will be 0.5 of the total signal coming from the unshaded elements 1.1, 1.2, 1.5. In the second (middle) line, the image of division 7 completely obscures element 2.3, leaving elements 2.1, 2.2, 2.4, and 2.5 unshaded. The third (top) line gives 0.5 signals from the full signal for elements 3.2 and 3.3 and full signals from elements 3.1, 3.4 and 3.5. From FIG. 3 shows that for the given case, the distance from the origin can be determined by the first line as 3.0 x k, by the second as 2.5 x k and by the third as 2.0 x k. We take into account the offset p k x 0.5 for the second row and the offset p 2 (k x 0.5) k for the third row and add them as constant terms to the above distances from the origin. Then we get three values equal to 3.0 x k. As in the prototype, one reading value is necessary, and the other two are redundant, allowing to increase the accuracy of measurements. A particularly large number of redundant samples is obtained when using a CCD matrix with a large number of rows. For example, with a matrix with the number of elements equal to 192 x 256, i.e. with the same number of elements as the prototype along the line, the redundant measurements are not less than the prototype, but only one scale division is used. In this case, the matrix can be divided into m 19 groups of n 10 parallel rows in the group (the two extreme rows are used for other purposes).

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. Due to the regular shift of the image of the division of the scale relative to the photosensitive elements, the counting on each line not only gives a different ratio of electrical signals, which makes them independent of each other, but also eliminates the influence of the gaps between the photosensitive elements, as in the prototype, but with a constant stroke thickness. Naturally, in the claimed invention can be used with a variable thickness of the stroke ("e" in Fig. 2). As a result of processing the samples in the computer, the accuracy of reading reduced to one element of the line can be made equal to 0.01 or less. An additional way to increase accuracy can be defocusing, the use of which is not considered here.

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.Thus, the goal is fully achieved. The technical and economic advantage of the reading device is the possibility of reducing the number of scale divisions. For example, theodolite limb divisions can be done not after 20 arc minutes, but after 1 ^o , which reduces the time for applying divisions to the limb by 3 times, which is one of the most expensive operations for manufacturing theodolite optical elements.

Claims (2)

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. 1. The reading system of an optical measuring device, containing a projection optical system, in the space of objects of which there is a scale with divisions, and in the conjugate plane of the image space there is a multi-element photodetector with a regular horizontal arrangement of photosensitive elements with a step K between the elements, characterized in that it is introduced additional multi-element photodetectors installed in the conjugated plane, identical to the first, comprising n parallel lines with a step of l m waiting lines, wherein the photosensitive elements on adjacent rows are arranged at regular mutual offset value p along the direction parallel scale. 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). 2. The reading system of an optical measuring device, containing a projection optical system, in the space of objects of which there is a scale with divisions, and in the conjugate plane of the space of images parallel to the scale with divisions is installed a multi-element photodetector with a regular horizontal arrangement of photosensitive elements with a step K between the elements, characterized in that it introduced additional multi-element photodetectors installed in the conjugate plane, identical to the first, constituting m groups of n parallel lines with a step l between the lines, and between the scale and the photodetector there is an anamorphic optical system deployed around the optical axis of the projection system, so that the deviation of the image of the scale makes an angle equal to arc tg K / l with the line of the first photodetector (n + 1) or arc tg K / l (n-1).

Images