ES2700469T3 - Sensor óptico de triangulación - Google Patents

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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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Abstract

Un sensor óptico de triangulación que comprende: una fuente de luz (2), y un detector (3) caracterizado por que: la fuente de luz (2) está dispuesta para emitir una pluralidad de haces de luz planos discretos (20) que se disponen espacialmente separados entre sí a lo largo de un plano común en el campo de visión del sensor, de modo que cuando los haces de luz planos discretos se proyectan sobre una superficie de medida localizada en el campo de visión del sensor, se forma una pluralidad de líneas correspondientes a los haces de luz planos discretos sobre la superficie de medida; y el detector (3) está situado fuera del plano común para la detección de la luz desde los haces de luz planos discretos que se refleja en un ángulo respecto al plano común.

Description

DESCRIPCIÓN
Sensor óptico de triangulación
Campo de la invención
La presente invención se refiere a aparatos de medida que usan principios de triangulación para medir la geometría física de artículos y/o su posición relativa entre sí. Por ejemplo, la invención puede usarse con un sensor de triangulación láser.
Antecedentes de la invención
Son conocidos los sistemas ópticos de medida que usan un sensor de triangulación láser para obtener información dimensional acerca de objetos. Por ejemplo, dichos sistemas pueden disponerse para determinar la distancia de los objetos desde el sensor o el perfil de los objetos dentro del campo de visión del sensor.
Con referencia a la figura 1, un dispositivo de medida por triangulación láser convencional 1 comprende una fuente de luz 2, por ejemplo láser que se dispone para proyectar un haz plano 4 (por ejemplo laminar) de luz. El haz plano 4 incide como una línea 8 sobre un objeto u objetos 5, 6 que se disponen en el campo de visión 7 del dispositivo 1. La luz reflejada desde la línea incidente 8 es recogida por un dispositivo de captación de imagen 3, que puede ser una cámara (por ejemplo que tenga un dispositivo de acoplamiento de cargas (CCD) o un dispositivo sensor de píxel activo (CMOS)).
Las imágenes capturadas por el dispositivo de captación de imagen 3 se procesan para determinar una representación de los datos de la geometría física de los objetos 5, 6. El procesamiento
Puede tener implicados una referencia a una tabla de búsqueda calibrada o similar. Dicho procesamiento es conocido.
La figura 2 representa dos dimensiones que pueden determinarse usando la representación de los datos. Puede determinarse la separación (hueco G) o desalineación plana (desajuste o enrase F) entre superficies adyacentes, por ejemplo mediante la realización de las operaciones matemáticas adecuadas (por ejemplo, ajuste de línea/radio).
Un ejemplo de un sensor óptico de triangulación convencional es el GapGun, fabricado por Third Dimension Software Limited.
El documento US 6.700.669 divulga un método de captación de imagen tridimensional en el que se ilumina un objeto con un patrón de luz formado a partir de dos o más subpatrones de luz en interferencia. El patrón de luz puede tener una intensidad de luz gradualmente cambiante.
El documento EP 1640561 divulga un aparato para medir la dimensión interna de un orificio de perforación usando una herramienta de calibrado óptico adaptada para situarse dentro del orificio de perforación.
El documento US 5.416.590 divulga un aparato portátil para medir el hueco y desalineación de dos superficies adyacentes. Se disponen dos fuentes de luz para emitir haces planos convergentes a partir de una carcasa sobre una superficie a ser medida. Una cámara dentro de la carcasa captura la imagen resultante, que puede procesarse para calcular la cantidad de hueco y desalineación.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a la ayuda en la localización del haz de luz plano de un sensor óptico de triangulación para facilitar la interpretación de la imagen capturada tal como se divulga en las reivindicaciones.
Emisor de haz múltiple
La medida de ciertas superficies u objetos puede ser difícil debido a la disposición o complejidad de los objetos que se están midiendo. En particular, puede ser difícil hallar puntos de referencia en la representación de datos sobre la cual basar los cálculos. La figura 3 ilustra un ejemplo, en el que es deseable medir un hueco y estado de enrasado entre dos paneles planos 10, 11 que están separados por una junta llena con un sellador 12. La figura 4 muestra una sección transversal a través de esta disposición, en la que puede verse que el relleno de sellador 12 puede formar una superficie plana entre los dos paneles 10, 11. Esta situación puede hacer difícil identificar la localización de los bordes de cada panel 10, 11 a partir de la imagen capturada por una cámara de un sensor óptico de triangulación (no mostrado). Normalmente, la imagen de la estructura mostrada en la figura 3 se representa como una línea continua de datos con poca o ninguna forma para determinar el borde finito de cualquiera o de ambos paneles.
La figura 5 representa la sección transversal de otra situación en la que es difícil evaluar una característica particular. En este caso la medida se realiza sobre un área en la que existen diversas características en estrecha proximidad entre sí. En este caso puede ser difícil identificar el punto de medida específico a partir de la imagen cuando los datos contienen diversas situaciones de medida posibles. Este problema puede ser típico de la medida de características en los paneles de la carrocería interior del automóvil. Por ejemplo, si en la figura 5 se realiza el intento de medida del hueco y/o enrasado de una unión 17 entre las características 14 y 15, puede ser difícil distinguir la unión 17 a partir de las uniones 17a, 17b cercanas sobre la representación de los datos obtenidos a partir de la imagen capturada.
