Разработка оптической схемы многомерной оптико-электронной системы контроля

Оптическая схема занимает особое место в структуре многомерной системы контроля пространственного положения объектов в связи с тем, что она обеспечивает решение комплексной задачи, заключающейся в следующем:

— формирование физической модели измерительной плоскости, связанной с СК, определяющей пространственное положение контролируемого объекта;

• — формирование физической модели опорной плоскости, связанной с СК, определяющей положение объекта, относительно которого осуществляется ориентирование;
• — формирование световых потоков от ИПИ, несущих информацию об угловых и линейных координатах положения контролируемого объекта;
• — сбор информации от ИПИ угловых и линейных координат и формирование в плоскости анализа ПП единой информационной модели, координаты положения элементов которой характеризуют пространственное положение контролируемого объекта.

Кроме этого следует отметить, что именно в оптической схеме реализуются основные принципы, позволяющие создать эффективно действующую многомерную систему контроля одноканальной структуры с высокими точностными и эксплуатационными характеристиками.

В связи с этим становится очевидным, что от структуры оптической схемы системы, размещения и параметров составляющих ее оптических элементов, способов формирования, передачи и сбора световой измерительной информации об угловых и линейных группах параметров положения объекта в основном зависят тактико-технические характеристики системы контроля и управления, согласованность всех ее звеньев.

С целью формирования структуры оптической схемы системы контроля, определения наиболее рационального взаимного расположения элементов и ее оптимизации проведен анализ основных функций, реализуемых в схеме и некоторых вариантов построения.

Как было показано выше, реализация принципа независимости контроля угловых и линейных групп параметров требует построения комбинированной оптической схемы системы контроля. Измерение линейных смещений объекта в такой схеме может осуществляться методом прямых измерений (коллимационным), а угловых разворотов — способом автоколлимации на зеркальном отражателе. Применение таких способов позволяют построить оптическую схему, реализующую полное отсутствие влияния измерительной информации о линейных параметрах положения контролируемого объекта на информацию о его угловых параметрах и, таким образом, упростить ее дальнейшую обработку.

Следует отметить, что в качестве отражателя можно использовать различные оптические элементы; однако, учитывая, что задача контроля пространственного положения объекта характеризуется широким диапазоном измерений (линейный диапазон 100—150 мм) и ограниченным расстоянием между объектами (1 — 1,5 м), целесообразным является использование отражателя в виде плоского зеркала, некритичного к линейным смещениям.

Таким образом, на объекте, относительно которого осуществляется ориентирование, располагаются два плоских зеркала, нормали которых JV, и ]V₂ коллинеарны соответствующим осям СК, связанной с этим объектом, и лежат в одной плоскости. Оси падающих на зеркала пучков от коллиматора задают положение плоскости, связанной с СК контролируемого объекта, а оси отраженных пучков отклоняются от направления, задаваемого нормалями зеркал, на углы ф, |/, у, пропорциональные углам поворота контролируемого объекта относительно соответствующих осей ОХ, ОУ, OZ (рис. 20.2) (ось Z направлена на читателя).

Отклонения отраженных от зеркал пучков преобразуются ПОС в смещения изображений автоколлимационных марок в плоскости анализа ПИ:

где Дх_|2, Az,, Az₂ — координаты автоколлимационных марок в СК ПИ и OXZ.

Условие окончания процесса контроля и ориентации объекта по угловым параметрам в этом случае имеет вид:

В соответствии с разработанным алгоритмом работы системы после выполнения условия 20.2 производятся измерение и контроль линейных смещений объекта, которые определяются по смещению изображений марок линейных смещений М, и М₂, формируемых ПОС также в плоскости анализа ПИ (рис. 20.3).

