CZ298071B6 - Zpusob merení tvaru transparentních objektu, zejména brousených kamenu a zarízení k jeho provádení - Google Patents

Abstract

Nejprve se merený objekt popíse tak, ze se specifikují tvary jeho plosek a jejich vzájemné polohy, parametrizují se jejich charakteristické rozmery aúhly a ty se zmerí. Z hodnot parametru plosek se sestaví pocítacový model mereného objektu a poté se simuluje pruchod svazku paprsku ze simulovaného svetelného zdroje. Urcují se místa a úhly vstupu avýstupu jednotlivých svazku paprsku, címz se získá jejich geometrie. Pak se provede merení na danémobjektu tak, ze se objekt prosvetluje svetelným zdrojem se stejnými parametry, ve stejných místech a pod stejnými úhly jako pri simulovaném merení, zaznamenávají se místa a úhly skutecného výstupu jednotlivých svazku paprsku, cemuz odpovídá geometrie skutecných výstupních svazku paprsku. Urcí se vzdálenost geometrie zjistených skutecných a simulovaných výstupních svazku paprsku ve zvolené metricea zvolí se optimalizacní metoda optimalizující tuto vzdálenost za pomoci úprav hodnot parametru simulovaného modelu objektu. Provádejí se nové simulace pri techto upravených hodnotách s cílem minimalizovat vzdálenost merených a simulovaných výstupních svazku paprsku. Výsledné parametry zmereného kamene jsou hodnoty optimalizovaných parametru kamene po optimalizaci. Zarízení sestává z bloku (10) vlození údaju o tvaru a rozmerech promerovaného objektu, jehoz výstup je propojen s jedním vstupem bloku (30) simulace výstupních svazku paprsku modelu, jehoz druhý vstup je propojen s blokem (20) vlození údaju o parametrech zdroje svetla a jehoz jeden výstup je propojen s jedním vstupem bloku (50) optimalizace, jehoz druhý vstup je propojen s výstupem mericího bloku (40) výstupních svazku paprsku promerovaného objektu

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká způsobu a zařízeni, které umožňují velmi přesně změřit tvar transparentních objektů, zejména pak broušených kamenů.

Dosavadní stav techniky

Existuje řada transparentních předmětů od jednoduchých po složitější tvary, kdy je žádoucí znát přesně jej ich rozměry. Typickou oblastí je Špcrkařský a bižuterní průmysl, kde se vyrábí brouše15 né kameny ať již ze skla, křišťálu, kubické zirkonie či přimo z. drahých kamenů. Povrch těchto kamenu je pak tvořen rovinnými ploškami a výsledný broušeny kámen jc konvexní mnohostěn. Během výroby, ale i po jejím skončení, je nutné měřit tvar kamenů, aby bylo možné nastavovat či měnit výrobní parametry kamenů.

Tvar kamenů je často obtížné měřit přimo, protože jsou velmi malé či jsou malé jednotlivé plošky. Jednou z možnosti je proměřovat dané transparentní objekty po částech profllprojektorem, což je velmi zdlouhavé, neboť je nutné nasnímat jejich profily z mnoha směrů. Existují způsoby a zařízeni, kterými je možné kámen jednoznačně popsat, nikoli ho ale přesně proměřit. Tyto způsoby a zařízení, uvedené např. v GB 1416568 jsou v podstatě založeny na tom, že se na 25 proměřovaný kámen vyšle svazek světla, který' po několika odrazech a lomech v kameni vyjde ven z kamene jako množina svazků světla. Poloha vystoupivších paprsků se zaznamená a uloží. Tylo uložené údaje pak slouží pro použití při identifikaci například broušeného kamene po jeho vráceni z výstavy, při krádeži a podobně. Jedná se tedy vlastně o způsoby umožňující identifikaci konkrétního objektu, zejména pak drahých kamenů. Existuje také dokument WO 2004028288.

