автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование системы контроля углов и пирамидальности оптических призм

1 !> ллювскш гис-'да! чпшй ш у1(иш чшът

г-

СГ:

гьп/шзш и картографии

СП

I Нс1 правак рукописи

ДО 585.8

Ш. Е П И Л и В СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ,! конпюля УГЛОВ И ПИРАМИДАЛЬНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПРИЗМ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электг.оннмс"' пиюойи

А Б Т 0 1' Е Ф Е Г' А '1

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1907

Работа выполнена в Московском Государственном Университете

геодезии и картографии.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Соломатин В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Майоров А. А.

кандидат технических наук Старцев Т. П.

Ведущее предприятие Зашита состоится

специализированного Совета KQ63.01.04 по защите диссертаций и соискание ученой степени кандидата технических наук при Москов еком Государственном Университете геодезии и картографии по адре су: 103064,

г.Москва, Гороховский пер., 4.

в

НПО "Геофизика"

¿¿Ж

__чаео

«часов на заседани

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан ___13:

37 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

Соломатин В. А.

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Высокие требования к оптическим и оптико-электронным приборам обеспечиваются качеством их элементной базы. Наиболее распространенным видом деталей, составляющих эту элементную базу, являются оптические призмы, известные свойства которых обусловили их широкое применение в оптике. В настоящее время технологический процесс производства оптических призм требует'Контроля их угловых и линейных размеров на каждом этапе. Следует отметить, что измерение угловых параметров призм связано с большими трудностями, чем линейных. Помимо этого, допуски на линейные размеры оптических призм составляют величину 0,1...О,4мм, в то время как допуски на угловые размеры могут достигать десятых долей угловых секунд. Вот почему контроль угловых' параметров призм является важной задачей. Этот Факт объясняет наличие разнообразных способов контроля угловых размеров оптических призм, реализуемых ь различный по принципу действия и конструкции измерительных устройствах.

Современное производство оптических призм нуждается в настоящее время ь высокоточных, высокопроизводительных и вместе с этим универсальных измерительных системах. Эти три требования часто находятся в противоречии (например, повышение точности за счет увеличения времени измерения снижает производительность.), поэтому создание высокоточных, высокопроизводительных и универсальных автоматизированных средств контроля угловых параметров оптических призм в процессе производства является актуальной задачей.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является разработка принципов построения и методики расчета высокоточной, универсальной, высокопроизводительной автоматизированной оптико-электронной система контроля угловых параметров оптических призм и выработка рекомендаций по внедрению таких систем в производство на основе испытаний макетного образца.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ:

- обзор сушествуших методов и устройств контроля углов оптических призм и их сравнительный анализ;

- разработка теории и принципов построения углоизмерительных устройств для контроля параметров оптических призм на основе Фазовых оптико-электронных растровых преобразователей с двукратной модуляцией;

- анализ составляющих результирующей погрешности исследуемого макета прибора для контроля призм (ПКШ, разработка методики измерений и расчета конструктивных параметров;

- проектирование, изготовление отдельных звеньев ПКП и- испытание ■ макета прибора в действии;

- подготовка экспериментальной установки, разработка методики проведения эксперимента и анализ экспериментально полученных данных при контроле серии аттестованных оптических призм БР-90.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При выполнении работы использовались графоаналитический Фурье-анализ детерминированных сигналов , теория модуляции и демодуляции сигнала, методика расчета Фазовых оптико-электронных растровых преобразователей (ФОЭРП), теория ошибок

наблюдений, основы геометрической оптики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следушем:

1. Предложена оригинальная схема построения углоизмерительног устройства на основе ФОЗРП с двукратной модуляцией:

2. Впервые исследовано влияние двукратной модуляции на точност фазовых оптико-электронных растровых преобразователей Выведены формулы для нахождения оптимального соотношения частот несушей и огибающей, установлены условия сохранения несущей, даны рекомендации по Формированию геометрических размерен изображения и построению электронного тракта.

3. Проведен анализ точности измерения угловых параметров оптических призм, выявлены составляющие результирующей погрешности, даны рекомендации по их минимизации.