La invención, tal como se divulga en las reivindicaciones, proporciona un sensor óptico de triangulación en el que el haz de luz plano emitido se configura para una situación de medida predeterminada. Por ejemplo, la luz plana puede responder a un patrón, es decir incluir una o más discontinuidades que aparecen como uno o más huecos en una línea proyectada por el haz sobre la superficie, o puede tener un ancho controlado, por ejemplo proyectar una línea de longitud predeterminada sobre una superficie de medida adecuadamente distante. En donde la luz plana responde a un patrón, el patrón puede ser una serie de zonas visualmente distinguibles en la luz plana, por ejemplo zonas de diferente intensidad (atenuadas o brillantes), zonas de diferente color (conseguido mediante el paso de la luz a través de filtros o similar) o teniendo un hueco o huecos en el haz de luz plano. El patrón de la luz plana puede situarse por un usuario con respecto a las características a ser medidas para ayudar a la medida, por ejemplo proporcionando un punto de referencia en la imagen capturada (por ejemplo una zona en blanco desde la que se recibe poca o ninguna luz reflejada).
La invención de acuerdo con las reivindicaciones puede expresarse como un sensor óptico de triangulación que comprende: una fuente de luz dispuesta para emitir una pluralidad de haces de luz planos discretos que se disponen espacialmente separados entre sí a lo largo de un plano común; y un detector localizado fuera del plano común para detectar la luz desde los haces de luz plana que se reflejan en un ángulo con el plano común. Cuando la pluralidad de haces de luz se proyectan sobre una superficie de medida, forman una línea discontinua, es decir una pluralidad de líneas (correspondientes a los haces de luz plana) separadas por uno o más espacios.
Una realización de la invención puede expresarse como un sensor óptico de triangulación que comprende: una fuente de luz dispuesta para emitir un haz de luz plano; un detector localizado fuera del plano del haz de luz para detectar la luz desde el haz de luz plano que se refleja en un ángulo respecto al plano; y una máscara para restringir una o más partes del haz de luz plano emitido para producir un haz de luz plano de salida que tiene una configuración predeterminada. En este caso restringir la luz significa alterarla de alguna forma para hacer las diferentes zonas distinguibles entre sí, por ejemplo visualmente distinguibles por un usuario. De ese modo, la restricción puede incluir filtrado, por ejemplo para cambiar el color o intensidad de una parte de la luz plana, o el bloqueo, por ejemplo para impedir que se transmita una parte.
Al restringir la línea de luz que se proyecta desde el dispositivo de medida para formar un patrón predeterminado puede ser posible medir características que serían imposibles o difíciles de medir consistentemente en otra forma. La limitación de la fuente de iluminación plana puede permitir que características no deseadas dentro de la vista de medición se omitan de la medida, y puede proporcionar un punto de referencia en la imagen para permitir una identificación consistente de características sobre la superficie de medida.
La fuente de luz puede incluir un generador del haz, por ejemplo de tipo convencional para generar un haz de luz plano (por ejemplo, un haz plano único) y una máscara que se dispone en el plano del haz de luz plano único, disponiéndose la máscara para generar la pluralidad de haces de luz planos a partir del haz de luz plano único. Por ejemplo, el haz de luz plano único puede disponerse sobre el plano común y la máscara puede incluir una o más partes opacas o parcialmente opacas (traslúcidas) localizables en el plano común (por ejemplo entre el generador del haz y una superficie de medida). Cada parte opaca puede disponerse para bloquear parte del haz de luz plano simple. La pluralidad de haces planos puede generarse por lo tanto mediante la división o bloqueo selectivo de partes de un haz plano único.
La máscara puede disponerse para bloquear la invención del haz plano para formar un patrón predeterminado de haces de luz planos discretos. El patrón puede seleccionarse para adaptarse a una configuración particular (conocida o supuesta) de un objeto (por ejemplo superficie) a ser medido. Por ejemplo, los haces planos discretos pueden seleccionarse de modo que el hueco o huecos entre ellos a una cierta distancia del sensor puedan corresponder al tamaño esperado (por ejemplo supuesto) de una característica superficial o a la separación esperada de componentes que es deseable ignorar en la medición.
En una realización, la máscara puede comprender un cuerpo traslúcido por ejemplo que incluye un filtro coloreado o similar para conferir un patrón predeterminado a la luz plana. Como se ha mencionado anteriormente, el patrón predeterminado puede incluir zonas que sean visualmente distinguibles entre sí para permitir a un usuario localizar el patrón con relación a una superficie de medida por ejemplo relativa a las características de esa superficie.
La máscara puede ser ajustable para variar la configuración (por ejemplo patrón) del haz de luz plano. El número de haces de luz planos discretos puede ser variable. Por ello, el haz de luz puede enmascararse para cada medida, es decir cada medida puede tener una máscara personalizada para su situación particular.
La máscara puede ser una placa generalmente opaca situada para bloquear el haz de luz plano, teniendo la placa opaca una pluralidad de partes de ventanas transmisoras de luz a través de las que se puede localizar el plano común para transmitir partes separadas del haz de luz plano único. La placa opaca puede ser móvil con relación al plano común para localizar diferentes combinaciones de partes de ventanas sobre el plano común, para de ese modo permitir que se altere el número o configuración de haces de luz planos discretos.
El sensor puede incluir un detector para detectar la configuración del haz de luz plano. Por ejemplo, el detector puede disponerse para detectar la posición de la máscara o de otro elemento móvil cuya posición es indicativa de la posición de la máscara. En una realización, la máscara puede ser móvil mediante el giro de una cubierta de sensor. La posición de la máscara puede detectarse mediante la detección de la posición angular de la cubierta, por ejemplo usando un sensor angular o teniendo sensores binarios adecuadamente colocados que pueden detectar la alineación de la cubierta o la máscara. Por ejemplo, si la máscara tiene tres configuraciones, correspondientes por ejemplo a tres posiciones angulares de la cubierta, pueden requerirse al menos dos sensores binarios para determinar cuál de las posiciones angulares ocupa la cubierta.
