WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
В.К.Кирилловский ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Часть 3 Санкт-Петербург 2005 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ И КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ В.К.Кирилловский ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Часть 3 Функциональная схема прибора оптических измерений.

Типовые узлы. Оптические измерения геометрических параметров Учебное пособие Санкт-Петербург 2005 2 УДК 535.317.2.

В.К.Кирилловский. Оптические измерения. Часть 3. Функциональная схема прибора оптических измерений. Типовые узлы. Оптические измерения геометрических параметров. Учебное пособие.

СПб ГУ ИТМО. 2005.- 67с.

Цель пособия - ознакомить студентов с теоретическими основами и методами оптических измерений как с позиций оптика-конструктора и исследователя, так и с общеметрологических позиций, связанных с задачами и спецификой классических и современных оптических измерений. Пособие состоит из серии выпусков.

В Части 3 рассматриваются анализ и синтез схемных решений аппаратуры оптических измерений на основе обобщенной функциональномодульной схемы, предпосылки компьютерного моделирования этих процессов, типовые узлы приборов, методы и схемы для измерения геометрических параметров оптических систем и элементов.

Одобрено на заседании кафедры Прикладной и компьютерной оптики 7.10.2004 г., протокол N 3.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 551900 - Оптотехника и направлению подготовки дипломированных специалистов 654000 - Оптотехника.

© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики 2005 ©В.К.Кирилловский 2005 3 ВВЕДЕНИЕ Успешная работа исследователя в оптической измерительной лаборатории зависит не только от хорошей оснащенности современными приборами, но и от знания и применения теоретических и технических аспектов современных оптических измерений, их возможностей и перспектив.

Дисциплина "Оптические измерения" относится к базисным дисциплинам содержания образовательных программ по направлению подготовки "Оптотехника". Цель изучения дисциплины – освоение обучающимися теоретических, практических и метрологических основ классических и современных оптических измерений.

В Части 3 данного пособия рассматриваются анализ и синтез схемных решений аппаратуры оптических измерений на основе обобщенной функционально-модульной схемы, предпосылки компьютерного моделирования этих процессов, типовые узлы приборов, методы и схемы для измерения геометрических параметров оптических систем и элементов.

Показана функциональная схема прибора оптических измерений и свойства типовых узлов.

Исходя из задач контроля для целей уникального, малосерийного, крупносерийного и массового производства оптических деталей и систем предельной точности и задач автоматизации производства, определены четыре группы приборов оптического производственного контроля и измерений и сформулированы требования к каждой группе.

С другой стороны, в результате ряда современных исследований разработана обобщенная функциональная структура прибора контроля с его разбиением на унифицированные функциональные модули. Введено понятие центрального модуля-анализатора, определяющего принцип действия данного прибора и, следовательно, применяемый метод контроля.

Рассмотрены методические основы оптического производственного контроля с применением унифицированного комплекса автоматизированной аппаратуры.

Рассмотрены методы и схемы для оптических измерений геометрических параметров оптических элементов и систем.

Указаны пути применения компьютеров в оптическом приборостроении, измерениях и контроле.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА Традиционно под принципиальной схемой прибора (установки) понимают оптическую измерительную схему с указанием необходимых перемещений [8].

Рис.1. Функциональная схема оптического измерительного прибора Под функциональной схемой понимают принципиальную схему, содержащую узлы, логически необходимые для выполнения измерения.

Функциональная схема может использоваться для выбора характеристик прибора и анализа его действия, определения требований к отдельным узлам.

Традиционно принято давать следующее описание назначения отдельных узлов измерительного оптического прибора.

Осветитель (рис.1) предназначается для освещения тестовых объектов или объектов измерения. Обычно осветитель состоит из лампы накаливания, конденсора и светофильтра. Все чаще в качестве источников используются лазеры.

Тестовый объект (pиc.1) - это типовой объект (точка, перекрестие, решетка, см. часть 1 данного пособия). Штриховой линией обведен узел, используемый в приборах, работающих с тестовыми объектами, и отсутствующий при измерении непосредственно по объекту [8].

Изображающая оптическая система (рис.1) предназначена для создания изображения объекта (или тест-объекта) в плоскости приемника и анализатора изображения. Деление оптических систем на типы производится, как обычно, по положению предмета и изображения [9].

Осветитель, тест-объект и изображающая оптическая система, стоящая перед измеряемой деталью объединяются в один функциональный блок - осветительное устройство, назначение которого состоит в создании светового потока, получающего под воздействием испытуемого объекта информацию об измеряемом параметре и обращающегося в оптический сигнал.