4. Разработана методика точностного расчета конструктивных параметров системы.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ работы подтверждается совпадение! теоретических выводов и зависимостей с результатами проведении! экспериментов. Разработанный способ измерения углов оптически) призм отличается высокой точностью (погрешность 0,2" - 0,5"), универсальностью, производительностью .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы состоит в доведении полученньп исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, поз-волякших непосредственно перейти к созданию опытного образца системы контроля угловых параметров оптических призм, удовлетворяющего требованиям современного производства. Найденный метод двукратной модуляции позволяет создавать качественно новые типы оптико-электронных приборов, работакших активным методом (дальномеры, угломеры и т.д..)

РЕАЛИЗАЦИЯ предложенного метода построения углоизмерительноп устройства была осуществлена на макете прибора для контроля приз! ПКП-1 и заключалась в практическом применении технических решений, позволивших создать макет принципиально нового прибора дл: контроля призм ПКП-2М.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований были рассмотрены I обсуждены на кафедре оптико-электронных приборов, докладывалис: на 'конференциях студентов, аспирантов и молодых учены: МИИГАиК. Действующий макет прибора ПКГ1-2М был представлен на 50-1 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молоды: ученых.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам работы были опубликовании три научно-технические статьи в журнале "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка" .

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Обоснование перспективности использования Фазовых оптико-электронных растровых преобразователей с двукратной модуляцией потока излучения для контроля углов и пирамидальности оптических призм.

2. Обоснование двукратной модуляции как нового принципа построения йОЭРП и рациональных способов ее реализации.

3. Аналитические соотношения для расчета конструктивных парамет ров системы контроля углов и пирамидальности оптических призм построенной на основе Фазового оптико-электронного растровое

преобразователя с двукратной модуляцией потока излучения.

4. Методика расчета нового перспективного типа оптико-электронных измерительным систем - ФОЗРП е двукратной модуляцией потока излучения.

5. Результаты экспериментальных исследований системы контроля угловых параметров оптических призм, постеленной на основе ФОЗРП с двукратной модуляцией, подтверждающие основные теоретические положения. '

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения объемом 134 страницы, иллюстрирована 33 рисунком, и 5 таблицами. Список использованной литературы включает 49 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. ВО ВВЕДЕНИИ охарактеризована актуальность темы и состояние исследований по теме диссертации, а также сформулированы цель и задачи работы.

Б ПЬРВОИ ГЛАВЕ диссертации приведен обзор сушесгвуших методов контроля угловых параметров оптических призм, рассмотрены принципы и схемы построения различных углоизмерительных устройств, реализующих,эти методы с указанием основных преимуществ и недостатков каждого из них. Описаны принципы действия указанных углоизмерительных устройств и даны оптические схемы. Анализ результатов обзора представлен в таблице, характеризующей используемые в настоящее время методы контроля"оптических призм в плане их сравнения по точности, производительности и универсальности. Проведенный анализ показывает достоинства углоизмерительных устройств для контроля параметров оптических призм, построенных по Фазовому принципу. _тши достоинствами являются:

- высокая точность и производительность (малое время измерений): •

- универсальность (возможность контроля всех угловых параметров оптических призм за одно базирование, включая пирамидальность при разной степени чистоты обработки граней, начиная с тонкош-лифованнои поверхности);

- бесконтактность и объективность измерении:

- простота технического решения;

- широкий динамический диапазон измерений;

- независимость от амплитудной нестабильности сигналов;

- простота методики измерений и обработки1 результатов.

