Основные погрешности контроля соосности с помощью авторефлексионной оптико-электронной системы
ÐÀÑ×ÅÒ, ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ
ÓÄÊ 681.7.055.2
ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÎÃÐÅØÍÎÑÒÈ ÊÎÍÒÐÎËß ÑÎÎÑÍÎÑÒÈ Ñ ÏÎÌÎÙÜÞ ÀÂÒÎÐÅÔËÅÊÑÈÎÍÍÎÉ ÎÏÒÈÊÎ-ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÑÈÑÒÅÌÛ
2009 ã.
À. Ã. Àíèñèìîâ; À. Ì. Àëååâ; À. Â. Ïàíòþøèí; À. Í. Òèìîôååâ, êàíä. òåõí. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: oeps@grv.ifmo.ru
 ðàáîòå ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè àâòîðåôëåêñèîííûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì. Ïðîâåäåí ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, âûÿâëÿþùèõ îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè. Ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè íåëèíåéíûå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè îïòè÷åñêîé ñèñòåìû. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü íà áàçå îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè, ðåàëèçîâàííîé ïî àâòîðåôëåêñèîííîé ñõåìå. Ïîêàçàí ýôôåêò êîìïåíñàöèè ñèñòåìàòè÷åñêèõ ïîãðåøíîñòåé. Íà ñïåöèàëèçèðîâàííîì ñòåíäå äëÿ êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå çàÿâëåííîé òî÷íîñòè îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè îòíîñèòåëüíî ïîâåðî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãè. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íåçíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿò çàäàííûå çíà÷åíèÿ, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Êîäû OCIS: 120.4630, 120.02820, 150.3040.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 02.06.2008.
Ââåäåíèå
Îäíèì èç óñëîâèé êà÷åñòâåííîãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñëîæíîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîáëþäåíèå âûñîêîé òî÷íîñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïîëîæåíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ åãî ýëåìåíòîâ îòíîñèòåëüíî ñèñòåì ïðÿìîëèíåéíûõ ìîíòàæíûõ îñåé. Âñëåäñòâèå ýòîãî çàäà÷à áåñêîíòàêòíîãî êîíòðîëÿ ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ îòíîñèòåëüíî ïðîòÿæåííîé ëèíåéíîé áàçû àêòóàëüíà âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Äëÿ âûïîëíåíèÿ äàííîãî òðåáîâàíèÿ íåîáõîäèì ïðîñòðàíñòâåííûé êîíòðîëü, êîòîðûé ÷àñòî ðåàëèçóåòñÿ ñ ïîìîùüþ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì.
Áåñêîíòàêòíîñòü, äèñòàíöèîííîñòü è âîçìîæíîñòü ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññîâ èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì â ñî÷åòàíèè ñ âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì ïîçâîëÿåò øèðîêî èñïîëüçîâàòü ýòè ñèñòåìû äëÿ àêòèâíîãî êîíòðîëÿ ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ (ïîçèöèîíèðîâàíèÿ). Äàííîå òðåáîâàíèå îáåñïå÷åíî îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìîé êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè (ÎÝÑÊÑ).
Çàäà÷åé ÎÝÑÊÑ ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå ñìåùåíèÿ êîðïóñíûõ äåòàëåé öèëèíäðîâ (ÊÄÖ) òóðáîàãðåãàòîâ îòíîñèòåëüíî ðàáî÷åé îñè ðîòîðà ñ òî÷íîñòüþ
0,06 ìì â âåðòèêàëüíîé è ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòÿõ. Îñü ðîòîðà îïðåäåëÿåòñÿ â áàçîâûõ ðàñòî÷êàõ (ÁÐ) â ïðîöåññå èçìåðåíèé ïî èçâåñòíîé ìåòîäèêå [1]. ÎÝÑÊÑ ïîçâîëÿåò ïåðåñ÷èòûâàòü ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé îòíîñèòåëüíî ñîáñòâåííîé âèçèðíîé ëèíèè (ÂË) ê çàäàííîé îñè ðîòîðà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü “ïðîâåøèâàíèÿ” ÂË ÷åðåç çàäàííûå êîîðäèíàòû, ÷òî çíà÷èòåëüíî îáëåã÷àåò ïðîöåññ èçìåðåíèé.
 ÎÝÑÊÑ çàäà÷à ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîçèöèîíèðîâàíèÿ ðåàëèçîâàíà ìåòîäàìè àâòîðåôëåêñèè è àâòîêîëëèìàöèè ñõîäÿùèõñÿ ïó÷êîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü âûñîêîòî÷íûå èçìåðåíèÿ ëèíåéíûõ ñìåùåíèé áåç îïðåäåëåíèÿ äèñòàíöèè äî êîíòðîëüíîãî ýëåìåíòà è îáåñïå÷åíèÿ ïèòàíèÿ íà îáúåêòå êîíòðîëÿ.
Ïðèíöèï ðàáîòû ÎÝÑÊÑ ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 1. Íà ïðèáîð ñ çàðÿäîâîé ñâÿçüþ (ÏÇÑ) 1, íàõîäÿùèéñÿ â ïðèåìíîì áëîêå 2, ÷åðåç îáúåêòèâ 3 èçëó÷àþùåé ãîëîâêè 6 ïðîåöèðóþòñÿ èçîáðàæåíèÿ äâóõ ïàð ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èçëó÷àþùèõ äèîäîâ (ÏÈÄ) 4, 5.  êà÷åñòâå îòðàæàòåëÿ èñïîëüçóåòñÿ òðèïåëüïðèçìà 7, îáúåêòèâà – òåëåîáúåêòèâ ñ ïîäâèæíûì îòðèöàòåëüíûì êîìïîíåíòîì. Àâòîìàòè÷åñêè íà èçîáðàæåíèè îïðåäåëÿþòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèå öåíòðû òÿæåñòè èçîáðàæåíèé ÏÈÄ. Ñ ó÷åòîì êîíñòðóêòèâíûõ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
3
56 4 1 23
7
Ðèñ. 1. Ïðèíöèï ðàáîòû ÎÝÑÊÑ.
ïàðàìåòðîâ ïðîèçâîäèòñÿ ðàñ÷åò ïîïåðå÷íîãî ñìåùåíèÿ êîíòðîëèðóåìîãî îáúåêòà îòíîñèòåëüíî ÂË. Ïîñëå ýòîãî ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé îò ýëåìåíòîâ ÏÇÑ (ïèêñåëîâ) ïåðåñ÷èòûâàþòñÿ â àáñîëþòíûå åäèíèöû èçìåðåíèÿ (ìèëëèìåòðû). Äàííûå èçìåðåíèé ïåðåäàþòñÿ â ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð, ãäå îáðàáàòûâàþòñÿ, ïðèâîäÿòñÿ ê âèäó, óäîáíîìó äëÿ îïåðàòîðà è ñîõðàíÿþòñÿ â áàçå äàííûõ èçìåðåíèé.
Öåëüþ äàííîãî èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ àíàëèç ñîñòàâëÿþùèõ ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ. Ïðåäëàãàåòñÿ ðàññìîòðåòü êàê ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, òàê è ñëó÷àéíûå. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî âñå èññëåäóåìûå âîïðîñû äîñòàòî÷íî ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ â ðàáîòå äðóãèõ îïòè÷åñêèõ, îïòèêî-ýëåêòðîííûõ è òåëåâèçèîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì, ÷òî ïîä÷åðêèâàåò àêòóàëüíîñòü äàííîé ðàáîòû.
Àâòîðåôëåêñèîííûå ñõåìû óñòðîéñòâ ñ ìàòðè÷íûìè ôîòîïðèåìíûìè óñòðîéñòâàìè (ÌÔÓ) ïðèìåíÿþòñÿ â ñîâðåìåííîì ïðèáîðîñòðîåíèè îòíîñèòåëüíî íåäàâíî è ÿâëÿþòñÿ åùå íåäîñòàòî÷íî èçó÷åííûìè. Òàê äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè íåïîëíî èññëåäîâàí âîïðîñ âëèÿíèÿ äåöåíòðèðîâêè êîìïîíåíòîâ îòíîñèòåëüíî îïòè÷åñêîé îñè íà ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ. Äàííàÿ ðàáîòà ïðèçâàíà âîñïîëíèòü óêàçàííûé ïðîáåë â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå.
Îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ
Èñêðèâëåíèå ÂË
Âèçèðíàÿ îñü åñòü ïðÿìàÿ, ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç öåíòð ÌÔÓ è çàäíþþ óçëîâóþ òî÷êó òåëåîáúåêòèâà [2].  èäåàëüíîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìå âèçèðíàÿ
îñü – ïðÿìàÿ, ñîâïàäàþùàÿ ñ îïòè÷åñêîé îñüþ ñèñòåìû.  ðåàëüíîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìå ñóùåñòâóþò ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè – äåöåíòðèðîâêà êîìïîíåíòîâ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå (ñ ñîõðàíåíèåì ïðÿìîëèíåéíîñòè), ëèáî èñêðèâëåíèå âèçèðíîé îñè, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðåäëàãàåòñÿ èñïîëüçîâàòü òåðìèí ÂË.
