Modeling the parameters of a two-coordinate autocollimator with a multi-element mark and a matrix photodetector

Publication in Journal of Optical Technology

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Ловчий И.Л. Моделирование параметров двухкоординатного автоколлиматора с многоэлементной маркой и матричным фотоприемником // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 1. С. 49–65. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-49-65

Lovchy I.L. Modeling the parameters of a two-coordinate autocollimator with a multi-element mark and a matrix photodetector [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 1. P. 49–65. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-49-65

For citation (Journal of Optical Technology):

Igor L. Lovchy, "Modeling the parameters of a two-coordinate autocollimator with a multi-element mark and a matrix photodetector," Journal of Optical Technology. 91(1), 29-39 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000029

Abstract:

Subject of study. Virtual model of a two-coordinate digital autocollimator with a matrix photodetector. Work purpose. Determination and comparison, based on modeling, of the maximum achievable accuracy parameters of an autocollimator with a mark in the form of a single round diaphragm and an autocollimator with a multi-element mark of diaphragms distributed around the axis when the reflective control element (flat mirror) is located at a distance from 0.05 to 30 m.Method. Sequential tracing of random rays from the plane of the mark to the plane of the receiver during a double pass through the optical elements of the autocollimator lens with intermediate reflection from the mirror. Determination of the accuracy parameters of autocollimators based on the analysis of the distribution of rays over the pixels of the matrix receiver. Main results. Estimates of the random component of the simulation results are given for various initial beam illumination of the mark and pixel sizes of the matrix receiver. The results of modeling the maximum achievable accuracy parameters of an autocollimator with a 2-lens objective using a single- and multi-element brand are compared. An algorithm for processing images of mark elements with the selection of the optimal image to obtain the most accurate result of the angular measurement is described. The possibility of a significant increase in the accuracy of angular measurements and the working distance of an autocollimator with a multi-element mark is shown. Practical significance. The use of a “colored” multi-element mark in the optical scheme of the autocollimator makes it possible to implement a high-precision mode of angular measurements at a considerable distance from the mirror.

Keywords:

autocollimator, mark, matrix photodetector, pixel size, measurement error

OCIS codes: 080.5692, 110.2960, 120.3930

References:

Аникст Д.А., Костантинович К.М., Меськин И.В. и др. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Якушенкова Ю.Г. М.: Машиностроение, 1987. 480 с.

Anikst D.A., Kostantinovich K.M., Meskin I.V., et al. High-precision angular measurements [in Russian] / Ed. by Yakushenkov Yu.G. Moscow: ''Mashinostroenie'' Publ., 1987. 480 p.

2. Унифицированный ряд цифровых двухкоординатных автоколлиматоров ОПТРО-АК [Электронный ресурс] // http://www.optrotech.ru/prod1-4.php (дата обращения: 06.03.2023).

Unified range of digital two-coordinate autocollimators ОПТРО-АК [Electronic resource] // http://www.optrotech.ru/prod1-4.php (access date: 06/03/2023).

3. Автоколлиматоры АК-025М, АК-025, АК-05 [Электронный ресурс] // http://intertech-ltd.com/автоколлиматоры-ак-01-ак-025-и-ак-05 (дата обращения 06.03.2023).

Autocollimator АК-025М, АК-025, АК-05 [Electronic resource] // http://intertech-ltd.com/автоколлиматоры-ак-01-ак-025-и-ак-05 (access date: 06.03.2023).

4. TriAngle Electronic autocollimator for precise opti-cal angle measurement [Электронный ресурс] // https://trioptics.com/products/triangle-electronic-autocollimators (дата обращения: 06.03.2023).

TriAngle Electronic autocollimator for precise optical angle measurement [Electronic resource] // https://trioptics.com/products/triangle-electronic-autocollimators (access date: 06/03/2023).

5. Ultra High Precision Dual Axis Digital Autocollimator [Электронный ресурс] // https://www.taylor-hobson.com/products/alignment-level/autocollimators (дата обращения: 06.03.2023).

Ultra High Precision Dual Axis Digital Autocollimator [Electronic resource] // https://www.taylor-hobson.com/products/alignment-level/autocollimators (access date: 03/06/2023).

6. Electronic autocollimators. Measure with precision. [Электронный ресурс] // https://www.haagstreit.com/fileadmin/Moeller_wedel_optical/Brochures/Electronic_Autocollimators/ELCOMAT__English.pdf (дата обращения: 06.03.2023).

Electronic autocollimators. Measure with precision. [Electronic resource] // https://www.haagstreit.com/fileadmin/Moeller_wedel_optical/Brochures/Electronic_Autocollimators/ELCOMAT__English.pdf (access date: 03/06/2023).

7. Richter E. Einfluß der Objektiv-Aberrationen auf die Meßunsicherheit beim Autokollimationsfernrohr [auf Deutsch] // Feingerätetechnik. 1974. Bd. 23. № 6. S. 270–273.

8. Filatov Y.V., Larichev R.A. Aberration influence on accuracy of angle measurements by means of autocollimator // Proc. SPIE. 2015. V. 9525. P. 95253O(1–7). http://doi.org/10.1117/12.2184726

9. Хуснутдинов Р.М. Влияние ограничения световых пучков на погрешность измерения следящего фотоэлектрического автоколлиматора // ОМП. 1989. № 7. С. 21–23.

