ITTO20010349A1 - Apparecchiatura ottica per la misurazione di oggetti con profilo rettilineo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Apparecchiatura ottica per la misurazione di oggetti con profilo rettilineo".

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un’apparecchiatura ottica per la misurazione di oggetti con profilo rettilineo, del tipo definito nel preambolo della rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione dello stato della tecnica e dei problemi ad essa inerenti, verrà dapprima descritta un’apparecchiatura di tipo tradizionale, illustrata nelle figure 3 e 4 dei disegni allegati, che è stata realizzata per studiare, in laboratorio, il comportamento di una generica forma bidimensionale.

In figura 3, un tubo laser He-Ne 1 eroga un fascio 2 di luce coerente collimato e di uniforme densità luminosa con un grado elevato di coerenza. Il fascio 2 viene espanso da un espansore 3 con filtro a pinhole e fatto incidere su un oggetto opaco 4 del quale si vogliono misurare le dimensioni geometriche. Per il principio di diffrazione descritto da Fresnel e Fraunhofer, nei punti di interazione del fronte d’onda luminoso con l’oggetto opaco 4, vale a dire lungo il suo bordo o contorno, vengono a formarsi nuovi fronti d’onda di tipo sferico, le cui componenti radiali risultano divergenti rispetto alla direzione del fascio incidente originale (Fig.4).

A questo livello, se si analizzasse in dettaglio l'immagine, si potrebbe osservare in corrispondenza del contorno ingrandito dell’oggetto 4 una zona dì incertezza fatta di sottili "frange” alternate di luce ed ombra che renderebbe difficile o impossibile la determinazione esatta della posizione spaziale del bordo.

Il fascio di luce 2, dopo aver incontrato l’oggetto 4, raggiunge una lente convergente sferica 5 disposta ortogonalmente alla direzione del fascio.

Secondo le leggi dell’ottica geometrica, nel punto focale della lente 5 convergono solo ed esclusivamente le componenti (indicate 2a) parallele della radiazione incidente (Fig.4). Nel fuoco della lente 5 è disposto un ostacolo 6 che impedisce la propagazione della luce, come, per esempio, un punto opaco, chiamato nel seguito “stop” o “filtro spaziale".

La funzione del filtro spaziale 6 è di arrestare esclusivamente le componenti 2a parallele del fascio incidente, senza interferire con le componenti divergenti e diffratte 2b che possono raggiungere una lente convergente di fecalizzazione e di ingrandimento 7 ed infine essere raccolte su uno schermo o camera fotosensibile 8. L’immagine risultante sullo schermo 8, dopo il filtraggio spaziale così descritto, è costituita esclusivamente da sottili linee luminose che corrispondono al contorno dell’oggetto 4 in risalto su un fondo scuro.

Il contrasto tra la linea luminosa (segnale utile) e la luminosità residua del fondo (rumore) è tanto maggiore quanto più la sorgente di luce coerente soddisfa i requisiti iniziali di omogeneità spaziale e di parallelismo.

L’immagine cosi elaborata si presta particolarmente bene all'analisi elettronica che si propone misurare l’oggetto. Infatti mentre è impossibile stabilire con esattezza un criterio con cui scegliere un punto di misura privilegiato affidabile e ripetibile su di un fronte luminoso luce/ombra indefinito (quale sarebbe quello dell’immagine ottenuta senza il filtro spaziale), è relativamente semplice misurare la distanza, sullo schermo 8, tra linee distanziate, ognuna delle quali presenta un massimo di intensità luminosa molto stretto.

Esempi di studi teorici che rappresentano la tecnica nota sopra discussa sono descrìtti nelle seguenti pubblicazioni: H.Lipson e C.A.Taylor Fourier Transform and X-Ray diffraction, 1958; G.Harburn, CATaylor, T.R.Welberry Atlas of Optical Transforms, 1975; F.Docchio, E.Sardini, 0. Svelto, A.Taroni On-Line Dimensionai Analysis of Surfaces Using Optical Filtering and Elaboration Techniques in thè Fourier Piane, 1989; e R.G. Wilson Fourier Series and Optical Transform Techniques in Contemporary Optics , 1995.

Tuttavia, i risultati sperimentali raggiunti sono stati ottenuti in laboratorio usando sofisticata strumentazione ottica ed elettronica, in condizioni molto vicine alla idealità teorica, e cioè:

si è potuto disporre di una luce ad alto grado di coerenza, tipicamente quella erogata da un tubo laser He-Ne;

si è potuto filtrare quanto basta, ed espandere il raggio laser in modo che il fascio risultante avesse distribuzione luminosa uniforme ed i raggi fossero tra di loro paralleli; in altri termini, si è potuto ottenere un fascio privo di componenti armoniche spaziali e a fronte d'onda piano;

si sono potute adoperare lenti e ottiche di qualità, con aperture molto grandi rispetto alle dimensioni dell'oggetto in osservazione.