Íåòî÷íîå ñîâìåùåíèå öåíòðà ÌÔÓ ñ îïòè÷åñêîé îñüþ ñèñòåìû âûçûâàåò ñìåùåíèå ÂË, ÷òî âëå÷åò çà ñîáîé ñèñòåìàòè÷åñêóþ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé δh1 äëÿ êàæäîé äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè. Èñïîëüçóÿ ïîëîæåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè äëÿ ïàðàêñèàëüíûõ ëó÷åé, ïîëó÷åíà ñëåäóþùàÿ çàâèñèìîñòü äëÿ âåëè÷èíû δh1 [3]:
δ h1 = δ c1 f /′( f ′ − As′ ),
(1)
ãäå f ′ – ýêâèâàëåíòíîå ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå òåëåîáúåêòèâà f ′ = f1′f2′/( f1′ + f2′ – ds), ds – ðàññòîÿíèå ìåæäó ïîëîæèòåëüíûì è îòðèöàòåëüíûì êîìïîíåíòàìè òå-
{ }ëåîáúåêòèâà ds = 1/ 2 a − L − (L − a)(L − 4 f ′− a) ,
âåëè÷èíû a è A′s îïðåäåëÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿìè a = = sf ′/(s + f ′), A′s= L – ds/f 2′(L – d), ãäå s – ðàññòîÿíèå äî îáúåêòà, δc1 – ïîãðåøíîñòü ñîâìåùåíèÿ öåíòðà ÌÔÓ ñ ÂÎ, δñ1 = 0,05 ìì, f 1′ , f 2′ – ôîêóñíûå ðàññòîÿíèÿ ïîëîæèòåëüíîãî è îòðèöàòåëüíîãî êîìïîíåíòîâ òåëåîáúåêòèâà ñîîòâåòñòâåííî, L – äëèíà òåëåîáúåêòèâà [4].
Èñêðèâëåíèå ÂË ïðîèñõîäèò ïðè ñìåùåíèè ñ îïòè÷åñêîé îñè öåíòðà ïîëîæèòåëüíîãî êîìïîíåíòà òåëåîáúåêòèâà íà δñ2 = 0,01 ìì, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñèñòåìàòè÷åñêîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ δh2. Äëÿ ïàðàêñèàëüíûõ ëó÷åé âåëè÷èíà δh2 îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì:
δh2 = δc2s/f1′.
(2)
Ïðè äåöåíòðèðîâêå îòðèöàòåëüíîãî êîìïîíåíòà òåëåîáúåêòèâà îòíîñèòåëüíî îïòè÷åñêîé îñè (ò. å. ôîêóñèðóþùåé ëèíçû) íà δñ3 = 0,05 ìì ïðîèñõîäèò èñêðèâëåíèå ÂË. Çàâèñèìîñòü âîçíèêàþùåé ïðè ýòîì ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ δh3 îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè èìååò íåëèíåéíûé õàðàêòåð
δh3 = δc3 (L − ds )/f2′.
(3)
Äëÿ îöåíêè èñêðèâëåíèÿ ÂË ÎÝÑÊÑ áûëî ïðî-
âåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå.
Èçìåðèòåëüíûé ñòåíä èçîáðàæåí íà ðèñ. 2. Ââèäó
íåñîâåðøåíñòâà ÎÑÊ (ñòàòè÷åñêèé ïðîãèá, ñêðó÷è-
âàíèå îòäåëüíûõ êîìïîíåíòîâ è ò. ä.), åå õàðàêòå-
ðèñòèêè íå îáåñïå÷èâàþò âûñîêîòî÷íûõ èçìåðåíèé.
Ýêñïåðèìåíò çàêëþ÷àåòñÿ â ïîñëåäîâàòåëüíîì ïå-
ðåìåùåíèè îòðàæàòåëÿ ïî ÎÑÊ è ïðîâåäåíèè èç-
ìåðåíèé â ïðÿìîì ïîëîæåíèè ÎÝÑÊÑ è ïåðåâåð-
íóòîì îòíîñèòåëüíî áàçîâîé îñè (ñîâïàäàþùåé ñ
4 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
12
3
1 23
4
Ðèñ. 2. Ñõåìà ñòåíäà èçìåðåíèÿ èñêðèâëåíèÿ ÂË. 1 – ÎÝÑÊÑ, 2 – îïòè÷åñêàÿ ñêàìüÿ, 3 – òðèïåëüïðèçìà.
ÏÊ
Ðèñ. 4. Ñõåìà äåöåíòðèðîâêè ïàð ÏÈÄ. 1 – áëîê îáðàáîòêè, 2 – ÏÇÑ, 3 – îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà, 4 – ÎÝÑÊÑ.
dh, ìì
0,1
1 0
2
3
–0,1
2000
3440
4880 S, ìì
Ðèñ. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå èñêðèâëåíèÿ ÂË â çàâèñèìîñòè îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè S. 1 – ðàñ÷èòàííîå èñêðèâëåíèå ÂË, 2 – ýêñïåðåìåíòàëüíî ïîëó÷åííîå èñêðèâëåíèå ÂË â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, 3 – ýêñïåðåìåíòàëüíî ïîëó÷åííîå èñêðèâëåíèå ÂÎ â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè.
ÂË ÎÝÑÊÑ) íà 180°. Êðèâèçíà ÂË îïðåäåëÿëàñü êàê ïîëóðàçíîñòü çíà÷åíèé èçìåðåíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ îïðåäåëåííîé äèñòàíöèè, ÷òî ïîçâîëèëî èñêëþ÷èòü âëèÿíèå ÎÑÊ. Ïðè ïîâîðîòå ÎÝÑÊÑ íà 90° è 270° îïðåäåëÿëîñü èñêðèâëåíèå ÂË â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè. Ðåçóëüòàòîì èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííàÿ êðèâèçíà ÂË (ðèñ. 3).
Èç-çà ðàññîãëàñîâàíèÿ òåîðåòè÷åñêè ïîëó÷åííîé çàâèñèìîñòè è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî êðèâèçíà ÂË ÎÝÑÊÑ îáóñëîâëåíà íå òîëüêî îïèñàííûìè âûøå ïðè÷èíàìè, à èìååò áîëåå ñëîæíûé õàðàêòåð. Ñòîèò îòìåòèòü íåñèììåòðè÷íîñòü ïîëó÷åííûõ äàííûõ â ãîðèçîíòàëüíîé è âåðòèêàëüíûõ ïëîñêîñòÿõ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ãðóáûõ äåöåíòðèðîâêàõ, äîïóùåííûõ ïðè ñáîðêå. Îäíàêî, äàííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìàòè÷åñêîé, ÷òî ïîçâîëÿåò ââåñòè åå êîìïåíñàöèþ.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ àâòîðåôëåêñèîííûõ è âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì êðèâèçíà ÂË äîñòàòî÷íî ñåðüåçíûé ôàêòîð, îãðàíè÷èâàþùèé òî÷íîñòü èçìåðåíèé, âñëåäñòâèå ÷åãî íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ êàæäîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû.
Ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííûå ñ óñòàíîâêîé èçëó÷àòåëåé
 ÎÝÑÊÑ ïðèñóòñòâóåò ïîãðåøíîñòü óñòàíîâêè öåíòðà áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ ÏÈÄ, îáóñëîâëåííàÿ òåõíîëîãè÷åñêîé òî÷íîñòüþ ìîíòàæà ÏÈÄ â ïëîñêîïàðàëëåëüíîé ïëàñòèíêå è åå äåöåíòðèðîâêîé îòíîñèòåëüíî ÂË
δh4 = δñ4/2,
(4)
ãäå δñ4 – äåöåíòðèðîâêà ÏÈÄ îòíîñèòåëüíî ÂÎ. Êîýôôèöèåíò 1/2 îáúÿñíÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèåì àâòîðåôëåêñèîííîé ñõåìû èçìåðåíèé. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íåîáõîäèìîãî äèàïàçîíà ïîïåðå÷íûõ èçìåðåíèé â ÎÝÑÊÑ èñïîëüçóþòñÿ äâå ïàðû ÏÈÄ, âñëåäñòâèå ýòîãî â çàâèñèìîñòè îò âûáðàííûõ ÏÈÄ âîçíèêàåò ðàçëè÷íàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé δh4,1 è δh4,2.
