CZ308438B6

CZ308438B6 - Triangulační snímač měření vzdálenosti

Info

Publication number: CZ308438B6
Application number: CZ2019-414A
Authority: CZ
Inventors: Jan Hošek
Original assignee: ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-08-19
Also published as: CZ2019414A3

Abstract

Triangulační snímač měření vzdálenosti obsahuje laserový zdroj s fokusační optikou (1) pro vytvoření osvětlovacího laserového svazku (4) směřujícího k měřenému povrchu (5), a snímač (3) polohy obrazu laserového spotu zobrazovaného optickou soustavou (2) s předmětovou rovinou (4´) zobrazovací optiky, skloněnou vůči zvolené optické ose zobrazení o úhel (ϕ), kde úhel mezi laserovým svazkem (4) a zobrazovacím svazkem (6) je 0 až 5°, přičemž v blízkosti průsečíku takto orientovaného osvětlovacího laserového svazku (4), odpovídající původnímu směru osvětlovacího laserového svazku, a předmětovou rovinou (4´) zobrazovací optiky je umístěn optický prvek (7), který je spojen s tělem snímače pomocí dílu (8), pro změnu směru šíření osvětlovacího laserového svazku (4), do osy původního osvětlovacího svazku totožného s předmětovou rovinou (4´) zobrazovací optiky.

Description

Triangulační snímač měření vzdálenosti

Oblast techniky

Vynález se týká modifikace koncepce triangulačního snímače měření vzdálenosti tak, že umožňuje zmenšit vnější rozměry snímače při zachování jeho funkce a rozlišení.

Dosavadní stav techniky

Triangulační metoda pro měření vzdálenosti je známým principem založeném na jednoduché koncepci měření posunutí obrazu laserového spotu - bodové nebo lineární stopy na měřeném povrchu prostřednictvím optické soustavy, jejíž osa zobrazení svírá s osou osvětlovacího svazku úhel cp. Na hodnotě úhlu cp mezi osvětlovacím a zobrazovacím svazkem závisí rozlišovací schopnost snímače, a proto je tento úhel poměrně značný, typicky desítky stupňů. Výsledkem jsou poměrně velké rozměry snímače, kdy zdroj laserového svazku a zobrazovací optická soustava musí být od sebe poměrně daleko právě vlivem velikosti úhlu cp. Typické uspořádání snímače schopného měřit rozsah vzdáleností v intervalu d, počínaje vzdáleností L, je znárodněno na obr. 1.

Laserový zdroj s fokusační optikou vytváří osvětlovací laserový svazek směřující k měřenému povrchu. Vzdálenost povrchu d od vzdálenosti L je měřena pomocí snímače polohy laserového spotu, kdy obraz laserového spotu na měřeném povrchu je na senzor polohy zobrazen optickou soustavou korigovanou pro zobrazení z předmětové roviny nakloněné vůči ose zobrazovacího svazku o úhel <p, do které se justuje osa laserového svazku.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny triangulačním snímačem měření vzdálenosti obsahujícím laserový zdroj s fokusační optikou pro vytvoření osvětlovacího laserového svazku směřujícího k měřenému povrchu a snímač polohy obrazu laserového spotu zobrazovaného optickou soustavou s předmětovou rovinou zobrazovací optiky skloněnou vůči zvolené optické ose zobrazení o úhel, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že úhel mezi laserovým svazkem a zobrazovacím svazkem je 0 až 5°, přičemž v blízkosti průsečíku takto orientovaného osvětlovacího laserového svazku, odpovídající původnímu směru osvětlovacího laserového svazku, a předmětovou rovinou zobrazovací optiky je umístěn optický prvek, který je spojen s tělem snímače pomocí dílu pro změnu směru šíření osvětlovacího laserového svazku do osy původního osvětlovacího svazku totožného s předmětovou rovinou zobrazovací optiky.

Uvedené nedostatky související s velikostí rozměru snímače, v důsledku velké hodnoty úhlu cp, jsou do značné míry odstraněny modifikací triangulačního snímače měření vzdálenosti. Podstata vynálezu spočívá ve změně směru laserového svazku tak, aby úhel mezi laserovým svazkem a zobrazovacím svazkem byl menší než úhel cp, ideálně nulový. Tím, že osvětlovací a zobrazovací svazek, jsou téměř rovnoběžné, je možné dosáhnout minimální vzdálenosti mezi osvětlovacím laserovým svazkem a zobrazovacími svazky a minimalizovat příčné rozměry snímače oproti klasickému řešení. Aby snímač mohl fimgovat a přitom vykazovat stejnou rozlišovací schopnost, jako by osvětlovací laserový svazek byl skloněn pod úhlem φ, je v blízkosti průsečíku takto orientovaného osvětlovacího laserového svazku a předmětové roviny zobrazovací optiky, odpovídající původnímu směru osvětlovacího laserového svazku, umístěn optický prvek, který mění směr šíření osvětlovacího laserového svazku do předmětové roviny zobrazovací optiky, skloněné pod úhlem φ. Laserový spot na měřeném povrchu tak vykazuje stejné charakteristiky jako v klasické konstrukci snímače, ale toto řešení nabízí při stejném rozlišení výrazně menší rozměry snímače a možnost provádět měření i v úzkých a jinak neměřitelných štěrbinách.