En una realización, la máscara puede implementarse usando un visualizador de cristal líquido (LCD) localizado en la trayectoria del haz de luz plano. Tensiones adecuadas aplicadas a través del LCD pueden permitir que ciertas zonas sean opacas o parcialmente opacas restringiendo partes del haz de luz plano. Las tensiones pueden ser ajustables para permitir diferentes configuraciones de zonas opacas/parcialmente opacas a ser usadas.
La fuente de luz puede incluir un láser. Puede ser adecuado cualquier láser usado en un sensor óptico de triangulación convencional. El láser puede ser de clase 3 o inferior. Por ejemplo, puede ser de una clase 2M o 3R. La intensidad del láser puede ser ajustable (por ejemplo automáticamente ajustable) para diferentes propiedades ópticas de las superficies a ser medidas.
El detector puede ser cualquier dispositivo de captación de imagen adecuado, por ejemplo una cámara que incorpore un dispositivo de acoplamiento de cargas (CCD) o un sensor de píxel activo (por ejemplo dispositivo CMOS).
Guía del haz para medida de orificios
Es frecuentemente deseable medir con precisión el diámetro (o radio) o perfil del borde de un orificio formado en una superficie de medida. Por ejemplo, puede ser particularmente útil para medir el perfil del borde de un taladro avellanado (es decir un orificio cuya abertura está ahusada para recibir una cabeza de tornillo cónica o similar). Para realizar medidas de este tipo usando un sensor óptico de triangulación es necesario que el eje de medida (es decir la línea formada sobre la superficie de medida cuando se proyecta el haz de luz plano sobre la misma) se disponga a través del centro del orificio (es decir sobre un diámetro). Para medidas precisas, el eje del orificio se dispone preferentemente en el plano del haz de luz.
En la práctica esto se realiza frecuentemente a ojo, es decir confiando en el juicio de un usuario. Esto limita la precisión y repetitividad de las medidas.
En su modo más general, un ejemplo proporciona un sensor óptico de triangulación que tiene un elemento de guía para centrar el haz de luz plano a través de un orificio. El elemento de guía proporciona un cuerpo que puede recibirse en el orificio que puede permitir la alineación consistente y repetible, mientras puede aún evitar el problema de obstaculizar el haz de luz plano incidente sobre los bordes del orificio y reflejado desde el mismo.
Por ello, de acuerdo con el ejemplo, puede proporcionarse un sensor óptico de triangulación que comprende: una fuente de luz dispuesta para emitir un haz de luz plano; un detector localizado fuera del plano del haz de luz para detectar la luz desde el haz de luz plano que se refleja en un ángulo respecto al plano; y un elemento de guía fijado a la fuente de luz para posicionar el haz de luz plano con relación a un orificio para hacer que el plano del haz de luz pase a través de un diámetro del orificio, en el que el elemento de guía incluye un cuerpo que puede recibirse en el orificio, teniendo el cuerpo superficies de contacto para hacer tope con la circunferencia del orificio, disponiéndose las superficies de contacto sobre una superficie cónica virtual cuyo eje está en el plano del haz de luz, y en el que hay un vacío en el cuerpo en cada intersección entre la superficie cónica virtual y el plano del haz de luz. Cada vacío puede definir por lo tanto una trayectoria para el haz de luz plano desde la fuente de luz al borde del orificio. Pueden proporcionarse los mismos o diferentes vacíos que definen una trayectoria de retorno para la luz reflejada entre el borde del orificio y el detector.
El elemento de guía puede permitir la colocación del sensor con relación al orificio de modo que el haz de luz plano se disponga a través del centro del orificio mientras no se bloquea para alcanzar el borde del orificio ni para alcanzar el detector después de la reflexión desde el borde del orificio.
El elemento de guía puede permitir una alineación consistente y repetible del plano del haz de luz con respecto al orificio. La posición del eje de medida (es decir, la línea formada sobre la superficie de medida cuando se proyecta el haz de luz plano sobre la misma) con relación al orificio puede ser conocida con más precisión, lo que puede facilitar la medida precisa de radio/diámetro del orificio y su perfil del borde. Esto puede reducir la incertidumbre y error asociados con las medidas realizadas confiando en el juicio del usuario.
El cuerpo puede incluir superficies de contacto en ambos lados del plano del haz de luz. Esto puede incrementar la estabilidad del elemento de guía cuando se apoya sobre los bordes del orificio.
El cuerpo puede comprender tres o más aletas que se extienden separadas desde una unión común, teniendo cada aleta un borde distal que se dispone sobre la superficie cónica virtual. Los bordes distales proporcionan de ese modo la superficie de contacto. Las aletas pueden ser alargadas, por lo que los bordes distales se separan en pendiente desde la fuente de luz. El cuerpo puede recibirse por lo tanto en orificios de diferentes diámetros.
La unión común puede desplazarse respecto al plano del haz de luz. Esto puede reducir la cantidad de interferencias del cuerpo con el haz de luz plano. La unión común puede estar en el lado opuesto del plano del haz de luz respecto al detector de modo que no interfiera con la luz reflejada desde los bordes del orificio hacia el detector.
Las aletas pueden separarse a intervalos angulares iguales. En una realización hay tres aletas. Esta puede ser una configuración particularmente estable.
El cuerpo puede estar ahusado hasta un punto correspondiente al vértice de la superficie cónica virtual. La alineación del punto del cuerpo con el centro del orificio puede ser una forma de asegurar que el eje del orificio se dispone en el plano del haz de luz.
