PL227852B1 - Czujnik optyczny konfokalny do pomiaru średnic wewnętrznych - Google Patents

Abstract

Czujnik jest wyposażony w sprzęgacz światłowodowy (9) i element optyczny, rozdzielający wiązkę światła na dwie gałęzie pomiarowe, który stanowi zwierciadło podwójne (2), a w osi optycznej pomiędzy zwierciadłem podwójnym (2) a sprzęgaczem światłowodowym (9) jest umieszczony obiektyw dwustronnie telecentryczny złożony z części chromatycznej (3, 4), usytuowanej po stronie zwierciadła podwójnego (2), z części apochromatycznej (6, 7, 8), usytuowanej po stronie sprzęgacza światłowodowego (9) oraz z przysłony aperturowej (5), usytuowanej w płaszczyznach ogniskowych części chromatycznej (3, 4) i apochromatycznej (6, 7, 8). Ponadto powierzchnie odbijające zwierciadła podwójnego (2) tworzą ze sobą kąt prosty.

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik optyczny konfokalny do pomiaru średnic wewnętrznych, zwłaszcza średnic wewnętrznych rur gładkich.

W dotychczas znanych czujnikach zwanych średnicówkami pomiar średnicy wewnętrznej rury odbywa się stykowo, a główną ich wadą jest brak pewności, co do prawidłowego ich położenia w czasie pomiaru. W efekcie, w miejsce pomiaru średnicy, otrzymujemy pomiar, który może odbiegać od właściwego pomiaru zarówno na plus jak i na minus. Te uwagi odnoszą się zarówno do czujników dwustykowych jak i w mniejszym stopniu do trójstykowych.

Ze zgłoszenia patentowego US 2015146208 znany jest czujnik optyczny do pomiaru średnic, zawierający soczewkę gradientową typu GRIN oraz element pryzmatyczny złożony z dwóch przylegających do siebie pryzmatów z lustrzanie pochylonymi powierzchniami odbijającymi. Wiązka światła, doprowadzona do soczewki gradientowej przez sprzęgacz światłowodowy, jest rozdzielana przez element pryzmatyczny na dwie konfokalne wiązki tworzące dwie przeciwległe gałęzie pomiarowe. Pomiar polega na ustaleniu współrzędnych wiązek pomiarowych zogniskowanych kolejno w przeciwległych punktach wyznaczających średnicę otworu. Przed pomiarem należy wykonać kalibrację czujnika. Wadą tego rozwiązania jest ograniczony zakres pomiarowy wynikający ze stałych parametrów optycznych elementów czujnika.

Celem wynalazku jest zbudowanie optycznej konfiguracji czujnika konfokalnego do pomiaru średnic wewnętrznych otworów, pozbawionego wad występujących w dotychczas znanych czujnikach używanych w metrologii warsztatowej.

Czujnik optyczny konfokalny do pomiaru średnic wewnętrznych, wyposażony w sprzęgacz światłowodowy i element optyczny rozdzielający wiązkę światła na dwie gałęzie pomiarowe, według wynalazku charakteryzuje się tym, że element rozdzielający wiązkę światła na dwie gałęzie pomiarowe stanowi zwierciadło podwójne, a w osi optycznej pomiędzy zwierciadłem podwójnym a sprzęgaczem światłowodowym jest umieszczony obiektyw dwustronnie telecentryczny złożony z części chromatycznej usytuowanej po stronie zwierciadła podwójnego, z części apochromatycznej usytuowanej po stronie sprzęgacza światłowodowego, oraz z przysłony aperturowej usytuowanej w płaszczyznach ogniskowych części chromatycznej i apochromatycznej, przy czym powierzchnie odbijające zwierciadła podwójnego tworzą ze sobą kąt prosty.

Korzystnym jest, jeżeli sprzęgacz światłowodowy jest wyposażony w sumator i rozgałęziacz, który to rozgałęziacz jest połączony ze źródłem światła białego wprowadzanego do układu i spektrofotometrem odbierającym światło monochromatyczne odprowadzane z układu.

