Способ триангуляционного измерения поверхностей объектов и устройство для его осуществления

Способ триангуляционного измерения поверхностей объектов, в котором облучают поверхность объекта плоским зондирующим лазерным лучом, формируют на поверхности объекта линию сканирования, регистрируют отраженное световое излучение в плоскости изображения, ориентированной в соответствии с условием Шеймпфлуга, определяют расстояние до линии сканирования и получают информацию о профиле объекта. Плоскость зондирующего лазерного луча ориентируют таким образом, что его проекция на поверхности объекта образует угол β с плоскостью, перпендикулярной плоскости триангуляции, в направлении по или против часовой стрелки. Плоскость изображения наклоняют на угол θ относительно плоскости триангуляции в направлении по или против часовой стрелки соответственно согласно выражению: θ=arctg[(0,1-0,3)tgβ], где угол β выбирают в диапазоне (15-35) град. Устройство для осуществления этого способа включает источник излучения, цилиндрическую линзу, фокусирующую линзу, фотоприемник, установленный в плоскости изображения и ориентированный в плоскости триангуляции в соответствием с условием Шеймпфлуга, и устройство обработки информации. Цилиндрическая линза выполнена с возможностью поворота плоскости лазерного луча относительно плоскости, перпендикулярной плоскости триангуляции. Фотоприемник выполнен с возможностью наклона его плоскости относительно исходного положения. Технический результат - повышение точности триангуляционного измерения объектов при сканировании их поверхностей плоским лазерным лучом. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам и устройствам измерения размеров различных объектов, в частности деталей машиностроения.

Для измерения геометрических размеров поверхностей различных объектов широко используется триангуляционный метод. Он основан на облучении измеряемого объекта зондирующим лазерным излучением, измерении на фотоприемнике отраженного светового сигнала и определении по известным параметрам - базе и углу триангуляции - расстояния до объекта [1-3].

Известны способы триангуляционного измерения поверхностей объектов, заключающиеся в проектировании на поверхность объекта зондирующего плоского лазерного луча, фокусировке отраженного светового излучения посредством линзы в плоскость изображения, регистрации отраженного излучения, определении расстояния до сканируемой линии по известным триангуляционным соотношениям и получении информации о профиле объекта, в которых плоскость зондирующего лазерного луча на поверхности объекта или ортогональна плоскости триангуляции (которая определяется как плоскость, в которой лежат оптическая ось источника излучения и оптическая ось приемника) [4], или расположена под некоторым углом к ней таким образом, что проекция упомянутой плоскости лазерного луча на поверхности объекта (в плоскости, нормаль к которой совпадает с оптической осью источника излучения) остается перпендикулярной плоскости триангуляции [5].

Недостатком известных способов, которым соответствует ортогональное расположении проекции плоскости зондирующего лазерного луча к плоскости триангуляции, при сканировании областей поверхности объекта со сложным пространственным профилем (края, выступы, участки с резким изменением кривизны и др.) является размытие изображения и, как следствие, снижение точности измерения расстояния при сканировании плоским лазерным лучом.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран способ триангуляционного измерения поверхностей объектов, заключающийся в облучении поверхности объекта плоским зондирующим лазерным лучом, формировании на поверхности объекта линии сканирования (проекции плоского лазерного луча на поверхность объекта), регистрации отраженного от поверхности объекта излучения с помощью фокусирующей линзы в плоскости изображения, определении расстояния до линии сканирования и получении информации о профиле объекта [6]. Плоскость зондирующего лазерного луча ориентирована перпендикулярно плоскости объекта (перпендикулярно плоскости триангуляции), а плоскость изображения наклонена в плоскости триангуляции под углом ϕ к плоскости, нормаль к которой параллельна оптической оси фокусирующей линзы, таким образом, что выполняется т.н. условие Шеймпфлуга (известное специалисту в данной области техники и подразумевающее, что плоскость фотоприемника и средняя плоскость фокусирующей линзы пересекаются с плоскостью зондирующего лазерного луча по общей линии). Выполнение условия Шеймпфлуга приводит к тому, что любая точка, лежащая на оси зондирующего лазерного луча, будет отображаться в фокусе фотоприемника, что позволяет реализовать режим (точной) фокусировки пятна изображения (изображения зондирующей лазерной линии на поверхности объекта) в широком диапазоне расстояний от объекта до фотоприемника без уменьшения интенсивности сигнала [7-9].

Устройство для осуществления указанного способа включает источник излучения, цилиндрическую линзу, формирующую из сходящегося коллимированного пучка плоский лазерный луч, линзу, фокусирующую отраженное от поверхности объекта излучение на фотоприемник, и устройство обработки информации. Фотоприемник ориентирован в соответствии с условием Шеймпфлуга [6].

Недостатки указанного способа и устройства заключаются в следующем. Ортогональное взаимное расположение плоскости зондирующего лазерного луча и плоскости триангуляции (чему соответствует ортогональная ориентация линии сканирования относительно плоскости триангуляции) при сканировании областей поверхности объекта со сложным пространственным профилем (края, выступы, участки с резким изменением кривизны и др.) приводит к размытию изображения линии сканирования на фотоприемнике, особенно на краях деталей, и, как следствие, к снижению точности измерения расстояния при сканировании плоским лазерным лучом.

Задача, решаемая изобретением, - повышение точности триангуляционного измерения объектов при сканировании их поверхностей плоским лазерным лучом.