Otras formas de alinear el plano del haz de luz con el eje del orificio (es decir el eje del orificio se dispone en el plano del haz de luz) pueden incluir proporcionar una o más marcas, por ejemplo líneas u otras demarcaciones regulares, en posiciones correspondientes sobre cada aleta. Un usuario podría asegurar entonces que cada aleta se inserta sobre la misma marca. Alternativamente, el sensor puede incluir una plataforma de soporte para reposar sobre la superficie de medida adyacente al orificio para asegurar la alineación apropiada de un cuerpo con el orificio. La plataforma de soporte puede tener dos pies de contacto separados para proporcionar una estructura de trípode estable cuando se usa en conjunto con el elemento de guía. Otra alternativa es proporcionar un marcador óptico adicional, por ejemplo un punto de luz, que pueda proyectarse sobre la superficie de medida a una distancia conocida desde el plano del haz de luz. La distancia entre el marcador óptico y el haz de luz plano puede determinarse a partir de una imagen capturada por el detector. El sensor puede indicar por lo tanto cuándo el haz de luz plano está alineado con el eje del orificio.
Cada vacío puede definir una zona que se extiende circunferencialmente alrededor de la superficie cónica virtual y radialmente hacia el interior hacia el eje de la superficie cónica virtual. La extensión circunferencial puede ser sobre el mismo lado del plano del haz de luz que el detector para proporcionar una trayectoria para la luz reflejada desde la intersección de la superficie cónica virtual y el plano del haz de luz hacia el detector. Pueden proporcionarse vacíos separados para una trayectoria de luz incidente (correspondiente al plano del haz de luz) y una trayectoria de luz reflejada.
Puede ser deseable minimizar la cantidad de material del cuerpo presente dentro del volumen definido por la superficie cónica virtual dado que el material puede obstruir la luz plana en su camino a la superficie de medida o a la luz de retorno desde la superficie, recibida por el detector. Por ello, cada vacío puede extenderse sustancialmente hasta el eje del área cónica virtual. Las aletas pueden por ello ser placas planas delgadas de material.
La fuente de luz puede incluir un láser. Puede ser adecuado cualquier láser usado en un sensor óptico de triangulación convencional. El láser puede ser de clase 3 o inferior. Por ejemplo, puede ser de una clase 2M o 3R. La intensidad del láser puede ser ajustable (por ejemplo automáticamente ajustable) para diferentes propiedades ópticas de las superficies a ser medidas.
El detector puede ser cualquier dispositivo de captación de imagen adecuado, por ejemplo una cámara que incorpore un dispositivo de acoplamiento de cargas (CCD) o un sensor de píxel activo (por ejemplo dispositivo CMOS).
El ejemplo puede expresarse alternativamente como un elemento de guía para posicionamiento de un haz de luz plano desde un sensor óptico de triangulación con relación a un orificio para hacer que el plano del haz de luz pase a través de un diámetro del orificio, incluyendo el elemento de guía un cuerpo que puede recibirse en el orificio, teniendo el cuerpo: superficies de contacto para apoyar sobre la circunferencia del orificio, disponiéndose las superficies de contacto sobre una superficie cónica virtual cuyo eje puede alinearse con el eje del orificio, y un vacío en cada intersección entre la superficie cónica virtual y el plano del haz de luz. Como se ha explicado anteriormente, el vacío puede definir una trayectoria incidente para el haz de luz plano en su camino a la superficie de medida (borde del orificio) y una trayectoria reflejada para la luz reflejada entre en la superficie de medida y el detector.
Guía del haz para sub-características superficiales
Puede ser deseable medir el ajuste (protuberancia/rebaje/ángulo) de una sub-característica montada en o dentro de una superficie de una estructura. Se encuentran comúnmente ejemplos en la industria aeroespacial, por ejemplo fijaciones que incluyen remaches, tornillos o pernos y similares. Para medir con precisión y consistentemente es necesario localizar las sub-característica con precisión en la imagen capturada por el detector. Sin embargo, la naturaleza de ciertas sub-características (los fijadores mencionados anteriormente en particular) es que existen en una situación muy cercana al enrase, especialmente sus bordes. En otras palabras, puede haber un saliente mínimo fuera de, o un rebaje dentro de, la superficie. Puede ser difícil por lo tanto determinar el borde de una sub-característica en una imagen capturada mediante un sensor óptico de triangulación.
Más aún, si la sub-característica contiene irregularidades superficiales, tales como resaltes, grabados o similares, puede ser difícil distinguir el borde de la sub-característica respecto a dichas irregularidades.
En algunas circunstancias, puede ser deseable medir la alineación (ángulo relativo) de la sub-característica con relación a la superficie de medida. Para conseguir esto es también deseable identificar los bordes de la sub­ característica. Los sistemas convencionales sufren debido a que los bordes de la sub-característica no pueden identificarse con precisión de una manera consistente.
En su modo más general, un ejemplo proporciona un sensor óptico de triangulación que tiene una parte de contacto superficial que puede ayudar al posicionamiento visual de la fuente de luz (y por ello del haz de luz plano) con respecto a una sub-característica y proporcionar un marcador sobre una imagen capturada para facilitar la identificación precisa de la sub-característica.
Un usuario puede ser capaz de emparejar visualmente parte del sensor con la sub-características a ser medida. Puede conseguirse por lo tanto una posición de montaje consistente del sensor con relación a la sub-característica, que puede usarse en la interpretación de la imagen capturada. En particular, la parte de contacto superficial puede por sí misma ser parte de la imagen capturada para proporcionar un punto de referencia a partir del que puede identificarse la sub-característica. Puede automatizarse la identificación de la sub-característica usando el punto de referencia. Esto puede promover adicionalmente consistencia y repetitividad.