Äëÿ îöåíêè äåöåíòðèðîâêè áûëî ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå. Èçìåðèòåëüíûé ñòåíä èçîáðàæåí íà ðèñ. 4. ÏÈÄ ÎÝÑÊÑ èñïîëüçîâàëèñü â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ìàðîê, ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå êîòîðûõ îïðåäåëÿëîñü èçìåðèòåëüíîé ñèñòåìîé. Ïðè âðàùåíèè ÎÝÑÊÑ îòíîñèòåëüíî áàçîâîé îñè, ñîâïàäàþùåé ñ ÂË ÎÝÑÊÑ, ââèäó íàëè÷èÿ δc4,1 è δc4,1 ÏÈÄ îïèñûâàëè îêðóæíîñòü, öåíòð êîòîðîé íå ñîâïàäàë ñ ñåðåäèíîé áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ÷åðåç 30° ïîâîðîòà. Ïîñëå ÷åãî îïðåäåëÿëèñü êîîðäèíàòû öåíòðà îïèñûâàåìîé îêðóæíîñòè è ñîïîñòàâëÿëèñü ñ ñåðåäèíîé áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ. Ïîëó÷åíû ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: δc4,1 x = 0,067 ìì, δc4,1 y = –0,206 ìì è δc4,2 x = –0,165 ìì, δc4,2 y = –0,173 ìì.
Ïîãðåøíîñòè áàçèðîâàíèÿ îòðàæàòåëÿ
Îøèáêè, ñâÿçàííûå ñ ïîâîðîòîì òðèïåëüïðèçìû, â ïðèáëèæåíèè ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè ìîæíî çàïèñàòü â âèäå
δh5 = [(n − 1)/n]dÏ sinα[1 + rn/dÂÏ (n − 1)], (5)
ãäå dÏ = ka, a – íàèáîëüøàÿ äëèíà ïó÷êà, êîòîðûé ìîæåò ïðîéòè ÷åðåç ðàçâåðòêó ïðèçìû, k – êîýôôèöèåíò äëÿ òðèïåëüïðèçìû, α – óãîë ìåæäó îñüþ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
5
ñèììåòðèè ïðèçìû è îïòè÷åñêîé îñüþ, r – ðàññòîÿíèå îò âåðøèíû òðèïåëüïðèçìû äî òî÷êè âðàùåíèÿ (îòðèöàòåëüíîå íàïðàâëåíèå âãëóáü ñòåêëà), dÂÏ – âûñîòà òðèïåëüïðèçìû. Òî÷êà, ïðè âðàùåíèè âîêðóã êîòîðîé òðèïåëüïðèçìà íå÷óâñòâèòåëüíà ê ïîâîðîòó, ðàñïîëàãàåòñÿ îò âåðøèíû ïðèçìû íà ðàññòîÿíèè d1 – dÏ(n – 1)/n [3].
Ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàþòñÿ âîçìîæíûå îøèáêè èçãîòîâëåíèÿ òðèïåëüïðèçìû è ñáîðêè â êîðïóñå îòðàæàòåëÿ.  äàííîì ñëó÷àå ýòî îïðàâäàíî, òàê êàê â ïðàâèëàõ ýêñïëóàòàöèè âûñîêîòî÷íûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì îãîâîðåíû äîïóñêè íà äâóãðàííûå óãëû ïðèçì è äîïóñêè ïðè ñáîðêå.  ðåçóëüòàòå ÷åãî âûðàæåíèå (5) íîñèò ïðèáëèæåííûé õàðàêòåð. Äëÿ áîëåå ñòðîãîãî ðàññìîòðåíèÿ ïîâåäåíèÿ òðèïåëüïðèçìû èñïîëüçîâàëàñü ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü åå ïîâåäåíèÿ [5].
Ïîãðåøíîñòè ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ êîîðäèíàò ÏÈÄ
Ñóùåñòâóþò ïîãðåøíîñòè, âûçâàííûå íåòî÷íîñòüþ ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òåñò-îáúåêòîâ. Ñ òåîðåòè÷åñêèì îáîñíîâàíèåì äàííîãî ðîäà ïîãðåøíîñòåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â ðàáîòå [6]. Ïðè ïðîâåäåíèè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ñëåäóåò ïîëüçîâàòüñÿ ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì, îáåñïå÷èâàþùèì äîñòàòî÷íî õîðîøóþ ñõîäèìîñòü ñ òåîðåòè÷åñêèìè ðàñ÷åòàìè:
δh6 = smδñ6/f ′,
(6)
ãäå m – ëèíåéíûé ðàçìåð ïèêñåëà ÌÔÓ, δc6 – ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà, δc6 = 0,1 ïêñ.
êðàòíîé óñòàíîâêå öåíòðîèñêàòåëÿ ïîãðåøíîñòü ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíîé δh8 = 0,01 ìì.
Ïîãðåøíîñòè ïðè ïåðåôîêóñèðîâêå ñèñòåìû
 ÎÝÑÊÑ ôîêóñèðîâêà èçîáðàæåíèÿ ïðîèçâîäèòñÿ âèçóàëüíî îïåðàòîðîì. Ïðè ìíîãîêðàòíîé ôîêóñèðîâêå íà ðàçëè÷íûõ äèñòàíöèÿõ ïîãðåøíîñòü ñîñòàâèëà δh9 = 0,02 ìì. Ïîäðîáíîå èññëåäîâàíèå îïóáëèêîâàíî â ëèòåðàòóðå [8].
Ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü ÎÝÑÊÑ
Ïðèíÿâ, ÷òî âñå âûøåïåðå÷èñëåííûå ñîñòàâëÿþùèå ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÿâëÿþòñÿ ñèñòåìàòè÷åñêèìè ïîãðåøíîñòÿìè èçìåðåíèé, ëèáî èìåþò ñëó÷àéíûé õàðàêòåð, íå ÿâëÿþòñÿ âçàèìîêîìïåíñèðóþùèìè, èñïîëüçóÿ çàêîí íàêîïëåíèÿ ïîãðåøíîñòåé, ïîëó÷èì
δh = δh1 + δh2 + δh3 + δh4 + + δh52 + δh62 + δh72 + δh82 + δh92 .
(7)
Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü òåîðåòè÷åñêè ïîëó÷åííîé ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ â âåðòèêàëüíîé è ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòÿõ. Àíàëèç îñíîâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ïîãðåøíîñòè ïîêàçàë, ÷òî îñíîâíîé âêëàä âíîñÿò òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè êðèâèçíà ÂË. Íà ðèñóíêå òàê æå
dh, ìì
Ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííûå ñ ýôôåêòîì áëþìèíãà
Ïðè èñïîëüçîâàíèè â èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåìàõ ÌÔÓ (ÏÇÑ è ÊÌÎÏ) âñëåäñòâèå ñâåòîâûõ ïåðåãðóçîê âîçíèêàåò ïîãðåøíîñòü èç-çà äåéñòâèÿ áëþìèíãà è ñìàçà èçîáðàæåíèÿ. Àâòîðàìè ïðîâåäåíî ïîäðîáíîå èññëåäîâàíèå äàííûõ ïðîöåññîâ [7]. Ïðèíÿâ, ÷òî ïðè âèçóàëüíîì êîíòðîëå ÿðêîñòè ÏÈÄ îïåðàòîð íå äîïóñòèë ñâåòîâîé ïåðåãðóçêè áîëåå 3,36 Âò/ì2 â ïëîñêîñòè ÌÔÓ, ïîãðåøíîñòü áóäåò íîñèòü ñëó÷àéíûé õàðàêòåð (δh7 = 0,02 ìì).
Ïîãðåøíîñòè óñòàíîâêè öåíòðîèñêàòåëÿ
Ïðè èçìåðåíèè íåîáõîäèìî ïîñëåäîâàòåëüíî ïåðåìåùàòü öåíòðîèñêàòåëü ñ îòðàæàòåëåì â ÊÄÖ è ÁÐ òóðáîàãðåãàòà. Ïðè ýòîì âîçíèêàåò ïîãðåøíîñòü óñòàíîâêè öåíòðîèñêàòåëÿ âñëåäñòâèå íåòî÷íîñòè ìåõàíèçìà. Àâòîðàìè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå è ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ìíîãî-
0,2 1
0,1 3 4
0
–0,1 2
1000
3000
5000 S, ìì
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòè ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè S. 1 – ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, 2 – ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè, 3 – ïðåäïîëàãàåìàÿ ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè ïîñëå ââåäåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê, 4 – ïðåäïîëàãàåìàÿ ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè ïîñëå ââåäåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
ïðåäñòàâëåíû çàâèñèìîñòè ïîãðåøíîñòè îò äèñòàíöèè ïîñëå ââîäà äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê.
Ìîæíî ñäåëàòü âûâîä î òîì, ÷òî îñíîâíûìè ïîãðåøíîñòÿìè ÎÝÑÊÑ ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè èçãîòîâëåíèÿ è ñáîðêè ÎÝÑÊÑ, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðèìåíÿòü ìåòîäû êîìïåíñàöèè äàííûõ ïîãðåøíîñòåé.
Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ÎÝÑÊÑ
Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ÎÝÑÊÑ ïðîâîäèëîñü íà ñòåíäå (ðèñ. 6), îáîðóäîâàííîì ÊÄÖ – 6, îïîðíûìè ðîëèêàìè äëÿ áîðøòàíãè – 2, ÁÐ – 1 è 6, öåíòðîèñêàòåëåì – 4 ñ îòðàæàòåëåì – 5, ÎÝÑÊÑ – 7 ñ êðîíøòåéíîì – 8.