Указанная задача решается тем, что в способе триангуляционного измерения поверхностей объектов, в котором облучают поверхность объекта плоским зондирующим лазерным лучом, формируют на поверхности объекта линию сканирования, регистрируют отраженное световое излучение в плоскости изображения, ориентированной в плоскости триангуляции в соответствии с условием Шеймпфлуга, определяют расстояние до линии сканирования и получают информацию о профиле объекта, плоскость зондирующего лазерного луча ориентируют под углом β по отношению к плоскости, перпендикулярной плоскости триангуляции, в направлении по или против часовой стрелки, а плоскость изображения наклоняют на угол θ в направлении по или против часовой стрелки соответственно согласно выражению

Угол β выбирают в диапазоне (15-35) град.

В устройстве для осуществления предлагаемого способа, включающем источник излучения, цилиндрическую линзу, фокусирующую линзу, фотоприемник, установленный в плоскости изображения и ориентированный в плоскости триангуляции в соответствии с условием Шеймпфлуга, и устройство обработки информации, цилиндрическая линза выполнена с возможностью поворота плоскости лазерного луча относительно плоскости, перпендикулярной плоскости триангуляции, а фотоприемник выполнен с возможностью наклона его плоскости относительно исходного положения.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На чертеже показано устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ. Оно включает источник излучения 1, выполненный, например, в виде лазера, цилиндрическую линзу 2, фокусирующую лазерное излучение в виде плоского луча 3 на поверхность объекта 4, фокусирующую линзу 5, фотоприемник 6 и устройство обработки информации 7, связанное с источником излучения 1 и фотоприемником 6. В исходном положении фотоприемник 6 ориентирован в плоскости триангуляции С (лежащей в плоскости X-Y) под углом γ к плоскости X-Z, нормаль к которой параллельна оптической оси линзы 5, так что выполняется условие Шеймпфлуга (плоскость фотоприемника 6 и средняя плоскость линзы 5 пересекаются с плоскостью зондирующего лазерного луча 3 по общей линии).

Способ согласно изобретению реализуется следующим образом. Лазер 1 формирует плоский луч 3, который проектируется на поверхность объекта 4, при этом плоскость луча 3 ориентирована таким образом, что его проекция на поверхности объекта 4 образует угол β с плоскостью А, перпендикулярной плоскости триангуляции. Для компенсации возникающей при таком наклоне зондирующего луча расфокусировки изображения линии сканирования на фотоприемнике 6 производится наклон плоскости фотоприемника относительно его исходного положения (относительно горизонтальной оси симметрии плоскости изображения В, параллельной оси X) на угол θ. Поворот плоскости луча 3 и наклон плоскости фотоприемника 6 производится в одном направлении - либо по часовой стрелке, либо против. Величина угла θ выбирается из выражения

Значение численного коэффициента перед tgβ выбирается исходя из величины угла триангуляции α, который в случае зондирования объекта плоским лучом можно определить как угол между оптической осью луча - линией, по которой пересекаются плоскость луча и плоскость А, перпендикулярная плоскости триангуляции С, и оптической осью плоскости изображения и который в большинстве случаев находится в диапазоне (25-35) град, и масштаба изображения - отношения размера изображения в плоскости изображения к размеру плоского луча на объекте. Для большинства практических задач это значение может быть принято равным (0,1-0,3). Величина угла β обычно выбирается в диапазоне (15-30) град.

Заявляемый способ позволяет по сравнению со способом-прототипом повысить точность триангуляционного измерения поверхностей различных объектов, имеющих области со сложным пространственным профилем (края, выступы, участки с резким изменением кривизны и др.).

ЛИТЕРАТУРА

1. А.З.Венедиктов. Основные принципы построения оптико-электронных систем триангуляционных измерителей. Вестник РГРТА. Вып.15, 2004. - С.45-51.

2. Патент США №6624899, МКВ G01B 11/14, 2003 г.

3. Патент США №5056922, МКИ G01B 11/24, 1991 г.

4. Патент Японии №8271211, МКИ В23К 9/127, 1996 г.

5. Заявка Японии №06-288728, МКИ G01B 11/24, 1994 г.

6. Патент США №5912739, МКИ G01B 11/04, 1999 г. (прототип).

7. D.B.Kilgis, D.J.Svetkoff. Imaging geometry and error sensitivity in triangulation-based optical receivers. Proc. of SPIE, Vol.2599, p.106-119.

8. M.Rioux et al. Design of a large depth of view three-dimensional camera for robot vision. Optical Engineering, 1987, Vol.26, No.12, p.1245-1250.

9. Патент США №5090811, МКИ G01B 11/24, 1992 г.

1. Способ триангуляционного измерения поверхностей объектов, в котором облучают поверхность объекта плоским зондирующим лазерным лучом, формируют на поверхности объекта линию сканирования, регистрируют отраженное световое излучение в плоскости изображения, ориентированной в соответствии с условием Шеймпфлуга, определяют расстояние до линии сканирования и получают информацию о профиле объекта, отличающийся тем, что плоскость зондирующего лазерного луча ориентируют таким образом, что его проекция на поверхности объекта образует угол β с плоскостью, перпендикулярной плоскости триангуляции, в направлении по или против часовой стрелки, а плоскость изображения наклоняют на угол θ относительно плоскости триангуляции в направлении по или против часовой стрелки, соответственно, согласно выражению

θ=arctg[(0,1-0,3)tgβ].

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол β выбирают в диапазоне 15-35°.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее источник излучения, цилиндрическую линзу, фокусирующую линзу, фотоприемник, установленный в плоскости изображения и ориентированный в плоскости триангуляции в соответствии с условием Шеймпфлуга, и устройство обработки информации, отличающееся тем, что цилиндрическая линза выполнена с возможностью поворота плоскости лазерного луча относительно плоскости, перпендикулярной плоскости триангуляции, а фотоприемник выполнен с возможностью наклона его плоскости относительно исходного положения.