Анализатор изображения (рис.1) состоит из собственно анализатора (в смысле сетки, марки, сканирующей щели, вращающегося диска, растра и т.д.) и приемника излучения (изображения). Анализатор изображения вырабатывает на выходе сигнал, который может указывать момент выполнения оптической измерительной наводки (наведения, установки, например, совпадение изображения объекта и окулярного перекрестия). В фотоэлектрических анализаторах этот сигнал, в отличие от оптического сигнала на входе, представляет собой электрический сигнал.

Устройство обработки информации обычно представляет собой совокупность аналоговых или аналого-цифровых преобразователей, встроенных в прибор микропроцессоров или отдельно расположенных компьютеров, снабженных специально разработанными программами.

В визуальных приборах обработку информации производит оператор.

Установочное устройство (рис.1) предназначается для перемещения отдельных узлов измерительного прибора относительно друг друга. Оно состоит из направляющих, передаточного механизма и привода.

Основные требования к установочным устройствам - чувствительность, точность и отсутствие значительного трения. В измерительных приборах используются специальные направляющие прямолинейного и вращательного движения. Установочное устройство функционально связано с тем узлом, которому придано рабочее смещение. Таким узлом может быть объект, изображающая система, анализатор изображения, система наведения в целом, отсчетное устройство.

Отсчетное устройство (рис.1) предназначено для получения отсчета (то есть определения по внутреннему эталону измерительного прибора числа, соответствующего выполненному наведению на объект), передачи отсчета на вход устройства обработки информации и его регистрации.

Для отчётных устройств характерны узлы, развертывающие шкалу прибора для определения её дробных частей. Развертывающие узлы делятся на механические, оптико-механические и оптические. В оптикомеханических развертывающих узлах выполняется операция наведения на штрих основной шкалы, аналогичная наведению на объект, поэтому отсчетные системы можно рассматривать как "прибор в приборе" со своими устройствами подсветки и наведения.

В настоящее время широко используются матричные приемники информации. Принципиально они могут одновременно служить и отсчетными устройствами, в которых носителем единицы протяженности является расстояние между элементами матрицы.

Управляющее устройство (рис.1) измерительного прибора предназначено для управления всем процессом измерения, от настройки прибора до получения результата измерения. Процесс измерения представляет собой последовательность перемещений, которые, как было сказано, можно разделить на настроечные и рабочие. Конструктивно управляющее устройство может быть совмещено с устройством обработки информации, например - компьютером.

Работа измерительного оптического прибора Суммируя сказанное об отдельных функциональных устройствах измерительного оптического прибора, перечислим основные операции, выполняемые в процессе измерения [8].

Операции грубой настройки прибора - настройка освещения, центрирование, фокусирование и развороты вокруг оптической оси отдельных узлов прибора, а также установка всего прибора по отвесу. К этой же группе операций следует отнести установку объекта измерения.

Операции тонкой настройки прибора – это, обычно, фокусирование при поперечных измерениях и центрирование при продольных.

Операции "рабочее смещение" и "наведение". Непосредственно измеряемой величиной в наводящих измерительных оптических приборах служат продольные или поперечные координаты на объекте или интенсивность как функция от координат. При измерении координат рабочее движение представляет собой перемещение вдоль измеряемой координаты, наведение и отсчет. В случае измерения распределения интенсивности рабочим движением также является смещение по координатам на объекте или изображении и определение координаты элемента оптико-измерительного изображения.

Операция "снятие отсчета". Для визуальных отсчетных устройств эта операция состоит в наведении перекрестия сетки отсчетного устройства на штрих шкалы, а затем считывание значения по шкале.

Операция "обработка результатов наблюдений". В компьютеризированных приборах выполняется регистрация результатов отдельных измерительных наблюдений, которые затем используются для расчета измеряемых параметров.

Характеристики изображающих оптических систем Изображающие оптические системы служат для формирования оптического измерительного изображения, то есть согласования объекта (или тест - объекта) с анализатором изображения.

Наиболее важными для оптического измерительного прибора являются структурные характеристики (см. Часть 2 данного пособия, а также [1, 2,3,8,9]).

ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОДУЛЬНАЯ ИДЕОЛОГИЯ СИНТЕЗА И УНИФИКАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ Исследование обобщенной функциональной структуры прибора оптического контроля; блоки - модули Рассмотрим принципиальные схемы распространенных установок контроля оптических деталей и систем существующими методами как ряд примеров [14]. Установка контроля крупно- или среднегабаритного сферического зеркала теневым методом - рис.2.

Рис. 2. Принципиальная схема установки контроля сферического зеркала теневым методом 1 – лазер, 2 – 3 - осветительная система, 4 – точечная диафрагма, 5 – светоделитель, 6 – объект исследования, 7 – нож Фуко, 8 – объектив наблюдательной системы, 9 – приемник изображения (матрица), 10 - компьютер Установка контроля оптической поверхности методом Гартмана (рис.3).