Ïåðâîíà÷àëüíî ñ ïîìîùüþ áîðøòàíãè ïî èçâåñòíîé ìåòîäèêå îïðåäåëÿëèñü êîîðäèíàòû îñè ðîòîðà â ïëîñêîñòÿõ ÁÐ è çàíîñèëèñü â áàçó èçìåðåíèé. Çàòåì ïîñëåäîâàòåëüíî â ïåðåäíåé ÁÐ, ÊÄÖ è
1
3 2
4 5
6
2
87
Ðèñ. 6. Èñïûòàòåëüíûé ñòåíä ÎÝÑÊÑ.
çàäíåé ÁÐ ïðîâîäèëèñü èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ ÎÝÑÊÑ. Ïîñëå ÷åãî ïðîèçâîäèëñÿ ïåðåñ÷åò èç ñèñòåì êîîðäèíàò, ñâÿçàííûõ ñ ÂË ÎÝÑÊÑ è ãåîìåòðè÷åñêèìè öåíòðàìè ÁÐ, â ñèñòåìó êîîðäèíàò, ñâÿçàííóþ ñ îñüþ ðîòîðà. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ íåîáõîäèìûõ ñìåùåíèé ÊÖÄ (äëÿ ñîâìåùåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîãî öåíòðà ÊÖÄ ñ îñüþ ðîòîðà) ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîé ïðîãðàììû ïðîãðàììíî è çàíîñèëèñü â áàçó èçìåðåíèé.
Ðåøåíèå çàäà÷è íåïîñðåäñòâåííîé ïðîâåðêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíîé â ñâÿçè ñ îòñóòñòâèåì äîñòóïíûõ ìåòîäîâ êîíòðîëÿ êðóïíîãàáàðèòíûõ ýëåìåíòîâ â ïðîñòðàíñòâå ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ. Ïðîâåðêà ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ çàêëþ÷àëàñü â ñðàâíåíèè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ñ èçìåðåíèÿìè áîðøòàíãîé è îïòè÷åñêîé âèçèðíîé ñèñòåìîé ÏÏÑ-11. Äàííûå èçìåðèòåëüíûå ñðåäñòâà ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå òî÷íûìè íà äàííûé ìîìåíò òàê êàê öåíòðîâêà áîëüøåãî ÷èñëà òóðáîàãðåãàòîâ àòîìíûõ ñòàíöèé ïðîèçâîäèòñÿ ñ èõ ïîìîùüþ, îäíàêî ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ñîñòàâëÿåò 0,05 ìì â óñëîâèÿõ ýêñïåðèìåíòà. Ïðè äèñòàíöèè îò ÎÝÑÊÑ äî ïåðåäíåé ÁÐ 1650 ìì, äî çàäíåé ÁÐ 5815 ìì è äî ÊÖÄ 3850 ìì, âûïîëíåíèè óñëîâèÿ íàõîæäåíèÿ êîîðäèíàò îñè ðîòîðà â ïëîñêîñòÿõ ÁÐ â èíòåðâàëå ìåíåå ± 5 ìì ðàçíîñòü ïîêàçàíèé ïî ãîðèçîíòàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ñîñòàâèëà x = 0,06 ± 0,04 ìì, ïî âåðòèêàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé y = 0,02 ± 0,02 ìì ïðè äîâåðèòåëüíûõ âåðîÿòíîñòÿõ a = 0,95.
Ïðîâåäåííîå ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ïîêàçàëî, ÷òî ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ïîëîæåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîãî öåíòðà ÊÖÄ îòíîñèòåëüíî îñè ðîòîðà â ñðàâíåíèè ñ èçìåðåíèÿìè ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãîé â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íà 0,04 ìì ïðåâîñõîäÿò ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìóþ ïîãðåøíîñòü, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ïðè öåíòðèðîâêå òóðáîàãðåãàòîâ áîëüøåå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ âûñòàâëåíèþ ÊÖÄ â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè, ÷òî îáóñëîâëåíî ñòàòè÷åñêèì ïðîãèáîì âàëà.
Çàêëþ÷åíèå
 ðàáîòå áûëè ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ è àâòîðåôëåêñèîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì â öåëîì. Ïðîâåäåí ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, âûÿâëÿþùèõ ïåðâè÷íûå ïîãðåøíîñòè ñèñòåìû. Ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè íåëèíåéíûå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ÎÝÑÊÑ.
Ïîêàçàí ýôôåêò êîìïåíñàöèè ñèñòåìàòè÷åñêèõ ïîãðåøíîñòåé è ñâåäåíèÿ ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ê ìèíèìàëüíî âîçìîæíûì çíà÷åíèÿì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
7
Íà ñïåöèàëèçèðîâàííîì ñòåíäå äëÿ êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå òî÷íîñòè ÎÝÑÊÑ îòíîñèòåëüíî ïîâåðî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãè. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íåçíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿò çàäàííûå çíà÷åíèÿ, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Ïðîâåäåííîå èññëåäîâàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî àâòîðåôëåêñèîííûå îïòèêî-ýëåêòðîííûå ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè è ÎÝÑÊÑ â ÷àñòíîñòè ñïîñîáíû ïðîâîäèòü âûñîêîòî÷íûé êîíòðîëü ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ ñ íåîáõîäèìîé òî÷íîñòüþ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êàðàñåâ Â.È., Ìîíýñ Ä.Ñ. Ìåòîäû îïòè÷åñêèõ èçìåðåíèé ïðè ìîíòàæå òóðáîàãðåãàòîâ. Ì.: Ýíåðãèÿ, 1973. 168 ñ.
12. Ïîãàðåâ Ã.Â. Þñòèðîâêà îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, Ëåíèíãðàäñêîå îòäåëåíèå, 1982. 237 ñ.
13. ×óðèëîâñêèé Â.Í. Òåîðèÿ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Ì.– Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1966. 564 ñ.
14. Çàõàðîâ À.È. Íîâûå òåîäîëèòû è îïòè÷åñêèå äàëüíîìåðû. Ì.: Íåäðà, 1978. 265 ñ.
5. Ïàíòþøèí À.Â., Øîìðèíà Ì.À., Àíèñèìîâ À.Ã., ßêîâëåâ À.Ñ. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ïîãðåøíîñòè óñòàíîâêè îòðàæàòåëÿ íà òî÷íîñòü ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // Ñáîðíèê òðóäîâ ñåäüìîé ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè “Ïðèêëàäíàÿ îïòèêà-2006” 16–20 îêòÿáðÿ 2006ã. ÑÏá.: ÃÈÒÌÎ (ÒÓ). 2006. Ñ. 64–66.
6. Ñîëîìàòèí Â.À., ßêóøåíêîâ Þ.Ã. Ñðàâíåíèå íåêîòîðûõ ñïîñîáîâ îïðåäåëåíèÿ êîîðäèíàò èçîáðàæåíèé, îñóùåñòâëÿåìûõ ñ ïîìîùüþ ìíîãîýëåìåíòíûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ // Èçâåñòèÿ âóçîâ – Ïðèáîðîñòðîåíèå. 1986. ¹ 9. Ñ. 62–69.
7. Àíèñèìîâ À.Ã., Ãîðáà÷åâ À.À., Êðàñíÿùèõ À.Â. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ áëþìèíãà íà ïîãðåøíîñòü îïòèêîýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // VII Ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ “Ïðèêëàäíàÿ îïòèêà-2006” 16–20 îêòÿáðÿ 2006 ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. Ðîññèÿ. Ñáîðíèê òðóäîâ. Ò. 1. Îïòè÷åñêîå ïðèáîðîñòðîåíèå. Òðóäû îïòè÷åñêîãî îáùåñòâà èì. Ä.Ñ. Ðîæäåñòâåíñêîãî. ÑÏá.: èçä. ÃÈÒÌÎ (ÒÓ), 2006. Ñ. 24–28.
8. Àíèñèìîâ À.Ã. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ïîãðåøíîñòè ïðè ôîêóñèðîâêå íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // Òðóäû ÷åòâåðòîé ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ “Îïòèêà-2005”. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. ÑÏá.: èçä. ÃÈÒÌÎ (ÒÓ), 2005. Ñ. 17–21.
8 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
ÓÄÊ 681.7.055.2
ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÎÃÐÅØÍÎÑÒÈ ÊÎÍÒÐÎËß ÑÎÎÑÍÎÑÒÈ Ñ ÏÎÌÎÙÜÞ ÀÂÒÎÐÅÔËÅÊÑÈÎÍÍÎÉ ÎÏÒÈÊÎ-ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÑÈÑÒÅÌÛ
2009 ã.