Рис. 20.2. Обобщенная оптическая схема многомерной системы контроля одноканальной структуры:

БУ — базовое устройство; ППУ — приемо-передающее устройство

Основная трудность решения задачи раздельного и независимого контроля угловых и линейных параметров объекта заключается в совмещении информации от измерительных каналов, основанных на различных принципах действия, в одном приемном информационном канале, которым является ПОС.

Указанная задача решается достаточно просто при выполнении одного из следующих условий:

• — марки линейных смещений и отражатели должны быть удалены от ПОС на гиперфокальное расстояние;
• — при перефокусировке ПОС при переходе от измерения угловых параметров к измерению линейных параметров положения объекта.

При этом оптическая схема построения системы содержит два канала — углоизмерительный и канал линейных смещений и одну ПОС. Однако выполнение первого условия в силу некоторых конструктивных и технологических причин невозможно. Выполнение второго условия приводит к усложнению схемы ПОС.

Учитывая это, при решении данной задачи целесообразно применять для измерения угловых параметров оригинальный способ автоколлимации в сходящихся пучках. Особенностью этого способа является то, что изображение автоколлимационной марки формируется объективом коллиматора до зеркала, а ПОС сфокусирована на линейное изображение марки и строит в плоскости анализа ПИ ее изображение.

Рис. 20.3. Канал измерения линейных смещений оптической схемы многомерной системы контроля

Зеркала, входящие при этом в оптическую схему, являются частично прозрачными, а марки линейных смещений располагаются за ними в плоскости локализации мнимых изображений автоколлимационных марок (рис. 20.4). При подобном построении оптической схемы системы контроля объектив ПОС формируют в одной плоскости анализа как изображения автоколлимационных марок, так и изображения марок линейных смещений, составляющие информационную модель пространственного положения объекта.

Рис. 20.4. Оптическая схема многомерной системы контроля с углоизмерительным каналом, работающим на принципе автоколлимации в сходящихся в прямом ходе пучках лучей:

• 1 — коллиматор; 2 — светоделительный блок; 3, 3' — полупрозрачные зеркала;
• 4, 4' — марки линейных смещений; 5 — приемник излучения;
• 6 — приемная оптическая система

Может эффективно применяться еще один вариант построения оптической схемы многомерной системы контроля, в котором используется для измерения угловых параметров способ автоколлимации в сходящихся за зеркалом пучках лучей (рис. 20.5). При реализации данной схемы изображения автоколлима- ционной марки формируются коллиматором за плоскостью зеркала, а ПОС сфокусирована на отраженное изображение марки. При этой схеме построения марки линейных смещений выполняются в виде непрозрачных штриховых изображений на прозрачной основе и располагаются между соответствующим зеркалом и ПОС в плоскости локализации изображений автоколлимационных марок.

Рис. 20.5. Оптическая схема многомерной системы контроля с углоизмерительным каналом, работающим на принципе автоколлимации в сходящихся в обратном ходе

пучках лучей:

• 1 — контролируемый объект; 2 — многомерная система контроля;
• 3, 4, 5, 6, 7 — коллиматор; 8 — светоделительный блок; 9 — приемная оптическая система; 10 — приемник излучение; 11, 14 — марки линейных смещений;
• 12, 13 — зеркальные отражатели

Приведенные схемы построения отличаются по своим точностным и другим характеристикам и будут подробно рассмотрены в дальнейшем, здесь же отметим следующее.

При автоколлимации в сходящихся пучках лучей плоское зеркало имеет действенную поступательную подвижку-смещение вдоль своей нормали, приводящую к расфокусировке изображения, а в случае наклонных пучков к его поперечному сдвигу. В силу этого замечания необходимо учесть влияние указанных факторов на работу оптической схемы системы.

Поперечный сдвиг изображения в плоскости, перпендикулярной оси отраженного пучка, может быть найден из выражения:

где: Д/ — смещение зеркала (диапазон измерений); е — угол падения светового пучка.