Однако, Фазовым автоколлимашюнным системам свойственны их зависимость от различных помех (Фона, автоколлимационных бликов) и связанный с этим дефицит полезного сигнала. Проведенные эксперименты с макетом прибора для контроля призм ПКП-1, в котором несущая частота создавалась растром-анализатором в виде ра-диально-секторного диска, показали значительную зависимость такой схемы построения углоизмерительного устройства от присутствующих в ней автоколлимаиионных бликов и фона, что приводило к потере точности. Из теории помехозащищенности оптико-электронных приборов, работающих активным методом, известен способ введения высокочастотной несушей в источнике излучения. Однако, в фазовых оптика-электронных растровых преобразователях он не применялся, поскольку информация о фазе здесь содержится обычно в нервен гармонике ^смодулированного растром сигнала (огибашеш. а ьыооко-

частотная несущая способна исказить Форму огибавшей, что приводит к'потере точности.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1: 1. Современное производство нуждается в высокоточном, высокопроизводительном, универсальном устройстве контроля угловых параметров оптических призм; £. Поставленная задача может быть решена при построении такогс устройства по Фазовому принципу на основе Фазового оптико-электронного растрового преобразователя, где информация об углах содержится в разности Фаз модулированных сигналов. 3. Актуальной задачей является исследование возможности применения двукратной модуляции в ФОЭРП и исследование ее влияния неточность измерений.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ'исследованы рациональные пути реализации двукратной модуляции в ФОЭРП.

В фазовых оптико-электронных растровых преобразователях полезная информация закладывается при модуляции в Фазу сигнала на выходе приемника излучения. Если в плоскости модуляции изображение смешается по оси сканирования растра на величинуах,то происходит изменение Фазы модулированного сигнала на величину дс^, пропорциональную смешению: ДОС

ДЧ'* 27» -— , а)

I X

где Та- линейный период растра. По величине Дф может быть измерено перемещение Д X . Этот, принциг лежит в основе действия ФОЭРП. В целях улучшения помехозащищенности оптико-электронных преобразователей используют двукратну! модуляцию, т.е. введение несушей частоты с помощью самого растра. В высокоточных ФОЭРП. в . которых высокочастотный растр используется для решения измерительных задач, двукратная модуляииз в самом преобразователе практически не осуществима. Вопрос о введении несушей в ФОЭРП при активном методе работы до сих пор. не рассматривался. Появление дешевых малогабаритных полупроводниковых лазеров и мошных светодиодов, излучавших в импульсном режиме, позволяет вводить в ФОЭРП высокочастотное несущее колебание в источнике излучения. Такое колебание не синхронизировано с модули-ругаией частотой и поэтому возникает вопрос о потере точност! преобразования за счет искажения Фронтов модулирующей Функции колебаниями несушей. В главе 2 показаны пути минимизации соответствующей погрешности при анализе преобразования сигналов. Представим растр состоящим из чередующихся прозрачных и непрозрачны полос равной ширины, имеших период Т^и движущихся по оси х, перпендикулярной штрихам С рис.1). В плоскости растра расположен! световое пятно С изображение), которое модулируется растром. Распределение потока по оси сканирования описывается Функцией Кх) которая называется проекцией на ось х двумерного распределена освещенности ЕС х,у) в плоскости растра.

+ оО

Р(х)= / Е(х,Ч)<*у С2).

—оа

Периодичная функция Кх) описывает пропускание растра. Модулиро

■ £9 I

1 ' ! у Изображение

/\

«X)

1

Н(х)

Г

i • [г

и1к

ШШИШ

л

й(^)

о

tTt

о

№

1

±

Л, ^

Иг f Т т Ш.

I- -Т--1

1Ш1

к(Г-)

Г 1 |

-г«

*

о

-Л.

-и А

Гн

г,

Рис.1 Преобразование сигналс-з при двукратной модуляции.

г

о

х

ванный поток, описывается сверткой функций Fix) и RCx):

+ 00

ForC*) •= Fto* = dx.

C3)

Спектр свертки находится перемножением соответствующих спектро] РС Г^Ж ^), или с учетом спектральной плотности амплитуд - перемножением прямоугольной Функции единичной амплитуды:

- ее _оо

А ~ ± ■ <ш & где Ав," 51*^2. - амплитуды комплексного ряда Фурь;

разложения Функции Р.(х).