À. Ã. Àíèñèìîâ; À. Ì. Àëååâ; À. Â. Ïàíòþøèí; À. Í. Òèìîôååâ, êàíä. òåõí. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: oeps@grv.ifmo.ru
 ðàáîòå ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè àâòîðåôëåêñèîííûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì. Ïðîâåäåí ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, âûÿâëÿþùèõ îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè. Ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè íåëèíåéíûå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè îïòè÷åñêîé ñèñòåìû. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü íà áàçå îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè, ðåàëèçîâàííîé ïî àâòîðåôëåêñèîííîé ñõåìå. Ïîêàçàí ýôôåêò êîìïåíñàöèè ñèñòåìàòè÷åñêèõ ïîãðåøíîñòåé. Íà ñïåöèàëèçèðîâàííîì ñòåíäå äëÿ êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå çàÿâëåííîé òî÷íîñòè îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè îòíîñèòåëüíî ïîâåðî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãè. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íåçíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿò çàäàííûå çíà÷åíèÿ, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Êîäû OCIS: 120.4630, 120.02820, 150.3040.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 02.06.2008.
Ââåäåíèå
Îäíèì èç óñëîâèé êà÷åñòâåííîãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñëîæíîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîáëþäåíèå âûñîêîé òî÷íîñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïîëîæåíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ åãî ýëåìåíòîâ îòíîñèòåëüíî ñèñòåì ïðÿìîëèíåéíûõ ìîíòàæíûõ îñåé. Âñëåäñòâèå ýòîãî çàäà÷à áåñêîíòàêòíîãî êîíòðîëÿ ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ îòíîñèòåëüíî ïðîòÿæåííîé ëèíåéíîé áàçû àêòóàëüíà âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Äëÿ âûïîëíåíèÿ äàííîãî òðåáîâàíèÿ íåîáõîäèì ïðîñòðàíñòâåííûé êîíòðîëü, êîòîðûé ÷àñòî ðåàëèçóåòñÿ ñ ïîìîùüþ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì.
Áåñêîíòàêòíîñòü, äèñòàíöèîííîñòü è âîçìîæíîñòü ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññîâ èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì â ñî÷åòàíèè ñ âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì ïîçâîëÿåò øèðîêî èñïîëüçîâàòü ýòè ñèñòåìû äëÿ àêòèâíîãî êîíòðîëÿ ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ (ïîçèöèîíèðîâàíèÿ). Äàííîå òðåáîâàíèå îáåñïå÷åíî îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìîé êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè (ÎÝÑÊÑ).
Çàäà÷åé ÎÝÑÊÑ ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå ñìåùåíèÿ êîðïóñíûõ äåòàëåé öèëèíäðîâ (ÊÄÖ) òóðáîàãðåãàòîâ îòíîñèòåëüíî ðàáî÷åé îñè ðîòîðà ñ òî÷íîñòüþ
0,06 ìì â âåðòèêàëüíîé è ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòÿõ. Îñü ðîòîðà îïðåäåëÿåòñÿ â áàçîâûõ ðàñòî÷êàõ (ÁÐ) â ïðîöåññå èçìåðåíèé ïî èçâåñòíîé ìåòîäèêå [1]. ÎÝÑÊÑ ïîçâîëÿåò ïåðåñ÷èòûâàòü ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé îòíîñèòåëüíî ñîáñòâåííîé âèçèðíîé ëèíèè (ÂË) ê çàäàííîé îñè ðîòîðà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü “ïðîâåøèâàíèÿ” ÂË ÷åðåç çàäàííûå êîîðäèíàòû, ÷òî çíà÷èòåëüíî îáëåã÷àåò ïðîöåññ èçìåðåíèé.
 ÎÝÑÊÑ çàäà÷à ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîçèöèîíèðîâàíèÿ ðåàëèçîâàíà ìåòîäàìè àâòîðåôëåêñèè è àâòîêîëëèìàöèè ñõîäÿùèõñÿ ïó÷êîâ, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü âûñîêîòî÷íûå èçìåðåíèÿ ëèíåéíûõ ñìåùåíèé áåç îïðåäåëåíèÿ äèñòàíöèè äî êîíòðîëüíîãî ýëåìåíòà è îáåñïå÷åíèÿ ïèòàíèÿ íà îáúåêòå êîíòðîëÿ.
Ïðèíöèï ðàáîòû ÎÝÑÊÑ ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 1. Íà ïðèáîð ñ çàðÿäîâîé ñâÿçüþ (ÏÇÑ) 1, íàõîäÿùèéñÿ â ïðèåìíîì áëîêå 2, ÷åðåç îáúåêòèâ 3 èçëó÷àþùåé ãîëîâêè 6 ïðîåöèðóþòñÿ èçîáðàæåíèÿ äâóõ ïàð ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èçëó÷àþùèõ äèîäîâ (ÏÈÄ) 4, 5.  êà÷åñòâå îòðàæàòåëÿ èñïîëüçóåòñÿ òðèïåëüïðèçìà 7, îáúåêòèâà – òåëåîáúåêòèâ ñ ïîäâèæíûì îòðèöàòåëüíûì êîìïîíåíòîì. Àâòîìàòè÷åñêè íà èçîáðàæåíèè îïðåäåëÿþòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèå öåíòðû òÿæåñòè èçîáðàæåíèé ÏÈÄ. Ñ ó÷åòîì êîíñòðóêòèâíûõ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
3
56 4 1 23
7
Ðèñ. 1. Ïðèíöèï ðàáîòû ÎÝÑÊÑ.
ïàðàìåòðîâ ïðîèçâîäèòñÿ ðàñ÷åò ïîïåðå÷íîãî ñìåùåíèÿ êîíòðîëèðóåìîãî îáúåêòà îòíîñèòåëüíî ÂË. Ïîñëå ýòîãî ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé îò ýëåìåíòîâ ÏÇÑ (ïèêñåëîâ) ïåðåñ÷èòûâàþòñÿ â àáñîëþòíûå åäèíèöû èçìåðåíèÿ (ìèëëèìåòðû). Äàííûå èçìåðåíèé ïåðåäàþòñÿ â ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð, ãäå îáðàáàòûâàþòñÿ, ïðèâîäÿòñÿ ê âèäó, óäîáíîìó äëÿ îïåðàòîðà è ñîõðàíÿþòñÿ â áàçå äàííûõ èçìåðåíèé.
Öåëüþ äàííîãî èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ àíàëèç ñîñòàâëÿþùèõ ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ. Ïðåäëàãàåòñÿ ðàññìîòðåòü êàê ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, òàê è ñëó÷àéíûå. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî âñå èññëåäóåìûå âîïðîñû äîñòàòî÷íî ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ â ðàáîòå äðóãèõ îïòè÷åñêèõ, îïòèêî-ýëåêòðîííûõ è òåëåâèçèîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì, ÷òî ïîä÷åðêèâàåò àêòóàëüíîñòü äàííîé ðàáîòû.
Àâòîðåôëåêñèîííûå ñõåìû óñòðîéñòâ ñ ìàòðè÷íûìè ôîòîïðèåìíûìè óñòðîéñòâàìè (ÌÔÓ) ïðèìåíÿþòñÿ â ñîâðåìåííîì ïðèáîðîñòðîåíèè îòíîñèòåëüíî íåäàâíî è ÿâëÿþòñÿ åùå íåäîñòàòî÷íî èçó÷åííûìè. Òàê äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè íåïîëíî èññëåäîâàí âîïðîñ âëèÿíèÿ äåöåíòðèðîâêè êîìïîíåíòîâ îòíîñèòåëüíî îïòè÷åñêîé îñè íà ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ. Äàííàÿ ðàáîòà ïðèçâàíà âîñïîëíèòü óêàçàííûé ïðîáåë â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå.
Îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ
Èñêðèâëåíèå ÂË
Âèçèðíàÿ îñü åñòü ïðÿìàÿ, ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç öåíòð ÌÔÓ è çàäíþþ óçëîâóþ òî÷êó òåëåîáúåêòèâà [2].  èäåàëüíîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìå âèçèðíàÿ
îñü – ïðÿìàÿ, ñîâïàäàþùàÿ ñ îïòè÷åñêîé îñüþ ñèñòåìû.  ðåàëüíîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìå ñóùåñòâóþò ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè – äåöåíòðèðîâêà êîìïîíåíòîâ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå (ñ ñîõðàíåíèåì ïðÿìîëèíåéíîñòè), ëèáî èñêðèâëåíèå âèçèðíîé îñè, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðåäëàãàåòñÿ èñïîëüçîâàòü òåðìèí ÂË.