Величину расфокусировки изображения можно оценить по формуле:

Анализ приведенных выражений показывает, что погрешность за счет поперечного сдвига изображения при малых углах наклона е (до 1 — 1,5°) и диапазонах перемещений Д/₀ — (50— 100 мм) достаточно мала и убывает по мере выполнения условия 20.2 с уменьшением угла е.

Величина расфокусировки AR с уменьшением угла ? увеличивается, причем:

С учетом этого выражение для максимального диапазона измерений, обеспечиваемого данной оптической схемой системы контроля, будет иметь вид:

где Ду' — допустимый кружок нерезкости; а₀ — расстояние до плоскости фокусировки ПОС; D/f — относительное отверстие объектива ПОС.

Заметим, что влияние расфокусировки AR на качество изображения марок линейных смещений в два раза слабее.

Оптическим схемам, в которых используется для построения углоизмерительного канала способ автоколлимации в сходящихся пучках лучей, кроме расфокусировки изображений автоколлимационных марок присущи и некоторые другие недостатки. В частности, первый вариант схемы построения характеризуется достаточно низкой чувствительностью и зависимостью чувствительности от расстояния до отражателя.

Этих недостатков лишены оптические системы, углоизмерительный канал которых работает в параллельных пучках лучей. Однако и в этом случае, применение в оптической схеме единой ПОС, работающей без перефокусировки и обеспечивающей качественное изображение, возможно лишь при размещении отражателя и марок линейных смещений на гиперфокальном расстоянии (реально 8—10 м). В многомерных системах контроля пространственного положения крупногабаритных объектов реализация этого условия крайне затруднительна.

Имеется два пути решения задачи. Первый связан с использованием отдельных приемных объективов, оптические оси которых параллельны для углоизмерительного канала и канала линейных смещений. При этом параметры и характеристики этих объективов могут подбираться в зависимости от специфики измерений в соответствующем канале. Совмещение изображений марок от различных каналов производится при помощи различных светоделительных элементов (призм, зеркал и др.). При наличии явных достоинств этого пути его реализация эффективна при больших расстояниях до отражателя. Реально ограниченные расстояния между ПОС и отражателями приводят к усложнению схемного решения: применение специальных отражателей, искусственного увеличения угла расходимости автоколлимационного пучка и т. п. Кроме этого, усложняется юстировка таких систем.

Второй путь решения задачи связан с введением в оптическую схему ПОС элемента перефокусировки, расположенного в центральной части основной ПОС. Вариант оптической схемы многомерной системы контроля, в которой используется такая коаксиальная структура ПОС, приведен на рис. 20.6.

Рис. 20.6. Оптическая схема многомерной системы контроля с углоизмерительным каналом, работающим по принципу автоколлимации в параллельных пучках лучей

Рис. 20.7. Спектральная селекция информации об угловых и линейных группах параметров в оптической схеме многомерной системы контроля

Схема состоит из двух основных блоков: приемопередающего устройства (ППУ), устанавливаемого на неподвижном основании, и базового устройства (БУ), устанавливаемого на контролируемом объекте. ППУ состоит из коллиматора 1, формирующего параллельный световой пучок, светоделительной куб- призмы 2, дополнительного объектива 3 и приемного объектива 4. БУ состоит из плоских зеркал 6 и 7, на поверхности которых расположены визирные марки линейных смещений 8 и 9. Приемный объектив ПОС работает в параллельных пучках (сфокусирован на бесконечность) и формирует в плоскости ПИ изображения автоколлимационных марок. Его центральная часть совместно с дополнительным объективом (элементом перефокусировки) образует оптическую систему канала линейных измерений; периферийная (кольцеобразная) область совместно с коллиматором и зеркалами образуют оптическую систему канала угловых измерений. Для разделения оптических каналов используется диафрагмирование светового пучка (диафрагма 11), а также применение специальных бленд 10. Для уменьшения угла расходимости светового пучка в этом случае необходимо применять длиннофокусные коллиматоры.