kde je uvedena zmínka o možnosti získat třírozměrný obraz drahokamu, ale nespecifikuje blíže jak. Principiálně systém popsaný v tomto patentu spadá do kategorie protiIprojektor.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje způsob měření tvaru transparentních objektů, zejména broušených kamenů, a zařízení pro jeho realizaci. Podstatou nového způsobuje, žc se optimalizuje tvar počítačového modelu objektu tak. aby průchod světla skutečným objektem souhlasil s průchodem světla počítačovým modelem tohoto objektu. Měřený objekt se nejdříve popíše tak, že sc 40 specifikují tvary jednotlivých jeho plošek a jejich vzájemné polohy, parametrizují se jejich charakteristické rozměry a úhly a ty se změří. Na základě takto získaných hodnot parametrů plošek se sestaví počítačový model měřeného objektu. V dalším kroku se simuluje průchod svazků paprsků ze simulovaného světelného zdroje a určují se místa a úhly vstupu a výstupu jednotlivých svazků paprsků. Tím se získá geometrie simulovaných výstupních svazků paprsků. Násled45 ně se provede měření na daném objektu tak, že se tento objekt prosvětlil je světelným zdrojem se stejnými parametry a ve stejných místech a pod stejnými úhly jako při simulovaném měřeni. Místa a úhly skutečného výstupu jednotlivých svazků paprsků sc zaznamenávají a výsledkem je geometrie skutečných výstupních svazků paprsků. Nyní se určí vzdálenost geometrie zjištěných skutečných a simulovaných výstupních svazků paprsků ve zvolené metrice. V dalším kroku se 50 zvolí optimalizační metoda, která mění hodnoty parametrů simulovaného modelu měřeného objektu tak. aby minimalizoval tuto vzdálenost. S každou změnou hodnot parametrů se samozřejmě určí nové geometrie výstupních svazků a urči nová hodnota vzdálenosti. Výsledek optimalizace jsou změřené parametry daného transparentního objektu, například kamene.

Při použití svazku světla o velkém průměru a objektu s mnoha ploškami je množství vystoupivších svazků velké a je velmi obtížné identifikovat, který výstupní svazek odpovídá kterému simulovanému svazku. Tento problém je řešen postupem, kdy se nejdříve simuluje průchod světla kamenem, a pak se nejlépe pro každý výstupní svazek zvlášť při reálném měření vpustí vstupní 5 svazek jen v tom směru a jen do toho místa na povrchu objektu, které předpověděla simulace, aby vystoupil jen jeden výstupní paprsek nebo několik málo snadno rozlišitelných paprsků

Jestliže je nutné měřit jen polohu pouze jedné či několika plošek celého objektu, je možné při simulaci identifikovat svazky výstupních paprsků, které se od těchto plošek odrážejí nebo se na io nich lámou a pro měření a simulace použít pouze tyto výstupní paprsky.

Podstatou zařízení k prováděni uvedeného způsobu měření transparentních objektů je, žc sestává z bloku vložení údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu, jehož výstup je propojen s jedním vstupem bloku simulace výstupních svazků paprsků modelu. Druhý vstup bloku simula15 ce výstupních svazků paprsků modeluje propojen s blokem vložení údajů o parametrech zdroje světla a první výstup bloku simulace jc propojen s jedním vstupem bloku optimalizace. Druhý vstup bloku optimalizace je propojen s výstupem měřicího bloku výstupních svazků paprsků proměřovaného objektu, jehož vstup je propojen s druhým výstupem bloku simulace výstupu leh svazků paprsků modelu. Výstup bloku optimalizace je spojen s blokem výstupu naměřených 20 hodnot.

Výhodou uvedeného způsobu a zařízení pro měření tvaru transparentních objektů je, že umožňuje měřit přesně především úhly jednotlivých plošek, a to oproti profilprojcktorům téměř bez ohledu na jejich velikost, dále umožňuje měřit zakřivení jednotlivých plošek, což je pro malé 25 plošky na profilprojektoru téměř nemožné a další metody, např. interferomelrické, jsou zase velice zdlouhavé a finančně náročné. Uvedená metoda je velice vhodná pro rutinní proměřování výrobků ve výrobě, kdy umožňuje nejen rychle zhodnotit shodnost či neshodnost výrobku, ale i poskytnout informace nutné k regulačnímu zásahu do výroby.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude blíže popsáno pomoci přiložených výkresů, kde jc na obr, I znázorněno schéma zařízeni a na obr. 2 je uveden příklad provedeni bloku měřeni výstupních svazků 35 transparentního objektu.