Attualmente sono disponibili sui mercato dispositivi di misura non a contatto (che sfruttano principi diversi da quello qui descritto) con i quali si possono ottenere buone precisioni (tipicamente 0.1 pm) ma a scapito di prezzi elevati e della robustezza dello strumento, oppure, in alternativa, ottenere buoni prezzi ma limitate precisioni (tipicamente non inferiori a 5 pm).

È scopo della presente invenzione realizzare un’apparecchiatura di misurazione di tipo perfezionato in grado di effettuare misurazioni di elevata precisione (0.5 pm o meno).

Un altro scopo dell’invenzione è di realizzare un’apparecchiatura di misurazione di costo contenuto e di dimensioni ridotte che la rendono idonea ad essere utilizzata in ambito industriale su larga scala. In particolare, è scopo dell’invenzione realizzare un’apparecchiatura di misurazione affidabile in cui gli interventi di manutenzione siano ridotti al minimo e la cui regolazione sia semplice.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è di realizzare un’apparecchiatura di misurazione in grado di ottenere (a misura continua dell’oggetto, superando il limite della misura effettuata con scansioni ripetute.

Questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti secondo la presente invenzione da un'apparecchiatura avente le caratteristiche definite nelle rivendicazioni annesse.

Verrà ora descritta una forma di realizzazione preferita ma non limitativa di un’apparecchiatura secondo la presente invenzione; si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica laterale di un’apparecchiatura di misurazione secondo l’invenzione;

la figura 2 è una vista schematica in pianta dell'apparecchiatura della figura 1 ;

la figura 3 è una vista schematica di un’apparecchiatura di misurazione di tipo noto; e

la figura 4 è una vista ingrandita di un dettaglio della figura 3. Nelle viste esplicative delle figure 1 e 2 le dimensioni, le proporzioni e le forme degli oggetti e gli angoli di divergenza o convergenza dei raggi sono accentuati per chiarezza espositiva e non sono rappresentati in scala.

Facendo ora riferimento alle figure 1 e 2, ed utilizzando per semplicità gli stessi numeri di riferimento già usati nelle figure 3 e 4 per indicare parti ed elementi uguali o corrispondenti, con 4 è indicato un oggetto da misurare, in questo esempio un filo di cui si vuole misurare il diametro.

Naturalmente, il riferimento a questo possibile campo di applicazione non deve essere in alcun modo interpretato come limitativo della portata del brevetto. In particolare, l'apparecchiatura secondo la presente invenzione si presta ad ottenere:

la misura della posizione spaziale di un bordo (o contorno, o proiezione) rettilineo di un oggetto meccanico, riferita ad uno zero dell’apparecchiatura, oppure

la distanza relativa di due o più bordi rettilinei e paralleli di un oggetto.

L’invenzione può quindi essere utilizzata per la misurazione di un filo, o di un pezzo meccanico tornito, oppure della posizione del bordo rettilineo di un foglio di materiale opaco (lamiera, laminato plastico, carta, ecc.) o di una fessura rettilinea a bordi paralleli (lo spazio tra due lembi di lamiera in procinto di essere saldati), ecc.

Conosciute a priori la particolare tipologia dell’oggetto che si intende misurare è possibile apportare importanti semplificazioni alla struttura ottica designata all’estrazione del contorno dell’oggetto, rendendo il procedimento meno sensibile a possibili disomogeneità o disturbi, ed applicabile a livello industriale.

Nelle figure 1 e 2 è indicata una terna di assi ortogonali (x, y, z); l’oggetto 4 da misurare è disposto con i propri bordi rettilinei e paralleli 4a, 4b orientati secondo la direzione y, qui definita longitudinale, al fine di misurare il diametro (o la posizione spaziale) dell’oggetto 4 lungo l’asse verticale x.

Una sorgente luminosa 1 proietta un raggio luminoso collimato 2 nella direzione dell’asse z, qui definita trasversale. Il raggio 2 viene espanso da un espansore 3 privo di filtri e comprensivo di una coppia di lenti 3a, 3b per ottenere un fascio luminoso espanso 2a orientato parallelamente all'asse trasversale z e di ampiezza tale da abbracciare entrambi i contorni, superiore 4a ed inferiore 4b del filo 4.

Il fascio luminoso espanso 2a investe il filo 4 e una lente convergente 5 disposta a vaile di questo.