При таком построении оптической схемы системы ПОС формирует в плоскости анализа ПИ изображения автоколлимационных марок, а ПОС, в виде объектив плюс элемент перефокусировки, в той же плоскости анализа, изображения марок линейных смещений. Координаты положения марок в СК

ПИ характеризуют пространственное положение контролируемого объекта по шести параметрам: трем линейным смещениям Ах, Ay, Az и трем угловым поворотам ср, |/, у.

При разработке оптической схемы многомерной системы контроля с использованием автоколлимации в параллельных пучках, включающей в себя два канала: углоизмерительный и линейных смещений, требуется решение еще одной достаточно серьезной задачи. Она состоит в обеспечении «оптической развязки» информации об угловых и линейных группах параметров. Схема построения системы должна обеспечивать практическое отсутствие влияния оптической информации в плоскости анализа ПИ элементов информационной модели, характеризующих угловые положения объекта на элементы информационной модели, характеризующие его линейные смещения. Только при выполнении этого условия возможно получение в плоскости анализа ПИ информационной модели, адекватно отображающей пространственное положение объекта и позволяющей человеку-оператору безошибочно распознавать марки, несущие информацию об угловых и/или линейных параметрах. Применение диафрагм и бленд для этих целей является неэффективным средством, т. к. не предотвращает попадания части отраженного автоколлимационного пучка в приемную оптическую систему канала линейных измерений, что резко ухудшает качество изображения марок угловых параметров.

Для обеспечения качественного изображения марок, составляющих информационную модель положения объекта, необходимо обеспечить полное разделение и отсутствие взаимного влияния информации от различных оптических каналов. В случае применения для измерения и контроля угловых параметров способа автоколлимации в параллельных пучках лучей такое разделение возможно при коаксиальной структуре ПОС со спектральной селекцией информации при использовании оптических фильтров. В этом случае максимальные спектральные плоскости световых потоков угловых и линейных оптических измерительных каналов находятся на различных участках спектрального диапазона.

На рис. 20.7 приведена оптическая схема многомерной системы контроля, в которой реализован указанный способ. Структура оптической схемы аналогична схеме, представленной на рис. 20.6.

Нормали зеркал 1 и 2 при «нулевом» положении контролируемого объекта параллельны соответственно базовым осям. Плоскость, проходящая через нормали зеркал, параллельна опорной плоскости объекта и характеризует его наклоны (ф и |/) относительно горизонтальной плоскости.

Контроль линейных смещений объекта Ах, Ay, Az производится с помощью активных визирных марок 3 и 4, спектральная плотность излучения которых определяется источниками излучений 5, 6 и светофильтрами 7, 8. Визирные марки в форме шкал, индексов выполнены методом травления на зеркальной поверхности зеркал 1 и 2.

Оптическая схема ППУ состоит из коллиматора, куб-призмы 9, спектрального блока 10, 11, объектива 12 и видикона 13. Спектральный состав излучения оптического канала угловых измерений лежит в высокочастотной области видимого диапазона (X,), а канала линейных измерений — в низкочастотной области видимого диапазона (Т,₂).

Спектральный состав излучения коллиматора определяется светофильтром 14, максимум спектральной характеристики которого находится на частоте А,_г Кольцеобразный светофильтр 10 имеет идентичную спектральную характеристику. Объектив канала линейных измерений 11 изготовлен из стекла с максимальным коэффициентом пропускания на частоте Х₂ (соответствует спектральному составу излучения визирных марок 3, 4) и представляет собой линзу, рассчитанную на минимум сферической аберрации.

Очевидно, что спектральные характеристики светофильтров определяются типом приемника излучения (необходимо спектральное согласование). Например, для видикона ЛИ 441 хорошие результаты были получены при сочетании оптических фильтров (10, 14 — и 7, 8 — Х₂), изготовленных соответственно из стекол СЗС-24 и КС-14.