Příklady provedeni vynálezu

Předmětem uvedeného řešeni je přistroj a metoda pro určeni tvaru transparentního objektu, zejména broušeného kamene, z geometrického rozloženi světelných svazků, které jím projdou. Pro jednoduchost bude příklad popisován právě pro broušený kámen. Jestliže se vpustí svazek světla do kamene, po několika odrazech a lomech v kameni vyjde ven z kamene množina svazků světla. Geometrické parametry těchto svazků, tedy jejich poloha v prostoru, jsou velmi citlivé na 45 tvar kamene, především na sklon plošek kamene, z čeho nový způsob vychází, Za určitých podmínek, pokud jc znám kvalitativní model kamene, tedy počet a sousednost plošek a přibližný tvar kamene, je možné určit přesný tvar kamene ze změřených parametrů těchto svazků.

Při provádění měření se nejprve provede kvalitativní popis daného kamene, což znamená, že se 5o specifikují tvary jednotlivých jeho plošek a jejich vzájemné polohy. U kamenů se tedy vlastně určí jeho typ, zda se jedná o diamant, briliant a podobně. Poté se parametrizují jejich charakteristické rozměry a úhly a ty se změří některou ze známých metod. Ke zjišťování všech těchto údajů lze často využít výkresovou dokumentaci neboje možné objekt kvalitativně popsat pozorováním pod lupou a přibližné rozměry' změřit například měřicím mikroskopem nebo profilCZ 298071 B6 projektorem. Jakmile je tento krok dokončen, sestaví se na základě získaných hodnot parametrů plošek počítačový model kamene. Nyní sc simuluje průchod svazků paprsků zc simulovaného světelného zdroje až po jejich výstup ze simulovaného modelu. V dalším kroku se vypočítávají místa a úhly vstupu a výstupu jednotlivých svazků paprsků. Tím se získá geometrie simulova5 nýcli výstupních svazků paprsků, která jednoznačně určuje polohu svazku v prostoru. Nyní se provede měření na skutečném kameni. Kámen se prosvětlujc světelným zdrojem, například laserem, se stejnými parametry, ve stejných místech a pod stejnými úhly jako při simulovaném měření. Vystupující svazky paprsků se nechají dopadnout na stínítko a polohu dopadlých stop lze s výhodou změřit kamerou. Pro malé kameny buď stačí měřit sklony plošek, pak výstupní i0 geometrii svazků paprsků určuje střed kamene a stopa na stínítku, tam kde nás zajímá i rozměr kamene lze postupně vložit paprskům do cesty dvě stínítka ve dvou různých místech, jak je čárkovaně naznačeno na obr. 2. sejmout kamerou dva různé obrazy stop a ze stop zjistit úplnou polohu svazků. V dalším kroku se určí vzdálenost geometrie zjištěných skutečných a simulovaných svazků paprsků ve vhodně zvolené metrice, například vážený součet čtverců odchylek 15 úhlů svazků. Pomocí zvolené optimalizační metody se mění hodnoty parametrů simulovaného modelu kamene a přitom samozřejmě výpočtem určuji nové simulace průchodu jednotlivých svazků paprsků zc simulovaného světelného zdroje při těchto změněných hodnotách, s cílem minimalizovat vzdálenost měřených a simulovaných výstupních svazků paprsků. Výsledkem jsou pak údaje o tvaru a velikosti proměřovaného kamene nebo jiného transparentního objektu.

Popsaný způsob měřeni transparentních objektů lze realizovat speciálně k tomu účelu vytvořeným zařízením. Toto zařízeni je blokově uvedeno na obr. I. Sestává z bloku 10 vloženi údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu, jehož výstup je propojen s jedním vstupem bloku 30 simulace výstupních svazků paprsků modelu. Druhý vstup bloku 30 simulace výstupních 25 svazků paprsků je propojen s blokem 20 vložení údajů o parametrech zdroje světla a jeho jeden výstup jc propojen s jedním vstupem bloku 50 optimalizace. Druhý vstup bloku 50 optimalizace jc propojen s výstupem měřicího bloku 40 výstupních svazků paprsků proměřovaného objektu, jehož vstup je spojen s druhým výstupem bloku 30 simulace výstupních svazků paprsků. Výstup bloku 50 optimalizace je spojen s blokem 60 výstupů naměřených údajů.