Íåòî÷íîå ñîâìåùåíèå öåíòðà ÌÔÓ ñ îïòè÷åñêîé îñüþ ñèñòåìû âûçûâàåò ñìåùåíèå ÂË, ÷òî âëå÷åò çà ñîáîé ñèñòåìàòè÷åñêóþ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé δh1 äëÿ êàæäîé äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè. Èñïîëüçóÿ ïîëîæåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè äëÿ ïàðàêñèàëüíûõ ëó÷åé, ïîëó÷åíà ñëåäóþùàÿ çàâèñèìîñòü äëÿ âåëè÷èíû δh1 [3]:
δ h1 = δ c1 f /′( f ′ − As′ ),
(1)
ãäå f ′ – ýêâèâàëåíòíîå ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå òåëåîáúåêòèâà f ′ = f1′f2′/( f1′ + f2′ – ds), ds – ðàññòîÿíèå ìåæäó ïîëîæèòåëüíûì è îòðèöàòåëüíûì êîìïîíåíòàìè òå-
{ }ëåîáúåêòèâà ds = 1/ 2 a − L − (L − a)(L − 4 f ′− a) ,
âåëè÷èíû a è A′s îïðåäåëÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿìè a = = sf ′/(s + f ′), A′s= L – ds/f 2′(L – d), ãäå s – ðàññòîÿíèå äî îáúåêòà, δc1 – ïîãðåøíîñòü ñîâìåùåíèÿ öåíòðà ÌÔÓ ñ ÂÎ, δñ1 = 0,05 ìì, f 1′ , f 2′ – ôîêóñíûå ðàññòîÿíèÿ ïîëîæèòåëüíîãî è îòðèöàòåëüíîãî êîìïîíåíòîâ òåëåîáúåêòèâà ñîîòâåòñòâåííî, L – äëèíà òåëåîáúåêòèâà [4].
Èñêðèâëåíèå ÂË ïðîèñõîäèò ïðè ñìåùåíèè ñ îïòè÷åñêîé îñè öåíòðà ïîëîæèòåëüíîãî êîìïîíåíòà òåëåîáúåêòèâà íà δñ2 = 0,01 ìì, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñèñòåìàòè÷åñêîé ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ δh2. Äëÿ ïàðàêñèàëüíûõ ëó÷åé âåëè÷èíà δh2 îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì:
δh2 = δc2s/f1′.
(2)
Ïðè äåöåíòðèðîâêå îòðèöàòåëüíîãî êîìïîíåíòà òåëåîáúåêòèâà îòíîñèòåëüíî îïòè÷åñêîé îñè (ò. å. ôîêóñèðóþùåé ëèíçû) íà δñ3 = 0,05 ìì ïðîèñõîäèò èñêðèâëåíèå ÂË. Çàâèñèìîñòü âîçíèêàþùåé ïðè ýòîì ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèÿ δh3 îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè èìååò íåëèíåéíûé õàðàêòåð
δh3 = δc3 (L − ds )/f2′.
(3)
Äëÿ îöåíêè èñêðèâëåíèÿ ÂË ÎÝÑÊÑ áûëî ïðî-
âåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå.
Èçìåðèòåëüíûé ñòåíä èçîáðàæåí íà ðèñ. 2. Ââèäó
íåñîâåðøåíñòâà ÎÑÊ (ñòàòè÷åñêèé ïðîãèá, ñêðó÷è-
âàíèå îòäåëüíûõ êîìïîíåíòîâ è ò. ä.), åå õàðàêòå-
ðèñòèêè íå îáåñïå÷èâàþò âûñîêîòî÷íûõ èçìåðåíèé.
Ýêñïåðèìåíò çàêëþ÷àåòñÿ â ïîñëåäîâàòåëüíîì ïå-
ðåìåùåíèè îòðàæàòåëÿ ïî ÎÑÊ è ïðîâåäåíèè èç-
ìåðåíèé â ïðÿìîì ïîëîæåíèè ÎÝÑÊÑ è ïåðåâåð-
íóòîì îòíîñèòåëüíî áàçîâîé îñè (ñîâïàäàþùåé ñ
4 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
12
3
1 23
4
Ðèñ. 2. Ñõåìà ñòåíäà èçìåðåíèÿ èñêðèâëåíèÿ ÂË. 1 – ÎÝÑÊÑ, 2 – îïòè÷åñêàÿ ñêàìüÿ, 3 – òðèïåëüïðèçìà.
ÏÊ
Ðèñ. 4. Ñõåìà äåöåíòðèðîâêè ïàð ÏÈÄ. 1 – áëîê îáðàáîòêè, 2 – ÏÇÑ, 3 – îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà, 4 – ÎÝÑÊÑ.
dh, ìì
0,1
1 0
2
3
–0,1
2000
3440
4880 S, ìì
Ðèñ. 3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå èñêðèâëåíèÿ ÂË â çàâèñèìîñòè îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè S. 1 – ðàñ÷èòàííîå èñêðèâëåíèå ÂË, 2 – ýêñïåðåìåíòàëüíî ïîëó÷åííîå èñêðèâëåíèå ÂË â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, 3 – ýêñïåðåìåíòàëüíî ïîëó÷åííîå èñêðèâëåíèå ÂÎ â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè.
ÂË ÎÝÑÊÑ) íà 180°. Êðèâèçíà ÂË îïðåäåëÿëàñü êàê ïîëóðàçíîñòü çíà÷åíèé èçìåðåíèé, ñîîòâåòñòâóþùèõ îïðåäåëåííîé äèñòàíöèè, ÷òî ïîçâîëèëî èñêëþ÷èòü âëèÿíèå ÎÑÊ. Ïðè ïîâîðîòå ÎÝÑÊÑ íà 90° è 270° îïðåäåëÿëîñü èñêðèâëåíèå ÂË â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè. Ðåçóëüòàòîì èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííàÿ êðèâèçíà ÂË (ðèñ. 3).
Èç-çà ðàññîãëàñîâàíèÿ òåîðåòè÷åñêè ïîëó÷åííîé çàâèñèìîñòè è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî êðèâèçíà ÂË ÎÝÑÊÑ îáóñëîâëåíà íå òîëüêî îïèñàííûìè âûøå ïðè÷èíàìè, à èìååò áîëåå ñëîæíûé õàðàêòåð. Ñòîèò îòìåòèòü íåñèììåòðè÷íîñòü ïîëó÷åííûõ äàííûõ â ãîðèçîíòàëüíîé è âåðòèêàëüíûõ ïëîñêîñòÿõ, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ãðóáûõ äåöåíòðèðîâêàõ, äîïóùåííûõ ïðè ñáîðêå. Îäíàêî, äàííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé ÿâëÿåòñÿ ñèñòåìàòè÷åñêîé, ÷òî ïîçâîëÿåò ââåñòè åå êîìïåíñàöèþ.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ àâòîðåôëåêñèîííûõ è âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì êðèâèçíà ÂË äîñòàòî÷íî ñåðüåçíûé ôàêòîð, îãðàíè÷èâàþùèé òî÷íîñòü èçìåðåíèé, âñëåäñòâèå ÷åãî íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ êàæäîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû.
Ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííûå ñ óñòàíîâêîé èçëó÷àòåëåé
 ÎÝÑÊÑ ïðèñóòñòâóåò ïîãðåøíîñòü óñòàíîâêè öåíòðà áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ ÏÈÄ, îáóñëîâëåííàÿ òåõíîëîãè÷åñêîé òî÷íîñòüþ ìîíòàæà ÏÈÄ â ïëîñêîïàðàëëåëüíîé ïëàñòèíêå è åå äåöåíòðèðîâêîé îòíîñèòåëüíî ÂË
δh4 = δñ4/2,
(4)
ãäå δñ4 – äåöåíòðèðîâêà ÏÈÄ îòíîñèòåëüíî ÂÎ. Êîýôôèöèåíò 1/2 îáúÿñíÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèåì àâòîðåôëåêñèîííîé ñõåìû èçìåðåíèé. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íåîáõîäèìîãî äèàïàçîíà ïîïåðå÷íûõ èçìåðåíèé â ÎÝÑÊÑ èñïîëüçóþòñÿ äâå ïàðû ÏÈÄ, âñëåäñòâèå ýòîãî â çàâèñèìîñòè îò âûáðàííûõ ÏÈÄ âîçíèêàåò ðàçëè÷íàÿ ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé δh4,1 è δh4,2.
Äëÿ îöåíêè äåöåíòðèðîâêè áûëî ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå. Èçìåðèòåëüíûé ñòåíä èçîáðàæåí íà ðèñ. 4. ÏÈÄ ÎÝÑÊÑ èñïîëüçîâàëèñü â êà÷åñòâå àêòèâíûõ ìàðîê, ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå êîòîðûõ îïðåäåëÿëîñü èçìåðèòåëüíîé ñèñòåìîé. Ïðè âðàùåíèè ÎÝÑÊÑ îòíîñèòåëüíî áàçîâîé îñè, ñîâïàäàþùåé ñ ÂË ÎÝÑÊÑ, ââèäó íàëè÷èÿ δc4,1 è δc4,1 ÏÈÄ îïèñûâàëè îêðóæíîñòü, öåíòð êîòîðîé íå ñîâïàäàë ñ ñåðåäèíîé áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ÷åðåç 30° ïîâîðîòà. Ïîñëå ÷åãî îïðåäåëÿëèñü êîîðäèíàòû öåíòðà îïèñûâàåìîé îêðóæíîñòè è ñîïîñòàâëÿëèñü ñ ñåðåäèíîé áàçîâîãî ðàññòîÿíèÿ. Ïîëó÷åíû ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: δc4,1 x = 0,067 ìì, δc4,1 y = –0,206 ìì è δc4,2 x = –0,165 ìì, δc4,2 y = –0,173 ìì.