Korzystnym jest, jeżeli część chromatyczna obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera, co najmniej, dwie soczewki dodatnie, przednią i tylną, wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40.

Korzystnym jest, jeżeli część apochromatyczna obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera co najmniej trzy soczewki, z których dwie soczewki dodatnie skrajne są wykonane z fluorytu a soczewka środkowa ze szkła optycznego o liczbie Abbego z zakresu od 49 do 55.

Korzystnym jest także, jeżeli zwierciadło podwójne jest zamocowane przesuwnie po osi optycznej względem obiektywu dwustronnie telecentrycznego.

Dzięki zastosowaniu zwierciadła podwójnego z dwiema powierzchniami odbijającymi tworzącymi z sobą kąt prosty, zyskano zmianę kierunku obu gałęzi pomiarowych o osiach tworzących linię prostą, po której jest mierzona średnica wewnętrzna rury. Miarą prostopadłości gałęzi pomiarowych do powierzchni wewnętrznych obiektu jest wielkość sygnału mierzonego w spektrometrze.

Dzięki zastosowaniu części chromatycznej obiektywu dwustronnie telecentrycznego, która zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40, uzyskano znaczny zakres zmiany konfokalnej odległości roboczej w obu gałęziach pomiarowych.

Dzięki zastosowaniu części chromatycznej obiektywu dwustronnie telecentrycznego, która zawiera co najmniej trzy soczewki, z których dwie soczewki dodatnie skrajne są wykonane z fluorytu a soczewka środkowa ze szkła optycznego o liczbie Abbego z zakresu od 49 do 55, uzyskano wysoki stopień korekcji aberracji sferochromatycznej widma wtórnego położenia i wielkości, konieczny do ogniskowania wiązki światła monochromatycznego na końcówkach sumatora wchodzącego w skład sprzęgacza światłowodowego.

PL 227 852 B1

Dzięki zastosowaniu zwierciadła podwójnego zamocowanego przesuwnie po osi optycznej względem obiektywu dwustronnie telecentrycznego, uzyskano zmianę zakresu mierzonych średnic wewnętrznych rur badanych.

Układ według wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat ideowy układu optycznego czujnika konfokalnego ze zwierciadłem podwójnym w dwóch konfiguracjach pomiarowych względem badanej rury.

Czujnik konfokalny do pomiaru średnic wewnętrznych jest wyposażony w sprzęgacz światłowodowy 9 i element optyczny w postaci zwierciadła podwójnego 2, który rozdziela wiązkę światła białego wprowadzoną do układu na dwie gałęzie pomiarowe. Powierzchnie odbijające zwierciadła podwójnego 2 tworzą ze sobą kąt prosty, wykonany z dużą dokładnością. W osi optycznej pomiędzy zwierciadłem podwójnym 2 a sprzęgaczem światłowodowym 9 jest umieszczony obiektyw dwustronnie telecentryczny złożony z części chromatycznej 3, 4 usytuowanej po stronie zwierciadła podwójnego 2, z części apochromatycznej 6, 7, 8 usytuowanej po stronie sprzęgacza światłowodowego 9, oraz z przysłony aperturowej 5 usytuowanej w płaszczyznach ogniskowych części chromatycznej 3, 4 i apochromatycznej 6, 7, 8. Sprzęgacz światłowodowy 9 jest wyposażony w sumator i rozgałęziacz. Rozgałęziacz jest połączony ze źródłem światła białego 10 wprowadzanego do układu i spektrofotometrem 11 odbierającym światło monochromatyczne odprowadzane z układu.

Przedmiotem pomiaru jest średnica wewnętrzna D rury gładkiej 1 lub otworu innego obiektu, określona wzorem:

D = si + S2 + a

Zmiennymi są: odległość konfokalna Si jednej gałęzi pomiarowej, odległość konfokalna S2 drugiej gałęzi pomiarowej i stała rozstawienia gałęzi pomiarowych a.