Nejjednodušši případ realizace měřicího bloku 40 výstupních svazků paprsků proměřovaného objektu je zobrazen na obr. 2. Zdroj světla 1. například laser, kolimátor nebo obecný zdroj světla, vysílá svazek 2 rovnoběžných paprsků do kamene 3. kterým je jakýkoli průhledný mnohostěn, například šperkařský či bižuterní kámen broušený například do tvaru briliantu. Svazek paprsků 2 35 se při vstupu lomí, při dopadu na různé plošky sc rozbije na několik svazků paprsků, které se šíří v kameni 3. Poté sc každý svazek může několikrát odrážet uvnitř kamene 3. přičemž se rozpadá na další a další svazky. Ty pak opět lomem vystupuji z kamene 3 ve vystupujícím svazku a dopadají na stínítko 6, kde vytvoří stopu 5. Kamera nebo jiné registrační zařízení 4 jako je například goniometr, mikroskop s odečítáním polohy a podobně, určí polohu jednotlivých stop 5 na 40 stínítku 6. Jednou z nejpohodlnějších variant je použiti kamery připojené na počítač. Stínítko 6 může být rovinné, kdy je snazší kalibrace, nebo konkávní část polokulového stínítka. Orientace stínítka 6 a registračního zařízení 4 vůči kameni 3 může být jakákoli. Poloha stop 5 na stínítku 6 nebo obecně poloha vystupujících svazků v sobě nese informaci nejen o úhlech jednotlivých plošek, polohách plošek v prostoru, ale i o indexu lomu materiálu kamene 3 a v případě, že 45 plošky nejsou rovinné, ať již jak produkt broušení na nerovinnéin brusu nebo jako výsledek nedokonalosti broušeni, také o tvaru plošek.

Jiné vytvoření bloku 40 používá pro měření geometrie jednotlivého výstupního svazku detektor, ktcrý^; se pohybuje například v souřadnicích azimut-elevace okolo měřeného objektu. Tento 50 způsob měřeni je pomalejší, ale umožňuje získat vysokou přesnost určeni polohy výstupních paprsků a tím vysokou přesnost změření tvaru objektu.

loto zařízení pracuje následujícím způsobem. Do bloku ]0 vložení údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu se vloží model kamene z výrobní dokumentace nebo z pozorování

- J CZ 298071 B6 mikroskopem a měření nezávislou metodou. V bloku 20 vložení údajů o parametrech zdroje světla se vloží parametry světelného zdroje a jeho geometrické vlastnosti. V bloku 30 simulace výstupních svazků modelu se na základě informaci vložených v bloku 10 vloženi údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu a v bloku 20 vložení údajů o parametrech zdroje světla prove5 dc první simulace výstupních paprsků. Na základě výsledku léto simulace se v měřicím bloku 40 výstupních svazků proměřovaného objektu provede změření geometrie skutečných výstupních svazků paprsků. Výsledky změření geometrie výstupních svazků paprsků a výsledky bloku 30 simulace se vloží do bloku 50 optimalizace vzdálenosti mezi geometrii simulovaných a změřených výstupních svazků paprsků, který' mění parametry simulovaného modelu,

Na základě přibližného tvaru kamene se vytvoří v bloku 10 vložení údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu matematický-počítačový model kamene. Průchod svazku paprsků tímto modelem je možné modelovat. Svazek se při dopadu na kámen a každou další plošku kamene odráží a lomí podle zákonů geometrické optiky (zákon odrazu, lomu. Ercssnelovy zákony), i? Modelováním průchodu svazku kamenem na základě těchto zákonů vznikne model geometrie svazků procházejících kamenem. Tento model geometrie svazku je závislý na parametrech modelu kamene. Geometrie modelu vystupujících paprsků je porovnána s naměřenou geometrii paprsků skutečného kamene, která se získá v měřicím bloku 40 výstupních svazků modelu. Rozdíly mezi naměřenými a namodelovanými hodnotami se použijí při výpočtu kritéria, které 2« hodnotí jestli rozdíl mezi modelem a naměřenými hodnotami je malý nebo velký. Tento krok se provádí v bloku 50 optimalizace. Hodnota kritéria závisí na parametrech modelu kamene, protože geometrie modelu vystupujících paprsků závisí na par metrech modelu kamene. Metodami matematické optimalizace sc v bloku 60 výstupů naměřených údajů mění parametry modelu kamene tak. aby kritérium rozdílu mezi geometrii modelu vystupujících paprsků a naměřenou 25 geometrií vystupujících paprsků bylo co nejrnenší. Jednoduše lze tedy říci, že se jednou naměří na kameni geometrie výstupních paprsků na reálném kameni a pak se neustále generují různé parametry- modelu kamene, z nich sc počítají různé geometrie modelu vystupujících paprsků, a to se opakuje tak dlouho, dokud naměřená a spočítaná geometrie se dostatečně neshodují. Tento postup se realizuje za pomoci matematických optimalizačních metod.