Таков спектр модулированного сигнала при однократной модуляцш растром. Но поток, модулируемый растром, имеет высокочастотну1 несущую. Спектр несушей при произвольной ее форме выражаете: спектральной плотностью:

Л СО ,

w=larth-£(fx-<mh) . с6)

где Алц - амплитуды гармоник еоответствукшего комплексного ряда, Двукратно модулированный поток описывается Функцией:

а спектр двукратно модулированного потока есть свертка:

f* (и)' J*FH(Я = [F(jx>йб,]] * FH (jx)

C8J

При этом огмбакшая функция должна быть нормирована, а уровень полезного сигнала определяется несушей. При нахождении изображены: в прозрачном участке растра уровень огибавшей (пропускания) будет единичным, но характер этой огибающей определяется свертко] функций F(x) и КСх).

Из рассмотрения двукратно модулируемого сигнала и его спектр можно сделать следующие выводы. Спектр модулирующей огибаыцей может искажаться из-за наложения боковых полос,при этом искажена фазы первой гармоники в спектре модулирующей (огибакшей) функши может быть оценено индексом паразитной фазовой модуляции:

Ai

сш

где А„,-амплитуда максимальной из накладывающихся гармоник. А^амплиту да первой гармоники. Индекс паразитной Фазовой модуляции и, соответственно, Фазово

□ грешности зависит от формы огибакшей Fcr(x} В свою очередь, Fer(x) пределяется распределением потока в изображении и соотношением азмера изображения и периода растра Т*.Желательно иметь как можно олее быстро убывающий спектр Fcr{fx),T. е. Форму сигнала как можно ¡лиже к синусоидальной. Как один из вариантов такого приближения круглое световое пятно диаметром V2. Четные гармоники в спектре 'Гибающей всегда отсутствуют, независимо от распределения потока ; изображении. Величина дцм зависит также от соотношения частот юдулируюцей и несущей ft. Чем больше ft, тем дальше отстоят боковые полосы в спектре модулированного сигнала и тем меньшая по ам-[литуде гармоника накладывается на первую.'Ориентировочно можно :читать г /I г I

. _ Anv _ Fer (Щ

L ' Ai = X•С1Ш

где к= Так.например, в наихудшем случае, когда огибающей яв-1яется' [прямоугольная Функция С это будет иметь место при точечном ¡зображении)

л - X Дпм • ¡1

при к=10

иМ=5,7°,что недопустимо для высокоточных преобразований. Форма несущей не влияет на индекс паразитной фазовой модулями. Эта Форма и скважность импульсов влияет на абсолютную величи-iy гармоник в спектре , но на их соотношение не влияет.Очевид-ю,для улучшения энергетических соотношений необходимо строиться к увеличению амплитуды первой гармоники в спектре 1есущей.Амплитуда гармоник на частотах frt±(полезного сигнала) >авна Ае=А<м-A,OI, причем гармоника А <0г в спектре огмбаицей опреде-1яется по нормированной Функции For(x). При синусоидальной огибакшей :о стопроцентной глубиной модуляции At= ^ .Поскольку в спектре 1гибашдей четные гармоники отсутствуют,можно найти такое соотно-ение к частот несущей и огибающей.при котором первая гармоника в ¡оковой полосе на частоте fH , т. е. гармоника с частотой (f'H - ) юпадет в "нуль" центральной полосы спектра, т. е„ на место отсут-твуюцей четной гармоники, при этом наложение гармоник не произойдет. Очевидно таким соотношением будет равенство;

где 1=5,6,7,... , Гн - Несущая частота,^ - частота огибашеи. бедует отметить, что модулирующая и несущая не синхронны а так-:е и то обстоятельство, что при строго синусоидальной форме оги-¡аицей происходит явление "замирания" несущей. При этом фронт мо-[улирушей искажается по Фазе на величину и возникает не-

днозначность отсчета фазы, связанная с ' "потесей" первого им-|ульса ь пачке. Соответствушая погрешность при этом определяет-■я выражением:

ь +ДД- < Тх >(133

где Ти , Т0г - периоды несушеи м огибакшей соответственно: Гн . Гог - частоты несушеи и огибашей соответственно. Замирания несуще 'л шяио избежать, если отказаться от етопгчмюн тноп глубины модуляции, т.е. принять размер изображения несколько большим величины Т*/£, что достигается, например, расфокусировкой. При этом возникнут определенные энергетические потери, связанные с неэффективностью использования светового потока при модуляшш растром-обтюратором, однако повышается точность за счет устранения неоднозначности отсчета Фазы. Энергетические потери учитываются введением соответствукшего коэффициента глубины модуляшш, меньшего единицы. Сохранение несущего колебания опреде -ляет требования к изображению. Формируемому оптической системой прибора. Показано, что предпочтительно иметь круглое изображение с равномерным распределением осЕешенности. Допуск на его размеры определяется из неравенства:

ь - " 2

где с!' - диаметр изображения,Т* - линейный период растра,

ДТ - минимальный допуск на размеры изображения. Нижний предел неравенства связан через величину ДТ е требуемым отношением сигнал/шум, а верхний - с еше допустимой величиной глубины модуляции.В случае .когда в целях получения требуемого размера изображения в плоскости растра-анализатора используются свободные оптические параметры коллиматора-осветителя (как например. в макете ПКП-2М), удобно пользоваться зависимостью для расчета коллиматора вида:

Ст ¿к- , ¿/оЛ"

Тх Л к '*

где Г^ - фокусное расстояние объектива ПКП-2М, Г^ - фокусное расстояние объектива коллиматора, с! к - диаметр точечной диафрагмы коллиматора, Т» - линейный период растр«. Актуальным является вопрос о построений электронного тракта при двукратной модуляции. Внутренняя модуляция в источнике легко осуществляется с помошью задающего генератора, имекшего в своем составе два счетчика-делителя с коэффициентами деления М и N. Изменяя N можно изменить несущую частоту, а изменяя М - соотношение между несушей и огибашей. Именно простотой регулировки частоты несущей можно обосновать ее выбор в качестве свободного параметра при проектировании системы в целом. Использование двукратной модуляции в ФОЗРП позволило снизить порядок резонансных усилителей, а соответственно, и требования к стабилизации несущей. Усложнение электронного тракта при этом представляется мнимым, а по сути дела упрощаются его звенья, ОСНОВНЫЕ вывода ПО ГЛАВЕ 2:

Таким образом, в главе 2 был теоретически рассмотрен вопрос о возможности применения двукратной модуляции в ФОЗРП на примере прибора для контроля угловых параметров оптических призм ПКП-2М и

даны основные рекомендации. Было показано, что: 1.- Двукратную модуляцию целесообразно осуществлять г.ут-м ьмсо-кочаототной внутренней модуляшш в источнике т.луч.-ния и - после душе го сканирования изобретения растром. Ус-лоымми рационального осуществления двукратной модуляции в ФОУРП являи/гся:

. • - синусоидальная Форма огибашей при произвольной Форме импульсов несушей и их скважности:

- соотношение частот несушей и огибающей, выраженное Формулой СИ), позволякшее избежать Фазовые искажения и связанные с ними погрешности отсчета Фазы;

- недопущение явления замирания несущего колебания в целях сохранения однозначности отсчета Фазы, что достигается выполнением требований к изображению. Формируемому оптической системой, определяемых Формулой С 13.1.

3. Помехозащищенность 403РП с несушей позволила использовать в его электронном тракте резонансные усилители низшим порядков и снизить требования к стабилизации частоты вращения растра.

4. Приведенные выше преимущества двукратной модуляции в 40ВРП оп-. равдывают ее применение и в других оптико-электронных системах. работающих по фазовому принципу.

• 5. Применение двукратной модуляции в ФОЭРП требует уточнения

известной методики расчета их конструктивных параметров и корректировки рабочих Формул. ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации посвяшена анализу точности и методике точностного ! аочета системы контроля угловых параметров оптических призм ПКП-2М. Отмечена возможность построения углоизмери-тельного устройства, работающего активным Фазовым методом с двукратной модуляцией,по автоко.плимационной и коллимационной схеме и выведены Формулы для расчета коэффициентов преобразования и рабочие Формулы определения углов призм. Отмечена целесообразность применения коллимационной схемы построения, поскольку при авто-коллимаиионном способе присутствуют автоколлимаиионные блики, потери сигнала при двукратном прохождении оптической системы, сокращение диапазона измеряемых угловых отклонений призм.