Кроме обеспечения отсутствия взаимного влияния информации от угловых и линейных группах параметров, в оптической схеме многомерной системы контроля должна быть решена задача формирования марок, составляющих информационную модель, обладающих четко определенными отличительными признаками. Это условие является обязательным, его выполнение обеспечивает однозначность информационной модели, позволяет оператору безошибочно распознавать и классифицировать ее элементы с целью определения положения объекта по угловым или линейным координатам.

Трудности в выполнении этого условия возникают прежде всего в углоизмерительном канале. Это связано с тем, что элементы информационной модели, характеризующие положение объекта по углу, являются изображениями одной и той же сетки автоколлиматора и поэтому совершенно идентичны. Измерение линейных смещений объекта проводится методом прямого визирования двух различных марок, конфигурацию и геометрические параметры которых можно задавать произвольным образом.

Разделение информации от марок угловых поворотов по яркости за счет введения частично прозрачных покрытий или нейтральных светофильтров в одну из ветвей схемы малоэффективно. Это связано прежде всего с тем, что при наличии фоновой засветки может произойти уравнивание контрастов изображений двух марок, приводящее к большим затруднениям при их различении. Также малоэффективны в системах, взаимодействующих с человеком, способы, связанные с модуляцией одной из марок.

Как показывают исследования по инженерной психологии, наиболее характерными и однозначными отличительными признаками являются геометрические параметры элементов информационной модели. На рис. 20.8 показана оптическая схема, в которой с использованием явления поляризации в плоскости анализа ПИ формируются изображения марок угловых поворотов различной конфигурации.

Эта схема содержит два поляроида 1 и 2, расположенных в коллиматоре и перекрывающих часть поверхности сетки. Плоскости поляризации поляроидов 1 и 2 взаимно перпендикулярны. На выходе светоделительного блока устанавливаются анализаторы 3 и 4, плоскости поляризации которых соответственно совпадают с плоскостями поляризации поляроидов 1 и 2. При этом в плоскости анализатора ПИ формируются два различных по конфигурации изображения сетки, обеспечивающие однозначное распознавание и классификацию.

Еще одним способом различения марок информационной модели является распознавание по цветовому контрасту. В этом случае в схеме системы контроля используются цветные ПИ и УОИ. Применение этого способа позволяет значительно повысить информативность УОИ и увеличить надежность работы человека-оператора.

Рис. 20.8. Селекция визуальной информации в элементах информационной модели, характеризующих угловое положение объекта, с применением поляризации

Одним из вопросов, которые необходимо решить при разработке оптической схемы системы контроля, является вопрос формирования двухмерной системы координат, связанной с ПИ, относительно осей которой производятся контроль и измерение координат положения информационной модели. Решение этой задачи затруднений не вызывает и может быть получено, например, за счет нанесения частично отражающего покрытия (коэффициент отражения 5 %) на одну из граней СДБ, обращенную к зеркалу. При этом в плоскости анализа ПИ формируется неподвижное изображение сетки коллиматора, задающее измерительную СК.

Измерительная СК может формироваться электронным путем на экране УОИ или наноситься непосредственно на него. В этом случае необходима поЧасть IX. Разработка и анализ многомерных измерительных систем для контроля пространственного положения объектов

стоянная выверка положения измерительной СК и ее согласование с меняющимися характеристиками системы.

Очевидно, что при решении пространственных задач контроля взаимного положения объектов большое значение имеют расположение и взаимная ориентация элементов оптической схемы многомерной системы контроля. Как было показано ранее, ортогональное расположение зеркал комплексных отражателей с нормалями, коллинеарными соответствующим осям СК, связанной с объектом, является оптимальным, и только оно позволяет осуществить полную декорреляцию информации о параметрах внутри группы угловых разворотов, обеспечивая при этом ее независимость от информации о линейных смещениях. Однако в некоторых случаях, например, для уменьшения габаритов схемы или увеличения диапазона измерений может применяться другое расположение отражателей.