Рис. 3. Принципиальная схема установки контроля сферического зеркала методом Гартмана 1 – лазер, 2 – 3 - осветительная система, 4 – точечная диафрагма, 5 – светоделитель, 6 – объект исследования, 7 – диафрагма Гартмана, 8 – 9 – наблюдательная система с приемником изображения, 10 - компьютер Неравноплечий лазерный интерферометр (рис.4).

Рис. 4. Принципиальная схема установки контроля сферического зеркала на неравноплечем лазерном интерферометре 1 – лазер, 2 – 3 - осветительная система, 4 – точечная диафрагма, 5 – светоделитель, 6 – объект исследования, 7 – образцовая сферическая поверхность, 8 – объектив наблюдательной системы, 9 – приемник изображения (матрица), 10 - компьютер Установка наблюдения и исследования структуры изображения тестобъекта, построенного исследуемой системой (рис.5).

Рис.5. Принципиальная схема установки контроля сферического зеркала по ФРТ 1 – лазер, 2 – 3 - осветительная система, 4 – точечная диафрагма, 5 – светоделитель, 6 – объект исследования, 7 – переменный поглотитель (фотометрический клин), 8 – объектив наблюдательной системы, 9 – приемник изображения (матрица), 9а – блок обработки изображения, 10 - компьютер Проанализировав приведенные и другие известные схемы установок оптического контроля, найдем, что каждая из них может быть разделена на функциональные модули, которые можно сгруппировать, выделяя в каждой схеме:

осветительную систему (ОС), наблюдательную систему (НС), держатель объекта (ДО), модуль-анализатор первой ступени (МА1), приемник-анализатор изображения (модуль-анализатор второй ступени - МА2.

Безусловно, важнейшей категорией в предлагаемом перечне является блок-анализатор, так как он определяет в конечном счете принцип работы прибора и характер (форму) его функции преобразования.

Дальнейшие исследования предложенного принципа позволили сформулировать определения.

1. Осветительная система - это оптическое устройство, формирующее пучок лучей требуемой конфигурации (структуры), поступающий в схему контроля и направленный на объект исследования.

2. Модуль анализатор - это оптическое устройство, которое, взаимодействуя с пучками лучей, поступающими в схему контроля (где в качестве оптического элемента присутствует объект исследования), обеспечивает формирование оптико-измерительного изображения.

Рассмотрим конкретные примеры.

1) В неравноплечем лазерном интерферометре модуль-анализатор включает в себя светоделитель и сферическое эталонное зеркало.

6) В установке контроля по методу Гартмана модуль-анализатор - диафрагма Гартмана (в качестве наблюдательной системы выступает фотопластинка).

7) В установке контроля по теневому методу с ножом Фуко анализатор - нож Фуко.

8) В установке контроля оптической системы по ФРТ (структуре пятна рассеяния) или другого изображения тест-объекта анализатором служит тест-объект, а также модулятор светового потока и экспозиции.

В случае, когда перед окончательной оценкой оптико-измерительное изображение подвергается дополнительной трансформации, устройство, обеспечивающее формирование окончательного оптического изображения, служит анализатором второй ступени. Часто в этой роли выступает ЭВМ или аналоговый приемник изображения, позволяющий трансформировать изображения или их структуру в нужном направлении. Объем и достоверность информации о свойствах системы в процессе ее контроля определяется в основном действием анализатора первой ступени.

Анализаторы последующих ступеней определяют главным образом полноту использования выделенной визуальной информации, что, конечно, тоже немаловажно.

Итак, проводя анализ приведенных схем группы оптических установок, получаем возможность каждую из них расчленить на функциональные блоки-модули. Анализ схем и практика показывают также, что такие блоки, как осветительная система, наблюдательная система, приемник и анализатор изображения могут быть унифицированы для групп приборов контроля, работающих на различных принципах и выполняющих разные задачи контроля.

Таким образом, создаются предпосылки разработки глубоко унифицированного комплекса принципиально разных приборов контроля.

Итак, в унифицированном блочно-модульном комплексе приборов оптического контроля модулем-анализатором названо устройство, которое обеспечивает формирование оптико-измерительного изображения.

Анализатором первого порядка (МА1) назовем оптическое устройство, в котором пучок лучей, поступивший в схему контроля (где в качестве оптического элемента присутствует объект исследования), обеспечивает формирование первичного оптико-измерительного изображения.

Многие традиционные на сегодня методы оптического контроля состоят в визуальном восприятии и экспертной оценке качества и характеристик объекта исследования по виду и особенностям наблюдаемого оптикоизмерительного изображения. Однако в ходе решения задач повышения чувствительности и производительности оптического контроля, снижения трудоемкости и улучшения условий труда контролера, а также при автоматизации контроля, появляется необходимость трансформации оптико-измерительного изображения. Целями трансформации могут быть:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.