В структуре результирующей погрешости макета выделены следующие доминирующи* составляющие:

- фазовые искажения при наложении'гармоник, соседних полос спек-

• тра двукратно модулированного сигнала на первую;

- неоднозначность отсчета Фазы при замирании несущей;

- действие как внешних, так и внутренних помех, вызываших Фазовые Флуктуации;

- инструментальные погрешности, вызванные неточностью параметров звеньев ФОЭРП:

- нелинейности' преобразования ФОЭРП, вызванные особенностями его конструкции;

- -погрешность при базировании призм:

- методические погрешности, связанные с калибровкой приборе и об-■ работкой информации.

В третьей главе диссертации приведены рабочие формулы расчета частных составляющих результирующей погрешности, указаны пути их

минимизации о помощью предложенных технических решении и методик ■ обработки информации об измеренных углах оптических призм.

Основные составляише результируицей погрешности макета ПКП-2М

ТАБЛИЦА 1

Погрешность

Рабочая формула

Фазовые искажения при наложении гармоник

Ал

Апм л,

где:

&ш-индеке паразитной Фазовой модуляции: Д^-максимальная амплитуда гармоники.накладывающейся на первую: -амплитуда первой гармоники.

Замирание несущей

где:

¿V

Тн -

■погрешность отсчета фазы при замирании несущей; -период несущей: -период огибающей.

флуктуационная погрешность

v-

ш>

А

к^/ф.З/а^

где:

б,, -среднеквадратическое значение Флук-туационной погрешности; -отношение сигнал/шум: -эквивалентная шумовая полоса спектра;) эффективная шумовая полоса инерцион-' но го звена фазометра.

г

Погрешность растра

Лц>

пм

¿Кб*

Тг

где:

&4>пм-индекс тональной угловой модуляции: бих -максимальное отклонение штрина растра:

Тх -линейный период растра-анализатора.

Нелинейность преобразования а) растра

б) при пирами-дальности призм

где:

И-Ъ

где:

ее -

I .

я.

Д.Ч'к,-х. -

Тх-

максимальная погрешность нелинейности преобразования растра; значение Фазы при максимальном смещении изображения; смещение изображения: •радиус рабочей дорожки: погрешность нелинейности преобразования при пирамидальности; координата изображения: Фокусное расстояние объектива; ошибка пирамидальности: линейный период растра.

Погрешность базирования

120°. Тх - г

А

А !_

где:

Д^Б-значение погрешности базирования; ■размер микронеровности (зернистость шлифовального порошка): длина установочной грани контролируемой призмы: р -коэффициент связи угловой и радиану ной меры;

-Фокусное расстояние объектива; Ух -линейный период растра.

Рис.2 Схема алгоритма расчета конструктивных параметров ФОЭРП с двукратной модуляцией.

Проведена оценка численных значений погрешностей и предложен способ их суммирования. На основании результатов, полученных в третьей главе диссертации, предложена методика точностного расчета ФОЭРП с двукратной модуляцией и последовательность расчета конструктивных параметров и допусков на его звенья (рис.£). где Дх _ результирующая погрешность,- динамический диапазон измерений, предельная частная погрешность, jM- - сигнал/шум, ■СЕ п 3- - пороговая освещенность приемника излучения, A g% - плошадь входного зрачка, -iEcg'> - эффективная облученность объектива прибора, D/f - относительное отверстие объектива,- Т* - линейный период растра, К - коэффициент преобразования прибора, R - радиус рабочей дорожки растра, Д. R - допуск на радиус рабочей дорожки. Slu. - накопленная погрешность растра, N - число штрихов растра, п - -частота вращения растра, for - частота огибающей, kf0r - девиация частоты огибающей, fH - частота несущей,D - диаметр входного зрачка, f'of - Фокусное расстояние объектива, Фп - пороговый поток приемника излучения, Ф cg - световой поток, падающий на объектив. Г'к - Фокусное расстояние объектива коллиматора, d < - диаметр точечной диафрагмы коллиматора, D ц- диаметр объектива коллиматора, Т - постоянная времени приемника излучения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3:

1. Несмотря на неоспоримые преимущества Фазовой двукратной модуляции полезного сигнала, используемой в макете прибора для

,-контроля оптических призм ПКП-2М, его результирующая погрешность имеет довольно сложную структуру и состоит из многих составляющих, анализ которых проведен в настоящей главе. Необходимая точность., определяемая результирующей погрешностью, требует учета всех ее составляших и назначения соответствующих допусков на звенья приборам

2. Для приборов с использованием 40ЭРП с несушей характерно присутствие погрешностей; связанных с двукратной модуляцией сигнала. Доминирующее влияние при этом будут иметь погрешности за счет Фазовых искажений, связанных с наложением гармоник в спектре двукратно-модулированного сигнала при нарушении расчетного соотношения частот несуиеп и огибающей. Флуктуация отсчета Фазы, приводящих к погрешностям при измерениях в результате замирания несущего колебания при недопустимом изменении размеров изображения в плоскости анализа.

3. Наличие ошибки пирамидальности у контролируемых призм влияет на точность контроля двугранных углов. Это вносит коррективы в методику измерений, рекомендующую первоначально контролировать пирамидальность призм,и при ее значительности либо провести измерения при двух различных базированиях контролируемой призмы, с последующим осреднением результатов, либо пересчитать коэффициент преобразования.

4. Наличие радиально-секторного анализатора в ПКП-2М также как и ошибка пирамидальности контролируемых призм,является причиной нелинейности преобразования. Для ее избежания помимо приведенной выше методики измерения можно рекомендовать построение ПКП-2М в ехемо-техническом плане с применением цилиндрического растра, у которого отсутствует нелинейность преобразования.

5. Погрешность базирования контролируемый призм в Г1КП-2М является доминирующей при меньшей степени чистоты обработки установочной поверхности С при контроле прилежащих к ней двугранных1 углов) и отсутствует при контроле вершинных углов оптических призм (БР-90).

6. Полученные соотношения и методика позволяют рассчитать конструктивные параметры прибора из услоеия требуемой точности.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ диссертации описаны экспериментальные исследования. В ней отражена схема построения экспериментальной установки и макета исследуемого прибора (рис.3,4), разработана методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4:

1. Экспериментально обоснована целесообразность применения двукратной модуляции в ФОЗРП в целях повышения точности измерений и помехозащищенности,что проявилось в двадиатикратном уьч личении отношения сигнал/шум и стабильности отсчета Фазы не хуже 0,2? что в пересчете в угловую меру составляет величину 0,3". На основании данного результат« подтверждается также и перспективность использования ФОЗРП <_• дьукратнол модуляцией ь других видах информационно-измерительных приборов, работающих активным методом, например, дальномерах.

2. Двукратная модуляция в ПКП-2М позволила контролировать оптические призмы с незеркальными поверхностями .

3. Экспериментально установлено значительное влияние несущей на Флуктуации отсчета Фазы, и подтверждается повышение точности при сохранении несущего колебания почти в три раза.

4. Экспериментально получена предельная погрешность измерения двугранных углов серии из четырех оптических призм с незеркальными полированными гранями, которая не превысила значения 0,3" , что соответствует расчетному значению погрешности в пределах 10% .

5. Дана экспериментальная оценка погрешности базирования оптической призмы с полированной установочной поверхностью длиной 30 мм, которая составила предельное значение 0,5", что соответствует теоретически рассчитанному с ошибкой 10% , для полированной установочной поверхности.