Ïîãðåøíîñòè áàçèðîâàíèÿ îòðàæàòåëÿ
Îøèáêè, ñâÿçàííûå ñ ïîâîðîòîì òðèïåëüïðèçìû, â ïðèáëèæåíèè ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè ìîæíî çàïèñàòü â âèäå
δh5 = [(n − 1)/n]dÏ sinα[1 + rn/dÂÏ (n − 1)], (5)
ãäå dÏ = ka, a – íàèáîëüøàÿ äëèíà ïó÷êà, êîòîðûé ìîæåò ïðîéòè ÷åðåç ðàçâåðòêó ïðèçìû, k – êîýôôèöèåíò äëÿ òðèïåëüïðèçìû, α – óãîë ìåæäó îñüþ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
5
ñèììåòðèè ïðèçìû è îïòè÷åñêîé îñüþ, r – ðàññòîÿíèå îò âåðøèíû òðèïåëüïðèçìû äî òî÷êè âðàùåíèÿ (îòðèöàòåëüíîå íàïðàâëåíèå âãëóáü ñòåêëà), dÂÏ – âûñîòà òðèïåëüïðèçìû. Òî÷êà, ïðè âðàùåíèè âîêðóã êîòîðîé òðèïåëüïðèçìà íå÷óâñòâèòåëüíà ê ïîâîðîòó, ðàñïîëàãàåòñÿ îò âåðøèíû ïðèçìû íà ðàññòîÿíèè d1 – dÏ(n – 1)/n [3].
Ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàþòñÿ âîçìîæíûå îøèáêè èçãîòîâëåíèÿ òðèïåëüïðèçìû è ñáîðêè â êîðïóñå îòðàæàòåëÿ.  äàííîì ñëó÷àå ýòî îïðàâäàíî, òàê êàê â ïðàâèëàõ ýêñïëóàòàöèè âûñîêîòî÷íûõ îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ñèñòåì îãîâîðåíû äîïóñêè íà äâóãðàííûå óãëû ïðèçì è äîïóñêè ïðè ñáîðêå.  ðåçóëüòàòå ÷åãî âûðàæåíèå (5) íîñèò ïðèáëèæåííûé õàðàêòåð. Äëÿ áîëåå ñòðîãîãî ðàññìîòðåíèÿ ïîâåäåíèÿ òðèïåëüïðèçìû èñïîëüçîâàëàñü ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü åå ïîâåäåíèÿ [5].
Ïîãðåøíîñòè ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ êîîðäèíàò ÏÈÄ
Ñóùåñòâóþò ïîãðåøíîñòè, âûçâàííûå íåòî÷íîñòüþ ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà èçîáðàæåíèÿ òåñò-îáúåêòîâ. Ñ òåîðåòè÷åñêèì îáîñíîâàíèåì äàííîãî ðîäà ïîãðåøíîñòåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â ðàáîòå [6]. Ïðè ïðîâåäåíèè ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ñëåäóåò ïîëüçîâàòüñÿ ñëåäóþùèì âûðàæåíèåì, îáåñïå÷èâàþùèì äîñòàòî÷íî õîðîøóþ ñõîäèìîñòü ñ òåîðåòè÷åñêèìè ðàñ÷åòàìè:
δh6 = smδñ6/f ′,
(6)
ãäå m – ëèíåéíûé ðàçìåð ïèêñåëà ÌÔÓ, δc6 – ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî öåíòðà, δc6 = 0,1 ïêñ.
êðàòíîé óñòàíîâêå öåíòðîèñêàòåëÿ ïîãðåøíîñòü ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíîé δh8 = 0,01 ìì.
Ïîãðåøíîñòè ïðè ïåðåôîêóñèðîâêå ñèñòåìû
 ÎÝÑÊÑ ôîêóñèðîâêà èçîáðàæåíèÿ ïðîèçâîäèòñÿ âèçóàëüíî îïåðàòîðîì. Ïðè ìíîãîêðàòíîé ôîêóñèðîâêå íà ðàçëè÷íûõ äèñòàíöèÿõ ïîãðåøíîñòü ñîñòàâèëà δh9 = 0,02 ìì. Ïîäðîáíîå èññëåäîâàíèå îïóáëèêîâàíî â ëèòåðàòóðå [8].
Ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü ÎÝÑÊÑ
Ïðèíÿâ, ÷òî âñå âûøåïåðå÷èñëåííûå ñîñòàâëÿþùèå ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÿâëÿþòñÿ ñèñòåìàòè÷åñêèìè ïîãðåøíîñòÿìè èçìåðåíèé, ëèáî èìåþò ñëó÷àéíûé õàðàêòåð, íå ÿâëÿþòñÿ âçàèìîêîìïåíñèðóþùèìè, èñïîëüçóÿ çàêîí íàêîïëåíèÿ ïîãðåøíîñòåé, ïîëó÷èì
δh = δh1 + δh2 + δh3 + δh4 + + δh52 + δh62 + δh72 + δh82 + δh92 .
(7)
Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü òåîðåòè÷åñêè ïîëó÷åííîé ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ â âåðòèêàëüíîé è ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòÿõ. Àíàëèç îñíîâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ïîãðåøíîñòè ïîêàçàë, ÷òî îñíîâíîé âêëàä âíîñÿò òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè êðèâèçíà ÂË. Íà ðèñóíêå òàê æå
dh, ìì
Ïîãðåøíîñòè, ñâÿçàííûå ñ ýôôåêòîì áëþìèíãà
Ïðè èñïîëüçîâàíèè â èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåìàõ ÌÔÓ (ÏÇÑ è ÊÌÎÏ) âñëåäñòâèå ñâåòîâûõ ïåðåãðóçîê âîçíèêàåò ïîãðåøíîñòü èç-çà äåéñòâèÿ áëþìèíãà è ñìàçà èçîáðàæåíèÿ. Àâòîðàìè ïðîâåäåíî ïîäðîáíîå èññëåäîâàíèå äàííûõ ïðîöåññîâ [7]. Ïðèíÿâ, ÷òî ïðè âèçóàëüíîì êîíòðîëå ÿðêîñòè ÏÈÄ îïåðàòîð íå äîïóñòèë ñâåòîâîé ïåðåãðóçêè áîëåå 3,36 Âò/ì2 â ïëîñêîñòè ÌÔÓ, ïîãðåøíîñòü áóäåò íîñèòü ñëó÷àéíûé õàðàêòåð (δh7 = 0,02 ìì).
Ïîãðåøíîñòè óñòàíîâêè öåíòðîèñêàòåëÿ
Ïðè èçìåðåíèè íåîáõîäèìî ïîñëåäîâàòåëüíî ïåðåìåùàòü öåíòðîèñêàòåëü ñ îòðàæàòåëåì â ÊÄÖ è ÁÐ òóðáîàãðåãàòà. Ïðè ýòîì âîçíèêàåò ïîãðåøíîñòü óñòàíîâêè öåíòðîèñêàòåëÿ âñëåäñòâèå íåòî÷íîñòè ìåõàíèçìà. Àâòîðàìè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå è ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ìíîãî-
0,2 1
0,1 3 4
0
–0,1 2
1000
3000
5000 S, ìì
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòè ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ îò äèñòàíöèè ôîêóñèðîâêè S. 1 – ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè, 2 – ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè, 3 – ïðåäïîëàãàåìàÿ ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè ïîñëå ââåäåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê, 4 – ïðåäïîëàãàåìàÿ ñóììàðíàÿ ïîãðåøíîñòü â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè ïîñëå ââåäåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê.
6 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
ïðåäñòàâëåíû çàâèñèìîñòè ïîãðåøíîñòè îò äèñòàíöèè ïîñëå ââîäà äèôôåðåíöèàëüíûõ ïîïðàâîê.
Ìîæíî ñäåëàòü âûâîä î òîì, ÷òî îñíîâíûìè ïîãðåøíîñòÿìè ÎÝÑÊÑ ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè èçãîòîâëåíèÿ è ñáîðêè ÎÝÑÊÑ, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðèìåíÿòü ìåòîäû êîìïåíñàöèè äàííûõ ïîãðåøíîñòåé.
Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ÎÝÑÊÑ
Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ÎÝÑÊÑ ïðîâîäèëîñü íà ñòåíäå (ðèñ. 6), îáîðóäîâàííîì ÊÄÖ – 6, îïîðíûìè ðîëèêàìè äëÿ áîðøòàíãè – 2, ÁÐ – 1 è 6, öåíòðîèñêàòåëåì – 4 ñ îòðàæàòåëåì – 5, ÎÝÑÊÑ – 7 ñ êðîíøòåéíîì – 8.