-1 CZ 308438 B6

Optický prvek může být realizován jako samostatné zrcadlo, jako optický hranol s vnitřním odrazem a/nebo lomem paprsků nebo jako difraktivní struktura, které jsou spojeny s tělem snímače pomocí dílu. Uvedená změna směru chodu osvětlovacího svazku na průsečíku může být realizována také na konci světlovodu, který vychází z těla snímače, jako difraktivní struktura nebo s využitím Snellova zákona lomu.

Objasnění výkresů

Vynález bude podrobněji popsán na příkladech konkrétního provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno stávající obvyklé uspořádání triangulačního snímače. Na obr. 2 je znázorněno řešení, kdy je optický prvek realizován jako samostatné zrcadlo. Na obr. 3 je znázorněno užití optického hranolu s vnitřním odrazem a/nebo lomem paprsků a na obr. 4 je znázorněn světlovod využívající ke změně směru osvětlovacího svazku a jeho fokusaci Snellova zákona lomu a/nebo difraktivní strukturu na konci světlovodu, který je spojen s tělem snímače.

Příklady uskutečnění vynálezu

Podstata vynálezu spočívá ve změně směru laserového svazku 4 tak, aby úhel mezi laserovým svazkem 4 a zobrazovacím svazkem 6 byl menší než úhel <j>, ideálně nulový. Tím, že osvětlovací laserový svazek 4 a zobrazovací svazek 6, jsou téměř rovnoběžné, je možné dosáhnout minimální vzdálenosti mezi osvětlovacím laserovým svazkem 4 a zobrazovacími svazky 6 a minimalizovat příčné rozměry snímače oproti klasickému řešení. Aby snímač mohl fungovat a přitom vykazovat stejnou rozlišovací schopnost, jako by osvětlovací laserový svazek 4 byl skloněn pod úhlem <2, je v blízkosti průsečíku takto orientovaného osvětlovacího laserového svazku 4 a předmětové roviny 4' zobrazovací optiky, odpovídající původnímu směru osvětlovacího laserového svazku 4, umístěn optický prvek 7, který mění směr šíření osvětlovacího laserového svazku 4 do osy původního osvětlovacího svazku totožného s předmětovou rovinou 4' zobrazovací optiky, jak je uvedeno na obr. 4. Laserový spot na měřeném povrchu 5 tak vykazuje stejné charakteristiky jako v klasické konstrukci snímače a toto řešení nabízí při stejném rozlišení výrazně menší rozměry snímače a možnost provádět měření i v úzkých a jinak neměřitelných štěrbinách.

Optický prvek 7 může být realizován jako samostatné zrcadlo, obr. 2, jako optický hranol s vnitřním odrazem a/nebo lomem paprsků, obr. 3, nebo jako difraktivní struktura, které jsou spojeny s tělem snímače pomocí dílu 8. Uvedená změna směru chodu osvětlovacího laserového svazku 4 na průsečíku od osvětlovacího laserového svazku 4 a předmětové roviny 4' může být realizována také na konci světlovodu 9, který vychází z těla snímače, a mění směr chodu osvětlovacího laserového svazku 4 prostřednictvím difraktivní struktury nebo s využitím Snellova zákona lomu, jak je naznačeno na obr. 4.

Průmyslová využitelnost

Kompaktní řešení triangulačního snímače měření vzdálenosti podle tohoto vynálezu nalezne použití zejména v oblasti strojírenství pro měření vzdáleností.

Claims

1. Triangulační snímač měření vzdálenosti, obsahující laserový zdroj s fokusační optikou (1) pro vytvoření osvětlovacího laserového svazku (4) směřujícího k měřenému povrchu (5) a snímač (3) polohy obrazu laserového spotu zobrazovaného optickou soustavou (2) s předmětovou rovinou (4') zobrazovací optiky skloněnou vůči zvolené optické ose zobrazení o úhel (cp), vyznačující se tím, že úhel mezi laserovým svazkem (4) a zobrazovacím svazkem (6) je 0 až 5°, přičemž v blízkosti průsečíku takto orientovaného osvětlovacího laserového svazku (4), odpovídající původnímu směru osvětlovacího laserového svazku, apředmětovou rovinou (4') zobrazovací optiky je umístěn optický prvek (7), který je spojen s tělem snímače pomocí dílu (8) pro změnu směru šíření osvětlovacího laserového svazku (4) do osy původního osvětlovacího svazku totožného s předmětovou rovinou (4') zobrazovací optiky.

2. Triangulační snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prvek (7) je v podobě samostatného zrcadla.

3. Triangulační snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prvek (7) je v podobě optického hranolu s vnitřním odrazem a/nebo lomem paprsků.

4. Triangulační snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prvek (7) je v podobě difraktivní struktury, která je spojena s tělem snímače pomocí dílu (8).

5. Triangulační snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že optický prvek (7) pro změnu směru chodu osvětlovacího paprsku je umístěn na konci světlovodu (9), který vychází z těla snímače.