С целью выявления влияния на характеристики многомерной системы контроля компоновки ее оптической схемы проведем анализ различных вариантов построения с неортогональным размещением отражателей (базовых элементов).

На рис. 20.9 показана упрощенная оптическая схема измерительной многомерной системы, в которой применено неортогональное расположение базовых элементов I и II (угол между ними равен 120°), вследствие чего угол между оптическими осями каналов измерительной системы будет равен 60°.

Очевидно, базовый элемент II будет работать в этом случае так же, как и в случае ортогонального расположения базовых элементов. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать работу только базового элемента I.

Линейные смещения базового элемента I (точки С) как вдоль оси ОХ, так и вдоль оси ОУ будут приводить к смещению изображения плоскости анализа ПИ в соответствии с формулой (20.6) и рис. 20.9:

где т, =1/2; т₂ = >/3 / 2.

Из формулы (20.6) следует, что производить измерение линейных смещений вдоль оси ОХ с помощью базового элемента / можно только после измерения линейного смещения вдоль оси ОУ, выполняемого посредством базового элемента II.

Измерение линейных смещений вдоль оси OZ можно производить с помощью базового элемента / так же, как и при ортогональном расположении базового элемента.

Таким образом, проведенный анализ вариантов схем построения измерительной оптической части многомерной системы контроля показывает, что в них реализуются ранее сформулированные основные принципы построения. При этом для обеспечения принципа раздельного и независимого контроля угловых и линейных параметров положения объекта оптическая схема многомерной системы контроля должна представлять собой совокупность двух каналов: углоизмерительного канала и канала линейных смещений, основанных на принципах действия, исключающих взаимное влияние информационных потоков. В частности, показано, что наиболее эффективным является применение для угловых измерений принципов автоколлимации на плоском зеркале, линейные смещения целесообразно контролировать методом прямого визирования. В зависимости от требуемых технических характеристик для контроля угловых поворотов могут применяться способы автоколлимации в сходящихся, расходящихся и параллельных пучках лучей. Применение последнего приводит к необходимости создания коаксиальных ПОС и спектральной селекции для исключения взаимного влияния паразитной информации об угловых и линейных параметрах положения объекта. Кроме этого, в оптической схеме должны быть предусмотрены элементы, позволяющие обеспечить формирование визуальной информационной модели, которая адекватно отображает пространственное положение объекта и обеспечивает безошибочное распознавание и классификацию марок — элементов информационной модели, характеризующих его координаты. Показано, что наилучшими с точки зрения инженерной психологии являются отличительные признаки, связанные с конфигурацией и геометрическими параметрами марок. Приведенная оптическая схема многомерной системы контроля, в которой для этой цели используется метод поляризации, полностью решает задачу.

Рис. 20.9. Оптическая схема многомерной системы контроля с неортогональным расположением базовых элементов (комплексных отражателей)

Анализ оптических схем построения многомерной системы контроля с различным размещением базовых отражательных элементов подтвердил, что оптимальным является вариант с их ортогональным размещением. Ортогональное расположение зеркальных отражателей при нормалях коллинеарных соответствующим координатным осям СК, связанной с объектом, обеспечивает независимость информации внутри группы угловых поворотов. Анализ вариантов оптических схем с неортогональным расположением базовых отражательных элементов показывает нецелесообразность их использования при разработке многомерных систем, взаимодействующих с человеком, из-за наличия глубоких перекрестных связей между выходными информационными параметрами. В то же время подобные схемы могут найти применение при создании автоматических многомерных систем.

В заключение, учитывая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что для построения многомерной системы контроля пространственного положения объектов, взаимодействующей с человеком, наиболее рационально использовать оптическую схему одноканальной структуры с ортогональным расположением базовых отражательных элементов и применением для угловых измерений принципа автоколлимации в параллельных пучках лучей.