Ïåðâîíà÷àëüíî ñ ïîìîùüþ áîðøòàíãè ïî èçâåñòíîé ìåòîäèêå îïðåäåëÿëèñü êîîðäèíàòû îñè ðîòîðà â ïëîñêîñòÿõ ÁÐ è çàíîñèëèñü â áàçó èçìåðåíèé. Çàòåì ïîñëåäîâàòåëüíî â ïåðåäíåé ÁÐ, ÊÄÖ è
1
3 2
4 5
6
2
87
Ðèñ. 6. Èñïûòàòåëüíûé ñòåíä ÎÝÑÊÑ.
çàäíåé ÁÐ ïðîâîäèëèñü èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ ÎÝÑÊÑ. Ïîñëå ÷åãî ïðîèçâîäèëñÿ ïåðåñ÷åò èç ñèñòåì êîîðäèíàò, ñâÿçàííûõ ñ ÂË ÎÝÑÊÑ è ãåîìåòðè÷åñêèìè öåíòðàìè ÁÐ, â ñèñòåìó êîîðäèíàò, ñâÿçàííóþ ñ îñüþ ðîòîðà. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ íåîáõîäèìûõ ñìåùåíèé ÊÖÄ (äëÿ ñîâìåùåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîãî öåíòðà ÊÖÄ ñ îñüþ ðîòîðà) ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîé ïðîãðàììû ïðîãðàììíî è çàíîñèëèñü â áàçó èçìåðåíèé.
Ðåøåíèå çàäà÷è íåïîñðåäñòâåííîé ïðîâåðêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíîé â ñâÿçè ñ îòñóòñòâèåì äîñòóïíûõ ìåòîäîâ êîíòðîëÿ êðóïíîãàáàðèòíûõ ýëåìåíòîâ â ïðîñòðàíñòâå ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ. Ïðîâåðêà ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÎÝÑÊÑ çàêëþ÷àëàñü â ñðàâíåíèè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ñ èçìåðåíèÿìè áîðøòàíãîé è îïòè÷åñêîé âèçèðíîé ñèñòåìîé ÏÏÑ-11. Äàííûå èçìåðèòåëüíûå ñðåäñòâà ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå òî÷íûìè íà äàííûé ìîìåíò òàê êàê öåíòðîâêà áîëüøåãî ÷èñëà òóðáîàãðåãàòîâ àòîìíûõ ñòàíöèé ïðîèçâîäèòñÿ ñ èõ ïîìîùüþ, îäíàêî ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ñîñòàâëÿåò 0,05 ìì â óñëîâèÿõ ýêñïåðèìåíòà. Ïðè äèñòàíöèè îò ÎÝÑÊÑ äî ïåðåäíåé ÁÐ 1650 ìì, äî çàäíåé ÁÐ 5815 ìì è äî ÊÖÄ 3850 ìì, âûïîëíåíèè óñëîâèÿ íàõîæäåíèÿ êîîðäèíàò îñè ðîòîðà â ïëîñêîñòÿõ ÁÐ â èíòåðâàëå ìåíåå ± 5 ìì ðàçíîñòü ïîêàçàíèé ïî ãîðèçîíòàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ñîñòàâèëà x = 0,06 ± 0,04 ìì, ïî âåðòèêàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé y = 0,02 ± 0,02 ìì ïðè äîâåðèòåëüíûõ âåðîÿòíîñòÿõ a = 0,95.
Ïðîâåäåííîå ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå ïîêàçàëî, ÷òî ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ïîëîæåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêîãî öåíòðà ÊÖÄ îòíîñèòåëüíî îñè ðîòîðà â ñðàâíåíèè ñ èçìåðåíèÿìè ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãîé â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íà 0,04 ìì ïðåâîñõîäÿò ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìóþ ïîãðåøíîñòü, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ïðè öåíòðèðîâêå òóðáîàãðåãàòîâ áîëüøåå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ âûñòàâëåíèþ ÊÖÄ â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè, ÷òî îáóñëîâëåíî ñòàòè÷åñêèì ïðîãèáîì âàëà.
Çàêëþ÷åíèå
 ðàáîòå áûëè ðàññìîòðåíû îñíîâíûå ïîãðåøíîñòè ÎÝÑÊÑ è àâòîðåôëåêñèîííûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì â öåëîì. Ïðîâåäåí ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, âûÿâëÿþùèõ ïåðâè÷íûå ïîãðåøíîñòè ñèñòåìû. Ïîêàçàíî, ÷òî îñíîâíûìè ÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè, â ÷àñòíîñòè íåëèíåéíûå ñèñòåìàòè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ÎÝÑÊÑ.
Ïîêàçàí ýôôåêò êîìïåíñàöèè ñèñòåìàòè÷åñêèõ ïîãðåøíîñòåé è ñâåäåíèÿ ñóììàðíîé ïîãðåøíîñòè ê ìèíèìàëüíî âîçìîæíûì çíà÷åíèÿì.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
7
Íà ñïåöèàëèçèðîâàííîì ñòåíäå äëÿ êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè ïðîâåäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå òî÷íîñòè ÎÝÑÊÑ îòíîñèòåëüíî ïîâåðî÷íûõ èçìåðèòåëüíûõ ñèñòåì ÏÏÑ-11 è áîðøòàíãè. Ïîëó÷åííûå çíà÷åíèÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íåçíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿò çàäàííûå çíà÷åíèÿ, â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè òî÷íîñòü ñîáëþäåíà.
Ïðîâåäåííîå èññëåäîâàíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî àâòîðåôëåêñèîííûå îïòèêî-ýëåêòðîííûå ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè è ÎÝÑÊÑ â ÷àñòíîñòè ñïîñîáíû ïðîâîäèòü âûñîêîòî÷íûé êîíòðîëü ïðîñòðàíñòâåííîãî ïîëîæåíèÿ îáúåêòîâ ñ íåîáõîäèìîé òî÷íîñòüþ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êàðàñåâ Â.È., Ìîíýñ Ä.Ñ. Ìåòîäû îïòè÷åñêèõ èçìåðåíèé ïðè ìîíòàæå òóðáîàãðåãàòîâ. Ì.: Ýíåðãèÿ, 1973. 168 ñ.
12. Ïîãàðåâ Ã.Â. Þñòèðîâêà îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, Ëåíèíãðàäñêîå îòäåëåíèå, 1982. 237 ñ.
13. ×óðèëîâñêèé Â.Í. Òåîðèÿ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Ì.– Ë.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1966. 564 ñ.
14. Çàõàðîâ À.È. Íîâûå òåîäîëèòû è îïòè÷åñêèå äàëüíîìåðû. Ì.: Íåäðà, 1978. 265 ñ.
5. Ïàíòþøèí À.Â., Øîìðèíà Ì.À., Àíèñèìîâ À.Ã., ßêîâëåâ À.Ñ. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ïîãðåøíîñòè óñòàíîâêè îòðàæàòåëÿ íà òî÷íîñòü ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // Ñáîðíèê òðóäîâ ñåäüìîé ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè “Ïðèêëàäíàÿ îïòèêà-2006” 16–20 îêòÿáðÿ 2006ã. ÑÏá.: ÃÈÒÌÎ (ÒÓ). 2006. Ñ. 64–66.
6. Ñîëîìàòèí Â.À., ßêóøåíêîâ Þ.Ã. Ñðàâíåíèå íåêîòîðûõ ñïîñîáîâ îïðåäåëåíèÿ êîîðäèíàò èçîáðàæåíèé, îñóùåñòâëÿåìûõ ñ ïîìîùüþ ìíîãîýëåìåíòíûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ // Èçâåñòèÿ âóçîâ – Ïðèáîðîñòðîåíèå. 1986. ¹ 9. Ñ. 62–69.
7. Àíèñèìîâ À.Ã., Ãîðáà÷åâ À.À., Êðàñíÿùèõ À.Â. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ áëþìèíãà íà ïîãðåøíîñòü îïòèêîýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // VII Ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ “Ïðèêëàäíàÿ îïòèêà-2006” 16–20 îêòÿáðÿ 2006 ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. Ðîññèÿ. Ñáîðíèê òðóäîâ. Ò. 1. Îïòè÷åñêîå ïðèáîðîñòðîåíèå. Òðóäû îïòè÷åñêîãî îáùåñòâà èì. Ä.Ñ. Ðîæäåñòâåíñêîãî. ÑÏá.: èçä. ÃÈÒÌÎ (ÒÓ), 2006. Ñ. 24–28.
8. Àíèñèìîâ À.Ã. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ïîãðåøíîñòè ïðè ôîêóñèðîâêå íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ îïòèêî-ýëåêòðîííîé ñèñòåìû êîíòðîëÿ ñîîñíîñòè // Òðóäû ÷åòâåðòîé ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ “Îïòèêà-2005”. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. ÑÏá.: èçä. ÃÈÒÌÎ (ÒÓ), 2005. Ñ. 17–21.
8 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009