La sub-característica puede ser cualquier aspecto auto-contenido de la superficie de medida, por ejemplo un objeto montado en o sobre la superficie o un contorno o perfil de la superficie en sí. La sub-característica puede ser un fijador, por ejemplo la cabeza de un remache, tornillo, perno o similar.
Así, de acuerdo con el ejemplo, puede proporcionarse un sensor óptico de triangulación para medir las propiedades de una sub-características sobre la superficie de medida, comprendiendo el sensor: una fuente de luz dispuesta para emitir un haz de luz plano; un detector localizado fuera del plano del haz de luz para detectar la luz desde el haz de luz plano que se refleja en un ángulo respecto a ese plano; y un localizador de sub-característica que comprende un elemento de alineación en proyección desde la fuente de luz para contactar con la superficie de medida adyacente a la sub-característica, en el que el elemento de alineación se dispone en el plano del haz de luz para proporcionar un marcador en la luz detectada que sea utilizable para localizar la sub-característica adyacente.
El localizador de la sub-característica puede permitir una alineación consistente y repetible del plano del haz de luz con respecto a la sub-característica. La posición del eje de medida (es decir la línea formada sobre la superficie de medida cuando se proyecta el haz de luz plano sobre la misma) con relación a la sub-característica puede ser conocida más precisamente, lo que puede facilitar la medida precisa del perfil (por ejemplo protuberancias, rebajes, ángulos y similares) de la sub-característica. Esto puede reducir el error e incertidumbre asociados con medidas realizadas fiándose en el juicio del usuario. Por ejemplo, el localizador de sub-características puede disponerse para dirigir el plano del haz de luz a través del centro de la sub-característica cuando se alinea apropiadamente con la misma.
El elemento de alineación puede tener una forma predeterminada que pueda alinearse con la forma de la sub­ característica. Por ejemplo, el elemento de alineación puede tener un borde que se adapte en su forma al borde de la sub-característica. El localizador de la sub-característica puede personalizarse para un tamaño o forma particulares de la sub-característica. El localizador de la sub-característica puede ser extraíble de la fuente de luz, por ejemplo, para permitir que se usen diferentes formas de localizador con el mismo sensor.
El elemento de alineación puede incluir dos partes de marcador que se disponen en el plano del haz de luz, separándose las partes del marcador para asentarse sobre ambos lados de la sub-característica. Durante el uso, la sub-característica puede localizarse visualmente por el usuario entre las partes del marcador, lo que también proporciona puntos de referencia sobre la imagen capturada que pueden usarse para identificar la sub-característica. Pueden usarse también propiedades conocidas, por ejemplo dimensiones de la sub-característica, en la determinación de su localización con relación a las partes del marcador. Esto puede ser relevante en donde la sub-característica es un componente estándar (por ejemplo remache) que tiene un tamaño conocido.
El elemento de alineación puede ser un marco que define una abertura de transmisión de luz cuya forma se adapta a la forma de la sub-característica. La apertura puede ajustarse por lo tanto sobre la sub-característica. Esto puede facilitar la localización y orientación precisa del sensor (es decir, haz de luz plano y detector) con relación a la sub­ característica.
La abertura puede ser redondeada, por ejemplo sustancialmente circular, para su ajuste alrededor de una cabeza de un fijador. En el caso de medir fijadores, la cabeza que mira hacia el exterior del fijador tiene frecuentemente una serie de depresiones estampadas o formadas en otra forma sobre su superficie. Estas depresiones deberían ignorarse cuando se mide la protuberancia/rebaje/ángulo global ajustados en el fijador. El (los) marcador(es) de la invención puede(n) permitir que los bordes del fijador se distingan de una manera automatizada respecto a depresiones. Esto permite un análisis consistente del estado (protuberancia/rebaje) en los bordes del fijador y puede permitir también un cálculo más preciso y repetible del ángulo de la cabeza del fijador con relación a la superficie de medida.
La fuente de luz puede incluir un láser. Puede ser adecuado cualquier láser usado en un sensor óptico de triangulación convencional. El láser puede ser de clase 3 o inferior. Por ejemplo, puede ser de una clase 2M o 3R. La intensidad del láser puede ser ajustable (por ejemplo automáticamente ajustable) para diferentes propiedades ópticas de las superficies a ser medidas.
El detector puede ser cualquier dispositivo de captación de imagen adecuado, por ejemplo una cámara que incorpore un dispositivo de acoplamiento de cargas (CCD) o un sensor de píxel activo (por ejemplo dispositivo CMOS).
Pueden combinarse cualquiera de las características de los tres aspectos anteriores.
Breve descripción de los dibujos
La invención y ejemplo se describen a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es un diagrama esquemático de un sensor de triangulación láser convencional y se ha explicado anteriormente;
La figura 2 es una vista en sección transversal de una unión entre dos componentes ilustrando un hueco y estado de enrase y también se ha explicado anteriormente;
La figura 3 es una vista en planta de una unión entre dos componentes en los que el hueco se llena con un sellador y también se ha explicado anteriormente;
La figura 4 es una vista en sección transversal a través de la unión mostrada en la figura 3 y también se ha explicado anteriormente;
La figura 5 es una vista en sección transversal a través de una unión multi-componente y también se ha explicado anteriormente;
La figura 6 es una vista en planta de una máscara para un sensor óptico de triangulación que es una realización de la invención;
La figura 7 es una vista esquemática de un sensor óptico de triangulación que es una realización de la invención; Las figuras 8A-8F son vistas frontal y posterior de diversas configuraciones de una máscara móvil para un sensor óptico de triangulación que es otra realización de la invención;
La figura 9 es una vista en perspectiva de un elemento de guía que es un ejemplo.