Khusnutdinov R.M. The influence of light beam limitation on the measurement error of a tracking photoelectric autocollimator // Journal of Optical Technology. 1989. № 7. P. 21–23.

10. Смехов А.А., Коняхин И.А. Исследование облученности виньетированного изображения в автоколлимационной системе с помощью компьютерного моделирования // Изв. ВУЗов. «Приборостроение». 2013. Т. 56. № 11. С. 11–14.

Smekhov A.A., Konyakhin I.A. Study of the irradiance of a vignetted image in an autocollimation system using computer modeling [in Russian] // News of Universities. "Instrument making". 2013. V. 56. № 11. P. 11–14.

11. Li R., Konyakhin I., Zhang Q., et al. Error compensation for long-distance measurements with a photoelectric autocollimator // Opt. Eng. 2019. V. 58. № 10. P. 104112(1–9). http://doi: 10.1117/1.OE.58.10.104112

12. Zhu F., Tan X., Tan J., Cui J. Note: Autocollimation with ultra-high resolution and stability using telephoto objective together with optical enlargement and beam drift compensation // Rev. Sci. Instrum. 2016. V. 87. P. 086110(1–3). http://dx/doi.org/10/1063/1.4961689

13. Guo Y., Cheng H., Wen Y., et al. Small-angle measurement in laser autocollimation based on a common-path compensation method // J. Modern Opt. 2019. V. 66. № 18. P. 1818–1826. http://doi.org/10.1080/09500340.2019.1677954

14. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Отражатель для трехкоординатных углоизмерительных устройств // ОМП. 1980. № 2. С. 31–35.

Konyakhin I.A., Pankov E.D. Reflector for three-coordinate angle measuring devices // Journal of Op-tical Technology. 1980. № 2. P. 31–35.

15. Konyakhin I.A., Turgalieva T., Li R. Optic-electronic sensor for measuring the deformations of the axle at the radio-telescope // Proc. SPIE. 2014. V. 9141. P. 914123. http://doi.org/10.1117/12.2051874

16. Женьпу Л., Коняхин И.А. Синтез отражателей для автоколлимационных измерений при увеличенной рабочей дистанции // Известия ВУЗов. «Приборостроение». 2002. Т. 45. № 11. С. 45–47.

Zhenpu L., Konyakhin I.A. Synthesis of reflectors for autocollimation measurements at an increased working distance [in Russian] // News of Universities. "Instrument making". 2002. V. 45. № 11. P. 45–47.

17. Li R., Zhou M., Konyakhin I., et al. Cube-corner autocollimator with expanded measurement range // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 5. P. 6389–6403. http://doi.org/10.1364/OE.27.006389

18. Бондаренко И.Д. Автоколлиматор // А.с. № SU 1089407 А. Бюл. изобр. 1984. № 16.

Bondarenko I.D. Autocollimator // Copyright Certificate № SU 1089407 A. Bulletin of inventions. 1984. № 16.

19. Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 6. С. 52–58.

Korolev A.N., Lukin A.Ya., Polishchuk G.S. New concept of angular measurement. Model and experimental studies // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. P. 352–356. http://doi.org/10.1364/JOT.79.000352

20. Бохман Е.Д., Венедиктов В.Ю., Королев А.Н., Лукин А.Я. Цифровой измеритель угла с двумерной шкалой // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 5. С. 19–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-05-19-25

Bokhman E.D., Venediktov V.Yu., Korolev A.N., Lukin A.Ya. Digital goniometer with a two-dimensional scale // Journal of Optical Technology. 2018. V. 85. P. 269–274. http://doi.org/10.1364/JOT.85.000269

21. Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. Использование информационной избыточности в оптических цифровых измерительных системах с 2D-сенсором // Измерительная техника. 2017. № 3. С. 29–33.

Korolev A.N., Lukin A.Ya., Polishchuk G.S. Use of information redundancy in optical digital measurement systems with 2D sensor // Measurements Techniques. 2017. V. 60. № 3. P. 242–247.

22. Ловчий И.Л. Моделирование широкодиапазонного однокоординатного автоколлиматора с протяженной маркой и приемником в виде линейки фоточувствительных элементов // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 11. С. 56–65. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-11-56-65

Lovchy I.L. Modeling a broad-band single-coordinate autocollimator with an extended mark and a detector in the form of a linear-array camera // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. P. 654–660. http://doi.org/10.1364/JOT.88.000654

23. Sony IMX586-AAJH5-C [Электронный ресурс] // https://whycan.com/files/members/466/IMX586-AAJH5-C_0.0.1_Datasheet(1).pdf (дата обращения: 06.03.2023).

Sony IMX586-AAJH5-C [Electronic resource] // https://whycan.com/files/members/466/IMX586-AAJH5-C_0.0.1_Datasheet(1).pdf (access date: 03/06/2023).

24. Shi J., Li Y., Zhang D., Xing H. Research on the influence model of collimating lens aberrations in autocollimation system based on the ray-tracing method // IEEE Sensors J. 2023. V. 23. № 2. P. 1224–1233. http://doi.org/10.1109/JSEN.1022.32244730

25. Автоколлиматоры унифицированные АКУ [Электронный ресурс] // https://npzoptics.ru/files/АКУ-02%20-05%20-1.pdf (дата обращения: 06.03.2023).

Unified autocollimators АКУ [Electronic resource] // https://npzoptics.ru/files/АКУ-02%20-05%20-1.pdf (access date: 03/06/2023).