6. Экспериментально подтверждено соответствие коэффициента преобразования прибора ПКП-2М теоретически рассчитанному с ошибкой 0,03 »/" для серии из четырех оптических призм с незеркальными полированными гранями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Контроль угловых параметров оптических призм с высокой степенью точности является актуальной и вместе с этим сложной задачей, которая решается с помошью различных по принципу • построение оптических и оптико-электронных приборов и систем. Обшей закономерностью для такого рода измерительных устройств в связи с непрерывным развитием оптического приборостроения является стремление к повышению их точности, универсальности и производительности. Наиболее выгодно с точки зрения простоты и доступности указанное сочетание этих показателей качества реализуется в oimt-

Рис.3 Схема фазовой оптико-электронной системы контроля угловых параметров оптических призм (ПКП-2М),где # 1,1-источник излучения,2,2-точечная диафрагма,3,3-объектив коллиматора,4-контролируемая призма,¿-объектив, 6-светоделительный блок,7-генератор опорного напряжения, 8, 9-приемник излучения,10-растр,11-усилитель-но-преобразующий электрический тракт,12-фазометр, 13-ооциллограф.

[ий|*

ко

ОС

гн

Растр

ПИ

ЖЬЭ-

ГОН

иг

/ТА*

/ГМ

Регулятор частоты вращения [

из

Задающий генератор

т

Ц4

т

Ц5

Г

I I

Рис.4 Структурная схема усилительно-преобразующего тракта (ПКП-2М), где

ПИ- приемник излучения,КО- контролируемый объект, ОС- оптическая система,ИИ- источник излучения,ГН-генератор накачки,ГОН- генератор опорного напряже- ' ния, а,иг - буфферный усилительиз - фазовый дискриминатор, и - частотный дискриминатор,№ - уси-

литель мощности жение,

ния ния

и/ - преобразователь ток-напря-счетчик-делитель с частотой деле- счетчик-делитель с частотой деле-ч[](- - кварцевый

7<Г] - полосовой фильтр,

генератор,

пи/

- выпрямитель,

- сумматор.

ко-электронных информационно-измерительных устройствах, работавших по Фазовому принципу , каковой является исследованная в настоящей работе система контроля угловых параметров оптических призм .

В результате выполнения диссертационной работы получены еле-дукшие основные результаты.

1. Теоретически и экспериментально обоснована перспективность использования фазовых оптико-электронных растровых преобразователей с двукратной модуляцией потока излучения для контроля углов и пирамидальности оптических призм.

2. Аналитические соотношения, приведенные в главах 2 и 3 позволяют рассчитать влияние конструктивных параметров системы контроля углов и пирамидальности оптических призм,построенной на основе фазового оптико-электронного растрового преобразователя с двукратной модуляцией потока излучения, на точность измерений.

.3. Исследована двукратная модуляция потока излучения в фазовый растровых преобразователях, показаны рациональные способы ее реализации без потери несущей С13), С14),доказана возможность сохранения Фазовой информации о координатах изображения с высокой степенью точности, определены оптимальные соотношения частот несущей и огибающей СИ), показана высокая точность и помехозащищенность Фазовых растровых преобразователей с двукратной модуляцией потока излучения. 4. Разработана методика расчета нового перспективного типа оптико-электронных измерительных систем - ФОЭРП с двукратной модуляцией потока излучения, которые могут быть использованы не только для контроля угловьи параметров оптических призм, но и в составе автоколлиматоров, базовых угломеров и других измерительных систем, работавших активным методом. ■5. Теоретические и экспериментальные исследования, доведенные в диссертации до конкретных инженерных рекомендаций, - позволяют поставить ОКР по разработке экспериментального образца универсальной автоматизированной системы контроля углов и пирамидальности оптических призм с погрешностью контроля 0 2" , ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Шепилов С. А. Обзор методов контроля оптических призм. // Изв.

вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1936. - М 1-2. - с.143-152 £. Соломатин В. А., Трусов А. И., Шепилов С. А. Двукратная модуляция в Фазовых оптико-электронных растровых преобразователях. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 19Й6. - N 4 ~ е. 121-127

3. Трусов А.И.. Шепилов С.А. К вопросу о построении электронного т'юкта при двукратной модуляции. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1997. - N 1. - с. 86-89

Подп. к печати 19.05.97 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ. л. 1,2 Уч.-изд. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ №139 Цена договбрна^

МосГУГиК

103064, Москр. ' : I, Гороховский пер., 4