La figura 10 es una vista en sección transversal a través del elemento de guía mostrado en la figura 9 cuando se monta en un orificio;
La figura 11 es una vista esquemática de una representación de datos obtenible a partir de un sensor óptico de triangulación montado sobre el elemento de guía en la posición mostrada en la figura 10;
La figura 12 es una vista en perspectiva de un localizador de sub-características que se fija a un sensor óptico de triangulación que es un ejemplo; y
La figura 13 es una vista esquemática de una representación de datos obtenible a partir del sensor óptico de triangulación cuando se monta en la posición mostrada en la figura 12.
Descripción detallada; opciones adicionales y preferencias
Cada una de las realizaciones explicadas a continuación puede aplicarse como una mejora para un sensor óptico de triangulación convencional, por ejemplo el sensor GapGun fabricado por Third Dimension Software Limited, mencionado anteriormente.
Emisor de haz múltiple
Las figuras 6, 7 y 8A-8F se refieren al primer aspecto de la invención. En las realizaciones explicadas a continuación, se produce una pluralidad de haces de luz plana espacialmente separados, planos desde un sensor de triangulación láser convencional mediante la localización de una máscara en la salida de la fuente de luz para bloquear partes de un haz de luz plano generado.
La figura 6 muestra una máscara 19 que es adecuada para su uso en la invención. En esta realización, la máscara 19 se fabrica a partir de una placa de material opaco (por ejemplo plástico, metal, vidrio o similar) con una disposición de aberturas 18 mecanizadas a través de ella. Alternativamente, la placa puede ser clara, y formarse las aberturas mediante la impresión adecuada de material opaco sobre la misma. La máscara puede fabricarse de un material parcialmente opaco (traslúcido) que altera una propiedad, por ejemplo intensidad o color o luz transmitida a través del mismo. Las aberturas 18 son capaces de transmitir luz inalterada, por lo tanto, colocándolas en el plano del haz de luz plano generado por la fuente de luz permiten que la máscara 19 trasmita selectivamente partes del haz de luz plano. Partes correspondientes de la superficie de medida sobre las que incide el haz de luz plano no se iluminan por lo tanto, no enviando luz reflejada a un detector (cámara) dispuesto para capturar una imagen de la superficie de medida.
La máscara 19 en la figura 6 tiene cuatro filas de aberturas, teniendo cada fila una configuración de abertura diferente. Cada fila puede alinearse selectivamente con el haz de luz plano para producir diferentes patrones para la luz plana emitida. Las dos filas medias tienen aberturas simples que producen un haz de luz plano único de modo similar a los sensores de triangulación láser convencionales. La abertura sobre la tercera fila tiene un ancho más pequeño que la abertura sobre la segunda fila, de modo que el haz emitido cuando la tercera fila está alineada con el haz de luz plano tendrá un ancho en consecuencia más estrecho. Las filas superior e inferior tienen una pluralidad de aberturas (dos y cuatro respectivamente) para producir una pluralidad de haces de luz planos paralelos separados a partir del haz de luz plano producido desde la fuente de luz.
Por ello, cada abertura en las filas superior e inferior puede considerarse que está separada por una zona opaca que restringe (bloquea) el paso de luz a la superficie de medida. Esto puede impedir que características no deseadas de la superficie de medida sean iluminadas eliminándolas por ello de la superficie de medida. Más aún, el patrón proyectado por la pluralidad de haces de luz planos separados (es decir la línea discontinua) puede usarse para posicionar consistentemente el haz de luz plano.
La máscara 19 puede montarse en una carcasa (no mostrada) para ser móvil con relación a la fuente de luz para permitir que se usen diferentes filas de aberturas 18 para diferentes medidas. La configuración de aberturas puede personalizarse para producir patrones que sean adecuados para medidas particulares.
La figura 7 ilustra una realización de la invención en la que la máscara 19 mostrada en la figura 6 se monta en un sensor de triangulación láser convencional (por ejemplo del tipo explicado con referencia a la figura 1). La fila de aberturas superior 18 está alineada con el haz de luz plano 4 emitido por la fuente de luz láser 2 para producir dos sub-haces planos 20 espacialmente separados.
Esta disposición puede ser particularmente adecuada para medir el enrase (o desalineación) F entre dos paneles planos 10, 11 (véase la figura 2). Las superficies 10, 11 pueden identificarse fácilmente sobre la imagen capturada mediante la localización de la rotura entre los sub-haces 20 en la unión (por ejemplo relleno de sellador 12) entre ellas. La imagen capturada contendrá entonces solamente información acerca de las superficies 10, 11. Pueden evitarse los errores provocados por leer información equivocadamente desde el sellador 12.
Mediante la separación de la única línea proyectada en esta forma pueden identificarse los atributos de ambas superficies 10, 11 y su relación entre sí.
La estrecha abertura en la tercera fila de la máscara 19 pueden alinearse con el haz de luz plano desde la fuente de luz 2 para facilitar la medida de un estado de hueco y/o enrase de una unión específica que está en estrecha proximidad a otra unión que presenta propiedades similares (véase la figura 5). En este caso, la máscara 19 se usa para restringir el haz de luz plano, es decir reducir la longitud de la línea proyectada por el haz de luz plano sobre la superficie. El usuario puede dirigir la línea estrechada para omitir las uniones de características no deseadas de la medida.