W przykładowym wykonaniu czujnika obiektyw dwustronnie telecentryczny ma w środku umieszczoną przysłonę aperturową 5 o średnicy 0 = 8 mm, umieszczoną w ogniskach części chromatycznej 3, 4 i apochromatycznej 6, 7, 8, przez którą przechodzą dwie wiązki polowe tworzące dwie gałęzie pomiarowe. Wiązki te ogniskują się, z jednej strony na średnicy wewnętrznej rury gładkiej 1 a z drugiej strony na końcówkach sumatora sprzęgacza światłowodowego 9. Rozstawienie gałęzi pomiarowych a wynosi 8 mm.

Ogniskowe części chromatycznej 3, 4 i apochromatycznej 6, 7, 8 obiektywu dwustronnie telecentrycznego wynoszą 64 mm. Część chromatyczna 3, 4 obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera dwie soczewki dodatnie wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40. Korzystny zakres zmiany chromatycznej odległości konfokalnych Si; i S2 w obu gałęziach pomiarowych wynosi 4 mm. Część apochromatyczna 6, 7, 8 obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera trzy soczewki 6, 7, 8, z których dwie soczewki dodatnie skrajne 6, 8 są wykonane z fluorytu a soczewka środkowa 7 ze szkła optycznego o liczbie Abbego z korzystnego zakresu od 49 do 55.

Zwierciadło podwójne 2 może być zamocowane przesuwnie po osi optycznej względem obiektywu dwustronnie telecentrycznego. W konfiguracji pomiarowej, zaznaczonej na rysunku linią przerywaną, gdzie rura ma mniejszą średnicę, pomiar jest realizowany na tej samej zasadzie po zmianie położenia zwierciadła podwójnego 2 względem obiektywu dwustronnie telecentrycznego.

Układ optyczny czujnika konfokalnego według wynalazku powinien być wyposażony w źródło światła białego, dobrej jakości, zawierające ciągłe widmo fal światła widzialnego od 0,4 do 0,7 mikrometra.

Claims (5)

1. Czujnik optyczny konfokalny do pomiaru średnic wewnętrznych, wyposażony w sprzęgacz światłowodowy (9) i element optyczny rozdzielający wiązkę światła na dwie gałęzie pomiarowe, znamienny tym, że element rozdzielający wiązkę światła na dwie gałęzie pomiarowe stanowi zwierciadło podwójne (2), a w osi optycznej pomiędzy zwierciadłem podwójnym (2) a sprzęgaczem światłowodowym (9) jest umieszczony obiektyw dwustronnie telecentryczny złożony z części chromatycznej (3, 4) usytuowanej po stronie zwierciadła podwójnego (2), z części apochromatycznej (6, 7, 8) usytuowanej po stronie sprzęgacza światłowodowego (9), oraz z przysłony aperturowej (5) usytuowanej w płaszczyznach ogniskowych części chromatycznej (3, 4) i apochromatycznej (6, 7, 8), przy czym powierzchnie odbijające zwierciadła podwójnego (2) tworzą ze sobą kąt prosty.

PL 227 852 B1

2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęgacz światłowodowy (9) jest wyposażony w sumator i rozgałęziacz, który to rozgałęziacz jest połączony ze źródłem światła białego (10) wprowadzanego do układu i spektrofotometrem (11) odbierającym światło monochromatyczne odprowadzane z układu.

3. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że część chromatyczna (3, 4) obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera co najmniej dwie soczewki dodatnie, przednią (3) i tylną (4), wykonane ze szkła typu flintowego o liczbie Abbego mniejszej od 40.

4. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że część apochromatyczna (6, 7, 8) obiektywu dwustronnie telecentrycznego zawiera, co najmniej trzy soczewki, z których dwie soczewki dodatnie skrajne (6, 8) są wykonane z fluorytu a soczewka środkowa (7) ze szkła optycznego o liczbie Abbego z zakresu od 49 do 55.

5. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zwierciadło podwójne (2) jest zamocowane przesuwnie po osi optycznej względem obiektywu dwustronnie telecentrycznego.