Matematický model kamene poskytuje řadu informací o očekávaném průchodu svazků světla kamenem, l.zc tak předpovědět nejen polohu vystupujícího svazku z kamene, ale i kterou ploškou a kterou její části do kamene vstoupil, od kterých plošek a kterých jejich míst se odrazil a kterou ploškou a kterou její částí vystoupil.

Protože svazek paprsků, který zasahuje větší část kamene, vyrobí velké množství vystupujících svazkuje možné pro identifikaci, který' vystupující svazek zachycený na stínítku odpovídá kterému vystupujícímu svazku modelu použít velice úzkých svazků, které se zamíří přímo na místa, kudy vstupuje modelovaný svazek. Tím se docílí, že vystupující svazek je jen jeden, případně 40 málo svazků, mezi kterými je možné již určit svazek odpovídající vystupujícímu modelovanému svazku.

Průmyslová využitelnost

Způsob a zařízení pro měření tvaru transparentních objektů podle předkládaného vynálezu lze využít zejména ve šperkařském a bižuteriiím průmyslu, kde je nejen během výroby, ale i po jejím skončení nutné měřit tvar kamenů, aby bylo možné nastavovat nebo měnit jejich výrobní parametry'.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob měřeni tvaru transparentních objektů, zejména broušených kamenů, vyznačující se tím, že nejprve se měřený objekt popíše tak. že se specifikují tvary jednotlivých jeho plošek a jejich vzájemné polohy, parametrizují se jejich charakteristické rozměry a úhly a ty se změří, na základě takto získaných hodnot parametrů plošek se sestaví počítačový model měřeného objektu a poté se simuluje průchod svazků paprsků ze simulovaného světelného zdroje, a určuji sc místa a úhly vstupu a výstupu jednotlivých svazků paprsků, čímž se získá geometrie simulovaných výstupních svazků paprsků, následně se provede měření na daném objektu tak, že se tento objekt prosvělluje světelným zdrojem se stejnými parametiy a ve stejných místech a pod stejnými úhly jako při simulovaném měření, zaznamenávají se místa a úhly skutečného výstupu jednotlivých svazků paprsků, čemuž odpovídá geometrie skutečných výstupních svazků paprsků, určí se vzdálenost geometrie zjištěných skutečných a simulovaných výstupních svazků paprsků ve zvolené metrice, zvolí se optimalizační metoda optimalizující vzdálenost mezi skutečnými a simulovanými výstupními svazky paprsků za pomoci úprav hodnot parametrů simulovaného modelu daného objektu, přičemž se provádějí nove simulace průchodu jednotlivých svazků paprsků zc simulovaného světelného zdroje při těchto upravených hodnotách s cílem minimalizovat vzdálenost měřených a simulovaných výstupních svazků paprsků, kde výsledné parametry změřeného kamene jsou hodnoty optimalizovaných parametrů kamene po optimalizaci.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že po simulaci průchodu světla daným objektem se pro každý výstupní svazek paprsků zvlášť při reálném měření objektu vpustí vstupní svazek paprsků jen v tom směru a do toho místa na povrch objektu, které předpověděla simulace, aby vystoupil jen jeden výstupní svazek paprsků nebo několik málo snadno rozlišitelných svazků paprsků.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že při měření pouze polohy jedné nebo několika plošek daného objektu se při simulaci průchodu světla tímto objektem identifikují výstupní svazky paprsků, které se od těchto plošek odrážejí nebo se na nich lámou a pro měření a simulace se použijí pouze tyto výstupní paprsky.
4. 4. Zařízení k provádění způsobu podle nároku I a kteréhokoli z nároků 2 až 3, vyznačující se tím. že sestává z bloku (10) vložení údajů o tvaru a rozměrech proměřovaného objektu, jehož výstup je propojen s jedním vstupem bloku (30) simulace výstupních svazků paprsků modelu, jehož druhý vstup je propojen s blokem (20) vložení údajů o parametrech zdroje světla a jehož jeden výstup je propojen s jedním vstupem bloku (50) optimalizace, jehož druhý vstup je propojen s výstupem měřicího bloku (40) výstupních svazků paprsků proměřovaného objektu, jehož vstup jc spojen s druhým výstupem bloku (30) simulace výstupních svazků paprsků a kde výstup bloku optimalizace (50) je spojen s blokem (60) výstupu naměřených údajů.