Las figuras 8A-8F ilustran una realización práctica de una máscara móvil 19 montada en una carcasa 34 para un sensor de triangulación láser (no mostrado). La carcasa 34 es una cubierta redonda para montaje en la salida de un láser (no mostrado) que se dispone para emitir un haz de luz plano. La máscara 19 se monta en la carcasa 34 de modo que las aberturas 18 puedan alinearse con el plano del haz de luz.
La máscara 19 comprende tres filas de aberturas 18, y es móvil (arriba y abajo en las figuras 8A-8F) para alinear selectivamente cada fila con el plano del haz de luz. En esta realización, el mecanismo del movimiento comprende un pasador posicional 36 que puede recibirse en una ranura curvada 37. La rotación entre la ranura 37 y el pasador 36 permite que el pasador se localice en posiciones radiales diferentes dentro de la cubierta 34. Por ejemplo, la ranura puede tener una forma similar a espiral. En la realización, la ranura 37 se mecaniza dentro de la cubierta 34, que es giratoria con relación al haz de luz producido por el láser. La máscara 19 está restringida para no girar con la cubierta 34 pero se permite que se mueva en una dirección arriba-abajo. En consecuencia, el pasador posicional 36, que se fija a la máscara, se traslada en una línea recta arriba y/o abajo cuando se gira la cubierta.
En una realización alternativa, la máscara puede ser giratoria, y cada conjunto de aberturas puede disponerse para extenderse radialmente desde un eje de giro de la máscara. El haz de luz plano puede desplazarse desde el eje de giro de modo que las aberturas puedan girar selectivamente enfrente del haz de luz para restringir la luz proyectada.
La figura 8C muestra tres marcadores circunferenciales 38a, 38b, 38c sobre el borde interior de la cubierta 34. Cuando cada marca 38a, 38b, 38c está alineada con el pasador posicional 36 una correspondiente de las filas de aberturas está alineada con el haz de luz plano (no mostrado). Las figuras 8A, 8C y 8E muestran tres posiciones de alineación con una única abertura estrecha, una única abertura ancha y un par de aberturas alineadas con el haz de luz plano respectivamente.
El lado que mira hacia el exterior de la cubierta 34 se muestra en las figuras 8B, 8D y 8F. Se proporciona un marcador con forma de flecha 39 para indicar la posición de giro de la cubierta 34 y por ello qué fila de aberturas está alineada con el plano del haz de luz.
Guía del haz para medida de orificios
Las figuras 9 a 11 se refieren a un ejemplo.
La figura 9 muestra un elemento de guía 200 que puede fijarse a un sensor de triangulación láser (no mostrado). En la realización, la fijación se efectúa por un enchufe 201 que tiene dos barras de proyección separadas 202 que pueden recibirse en orificios correspondientes formados en el sensor. El elemento de guía 200 comprende un cuerpo 21 que se fija al enchufe 201 mediante un vástago 204. El cuerpo 21 está desplazado respecto al enchufe de modo que intercepte un haz de luz plano emitido por una fuente de luz en el sensor. El enchufe 201, vástago 204 y cuerpo 21 se disponen de modo que el cuerpo ocupe una orientación particular (predeterminada) con respecto al plano del haz de luz.
El cuerpo 21 comprende tres aletas 212, 214, 216 que se extienden separándose de una unión común 218. Las aletas 212, 214, 216 se localizan a intervalos angulares iguales alrededor de la junta común 218. Las aletas 212, 214, 216 están ahusadas de modo que sus bordes distales 222, 224, 226 (los bordes opuestos a la unión común 218) se disponen sobre una superficie cónica virtual. El cuerpo 21 tiene por lo tanto una forma en punta. El extremo en punta puede recibirse en un orificio mediante lo que los bordes distales 222, 224, 226 apuntan cada uno sobre el borde del orificio (por ejemplo para un orificio correspondiente al círculo 23, el contacto puede estar en los puntos a, b, c) para proporcionar un posicionamiento seguro del elemento de guía 200 (y el sensor por lo tanto) con relación al orificio.
Las aletas 212, 214, 216 se conforman de modo que la superficie cónica virtual tiene un eje 228 que se dispone en el plano del haz de luz emitido por la fuente de luz. El elemento de guía 200 puede localizar por lo tanto con seguridad el haz de luz plano a través de un diámetro de un orificio debido a que las aletas 212, 214, 216 se conforman para permitir la alineación del eje cónico virtual 228 con el eje del orificio.
Las aletas 212, 214, 216 se configuran además para evitar obstruir el haz de luz plano tanto en su camino al borde del orificio (trayectoria incidente) como sobre su camino de vuelta desde el orificio a un detector localizado fuera del plano del haz de luz (trayectoria reflejada). Para un montaje seguro, las superficies de contacto proporcionadas por los bordes distales 222, 224, 226 de las aletas 212, 214, 216 se prevén en ambos lados del plano del haz de luz. Sin embargo, para reducir la obstrucción, la unión común 218 se desplaza mediante la separación 24 (véase la figura 10) respecto al plano del haz de luz. En esta realización, la unión común 218 se localiza sobre el lado opuesto del plano del haz de luz desde la trayectoria de retorno. Por ello, solamente la aleta inferior 212 intersecta con las trayectorias incidente y reflejada.
Como se muestra en la figura 10, las aletas 212, 214, 216 definen efectivamente vacíos 232, 234 a través de los que pasan las trayectorias incidente y reflejada de una manera sustancialmente sin obstrucción. La figura 10 es una sección transversal a través del orificio 23 formado en una superficie objeto 22 en la que se ha colocado el cuerpo 21 del elemento de guía 200. En este caso puede verse que la línea 8 proyectada sobre la superficie 22 del haz de luz plano se dispone a través del diámetro del orificio 23.
