Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. Способ реализует принцип "структурированной подсветки", который используется в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении. Модуляцией интенсивности управляют по двум координатам и спектру, так что на поверхности контролируемого объекта создается структурированная засветка в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от всех остальных. Благодаря этому каждая область рельефа уникальным образом кодируется по высоте рельефа и по двум другим координатам, что, в свою, очередь позволяет однозначно интерпретировать области, образованные сквозными отверстиями в контролируемом объекте при обработке на ЭВМ зарегистрированной картины структурированной подсветки. Таким образом повышается точность контроля. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.

Известны способ и устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат (см., например, Техническое зрение роботов. - Под. ред. А. Пью; пер. с англ. - М. Машиностроение, 1987, с.56 и 57).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств являются низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.

Известен способ и устройство, его реализующее, для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных полос, создаваемая путем пространственной модуляции вдоль одной координаты интесивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируются целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. О контролируемых размерах судят по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат (см., например, описание изобретения к патенту РСТ/WO 00/70303, РСТ/US 99/70303, кл. G 01 B 11/24, 23.11.2000).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением коэффициента отражения.

Известен способ контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система концентрических полос, создаваемая путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения по меньшей мере два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого обьекта (см., например, М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143).

Недостатком известного способа является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, сквозные отверстия, таким образом, также не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ, реализующий известное устройство для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам.

Способ заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении (см., например, описание изобретения к патенту РСТ/WО 99/58930, PCT/US 99/106777, кл. G 01 B 11/24, 1999 г.).

Недостатками известного способа являются высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного по одной координате транспарантом с неизменной структурой, нельзя предусмотреть либо заранее учесть искажения картины, вызванные глубокими впадинами и, тем более, сквозными отверстиями, которые невозможно идентифицировать без априорной информации о макроструктуре поверхности контролируемой поверхности. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения, поскольку в прототипе нет указаний на оптическое, с помощью объектива, проецирование изображения транспаранта на поверхность контролируемого объекта.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом.

Новизна предложенного способа усматривается в том, что управляют модуляцией пучка оптического излучения по двум координатам и спектру, создавая на поверхности контролируемого объекта изображение структурированной подсветки в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от остальных.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно неизвестно из уровня техники.

Предложенный способ является промышленно применимым существующими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленных на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит источник 1 оптического излучения, модулятор 2, объектив 3, фоторегистратор 4, установленный в плоскости изображения объектива 3, цифровой электронный блок 5, блок индикации регистрируемого изображения 6. Вход цифрового электронного блока 5 соединен с выходом фоторегистратора 4, а выход соединен с управляющим входом модулятора 2.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов осуществляют следующим образом.

Пучок оптического излучения, выходящий из источника 1, модулируется по двум координатам и спектру пространственно-временным модулятором света 2. Созданная таким образом структурируемая подсветка проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой известным образом искажает изображение структурируемой подсветки, сформированной с помощью модулятора 2. Объектив 3 проецирует возникающую на контролируемой поверхности картину на чувствительную площадку фоторегистратора 4. Электронный блок 5 преобразует сигнал с выхода фоторегистратора 4 и записывает результат во внутреннее запоминающее устройство. Оператор может наблюдать регистрируемую картину на экране блока 6 и, меняя режим работы блока 5, управлять характером модуляции пучка оптического излучения. Как вариант реализации, изменение характера модуляции может осуществляться автоматически до достижения возможности регистрации всех зон сруктурированной подсветки, кроме тех, которые спроецировались в отверстия.

При последующей обработке из внутреннего запоминающего устройства цифрового электронного блока 5 выбирается запись искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки, в которой каждая пара координат и значение соответствующей этой паре координат высоты рельефа закодированы уникальным образом, поскольку каждая зона структурированной подсветки отлична от остальных при управлении модуляцией пучка оптического зондирующего излучения по двум координатам и спектру. В этом случае области, в которых отсутствует изображение искаженной структуры зондирующей подсветки, однозначно идентифицируются как области, соответствующие сквозным отверстиям. Изменение положения зон пропорционально высоте рельефа, а местоположение возникших изменений соответствует двум другим координатам.

Данное предложение может с успехом использоваться в технологических процессах формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п.). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики.

Формула изобретения

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов, заключающийся в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении, отличающийся тем, что управляют модуляцией пучка оптического излучения по двум координатам и спектру, создавая на поверхности контролируемого объекта изображение структурированной подсветки в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от остальных.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.09.2004        БИ: 26/2004