El elemento de guía 200 permite un montaje estable y repetible en varios tamaños de orificio. Al posicionar el elemento de guía 200 de modo que el eje de la superficie cónica virtual esté en el plano del haz de luz, puede determinarse con precisión y repetitivamente la medida del diámetro de un orificio y el perfil de sus bordes.
La figura 11 ilustra un ejemplo de una representación de datos 250 que puede obtenerse usando el sensor descrito anteriormente. La representación de datos 250 contiene datos del borde 25, 26 correspondientes a cada lado del orificio y datos detallados del perfil 27 alrededor del borde del lado derecho. El elemento de guía 200 asegura la separación entre los datos del borde correspondientes a un diámetro del orificio, lo que puede facilitar cálculos posteriores.
Guía del haz para sub-características superficiales
Las figuras 12 y 13 se refieren a otro ejemplo.
La figura 12 muestra un elemento de guía 300 que puede fijarse a un sensor de triangulación láser (no mostrado). En el ejemplo, la fijación se efectúa mediante un enchufe 301 que tiene dos barras de proyección 302 separadas que pueden recibirse en orificios correspondientes formados en el sensor. El elemento de guía 300 comprende un cuerpo anular 30 que se fija al enchufe 301 mediante un vástago 304. El cuerpo 30 está desplazado respecto al enchufe 301 de modo que intersecte un haz de luz plano emitido por una fuente de luz en el sensor. El enchufe 301, vástago 304 y cuerpo 30 se disponen de modo que el cuerpo ocupe una orientación particular (predeterminada) con respecto al plano del haz de luz. En esta realización, el haz de luz plano divide en dos el cuerpo anular 30.
El cuerpo anular 30 define una ventana de transmisión de luz circular 306 que se adapta a un marco con un fijador 28 que se monta sustancialmente enrasado con una superficie de medida 29. Como se muestra en la figura 12, la alineación de la ventana 306 con el fijador 28 hace que la línea 8 proyectada sobre la superficie 29 por el haz de luz plano pase a través del centro del fijador 28. Más aún, dado que el cuerpo 30 pasa alrededor del fijador, hay dos partes laterales 312, 314 que intersectan con el haz de luz plano. Por ello, puede capturarse una imagen de estas partes laterales 312, 314 por el sensor para facilitar la identificación del fijador 28 en la imagen capturada.
La figura 13 es una imagen esquemática de una representación de datos 320 generada a partir de una imagen de la línea 8 en el objeto 29, fijador 28 y cuerpo 30 mostrados en la figura 12. Las partes laterales 312, 314 se muestran como zonas de marcador 322, 324 en la representación de datos. El conocimiento de que estas partes de marcador enmarcan el fijador, junto con el conocimiento acerca del diámetro de la ventana 306 y/o el diámetro/ancho del fijador 28 puede usarse para determinar la localización de los bordes 316, 318 del fijador 28 en la representación de datos 320 en una forma consistente y repetitivamente.
Después de que se identifiquen los bordes 316, 318, puede obtenerse información adicional a partir de la representación de datos 320. Por ejemplo, puede obtenerse el resalte 31 y/o rebaje 32 máximos en los que se asienta el fijador 28 por encima/debajo de la superficie 29, o puede extraerse de los datos el ángulo 33 con el que se asienta la característica 28 con relación a la superficie del objeto 29. El conocimiento con precisión de la localización del fijador puede reducir errores en estos cálculos.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un sensor óptico de triangulación que comprende:
una fuente de luz (2), y
un detector (3)
caracterizado por que:
la fuente de luz (2) está dispuesta para emitir una pluralidad de haces de luz planos discretos (20) que se disponen espacialmente separados entre sí a lo largo de un plano común en el campo de visión del sensor, de modo que cuando los haces de luz planos discretos se proyectan sobre una superficie de medida localizada en el campo de visión del sensor, se forma una pluralidad de líneas correspondientes a los haces de luz planos discretos sobre la superficie de medida; y
el detector (3) está situado fuera del plano común para la detección de la luz desde los haces de luz planos discretos que se refleja en un ángulo respecto al plano común.
2. Un sensor óptico de triangulación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la fuente de luz comprende:
un generador de haz para generar un único haz de luz plano (4), y
una máscara (19) que está dispuesta en el plano del único haz de luz plano, estando dispuesta la máscara para generar la pluralidad de haces de luz planos discretos a partir del único haz de luz plano.
3. Un sensor óptico de triangulación de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el único haz de luz plano se encuentra sobre el plano común y la máscara (19) incluye una o más partes opacas o parcialmente opacas localizables en el plano común, estando dispuesta cada parte opaca o parcialmente opaca para bloquear o alterar parte del único haz de luz plano para hacerla visualmente distinguible.
4. Un sensor óptico de triangulación de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en el que la máscara (19) es ajustable para variar el número o la configuración de haces de luz planos discretos.
5. Un sensor óptico de triangulación de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la máscara (19) es una placa generalmente opaca situada para bloquear el único haz de luz plano, teniendo la placa una pluralidad de partes de ventana (18) a través de las que puede localizarse en el plano común para transmitir partes separadas del único haz de luz plano.
6. Un sensor óptico de triangulación de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la placa opaca es móvil con relación al plano común para localizar diferentes combinaciones de partes de ventana en el plano común, para permitir de ese modo que se altere el número o la configuración de haces de luz planos discretos.
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