Caratteristica importante della presente invenzione è che la lente convergente 5 è di tipo cilindrico con le generatrici disposte parallelamente all’asse y. La lente 5, essendo di tipo cilindrico, produce un fuoco non puntiforme ma rettilineo e parallelo all'asse longitudinale y. Nel piano focale A della lente 5 è disposto un filtro spaziale 6 di forma essenzialmente lineare e allungata in una direzione parallela all'asse longitudinale y.

Il filtro spaziale 6 può essere vantaggiosamente costituito da una barra o da un filo calibrato la cui larghezza nella dimensione x è scelta, a seconda delle esigenze specifiche, per ottenere un buon compromesso tra la capacità di ottenere una radiazione sufficientemente ben definita che oltrepassa il filtro spaziale e nel contempo avente un’intensità luminosa sufficiente ai fini del suo rilevamento. Tale filtro spaziale può essere vantaggiosamente fissato in modo semplice alle proprie estremità opposte all’apparecchiatura. Il filtro spaziale 6 può essere fatto di qualsiasi materiale; almeno la superficie 6a del filtro spaziale rivolta verso la lente cilindrica 5 è opaca. Ad esempio, il filtro spaziale 6 può essere costituito da un filo metallico nero o annerito.

Preferibilmente il filo 4 è situato alla distanza focale anteriore della lente (5).

L’adozione dì una lente convergente cilindrica 5 in luogo di una tradizionale lente sferica è vantaggiosa in quanto consente di apportare sensibili migliorie di ordine pratico al procedimento ottico di estrazione del contorno di un’immagine. Si consideri il fronte d’onda del fascio luminoso collimato ed espanso 2a che illumina il filo 4. Pur senza volersi legare ad alcuna specifica teoria in proposito, le esperienze condotte dalla Richiedente dimostrano che, rispetto alle soluzioni tradizionali con lente convergente sferica, nel procedimento ottico di “estrazione” del contorno dell’oggetto 4, l’immagine finale ottenuta attraverso una lente cilindrica è meno sensibile a possibili disomogeneità presenti nel fronte d'onda di illuminazione, in quanto l’eventuale disomogeneità della distribuzione di luce lungo l’asse longitudinale y, non essendo soggetta all’effetto della lente 5 nel piano xz, non concorre ad aumentare la luminosità residua del fondo. Ciò elimina un importante fattore di rumore ottico.

Pertanto è possibile usare una sorgente 1 di luce collimata non ideale, quale un diodo laser 1 a bassa potenza, ad esempio di circa 3 mW, che tipicamente presenta un’emissione luminosa spaziale non uniforme. Si ottengono risultati migliori se l’asse di polarizzazione del campo elettrico della radiazione luminosa emanata dal diodo laser 1 è orientato lungo la direzione verticale x della lente; in queste condizioni si ottiene il minimo del rumore di fondo residuo e il massimo dell’esaltazione del segnale utile.

Da un punto di vista industriale si apprezzerà che l’uso di un diodo laser al posto di una sorgente laser a tubo, come proposto nella citata pubblicazione di F. Docchio et al., riduce drasticamente il costo totale e le dimensioni complessive dell’apparecchiatura.

Sperimentalmente si è verificato che grazie all’uso di una lente 5 di tipo cilindrico il rapporto segnale/rumore risultante nell’immagine estratta è eccellente, pur impiegando una sorgente luminosa non ideale (diodo laser di bassa potenza) e senza usare filtri o ottiche particolari dedicate a rendere uniforme l'emissione luminosa.

Inoltre, una lente di tipo sferico utilizza normalmente uno stop di tipo puntiforme che necessita di essere montato su un supporto trasparente. Ciò comporta gli inconvenienti di un costo maggiore di realizzazione, della possibilità di aberrazioni ottiche provocate dal supporto trasparente, da possibili accumuli di sporcizia sul supporto trasparente, oltre alla difficoltà di centrare il filtro spaziale puntiforme nel punto focale della lente sferica.

La lente cilindrica 5 consente di effettuare l’ingrandimento dell’immagine solo lungo l’asse x sul quale si vuole effettuare la misurazione. Lungo l’asse longitudinale y è invece preferibile poter disporre di un campo di osservazione largo a valle della lente 5 (vedere figura 2) in modo da avere a disposizione il maggior numero possibile di sezioni dell’oggetto nei piani paralleli al piano xz sulle quali poter effettuare il maggior numero possibile di singole misurazioni contemporaneamente. La lente cilindrica assolve questa condizione, mentre una lente sferica inevitabilmente ingrandirebbe l'immagine in entrambe le direzioni x e y consentendo misure ripetute dell'oggetto 4 limitate ad un tratto di lunghezza molto modesto.

La radiazione luminosa 2c, 2d che supera il filtro spaziale 6 viene focalizzata su un dispositivo elettronico fotosensibile 8 disposto nel piano focale B dì un’ulteriore lente convergente 7, in modo che il fuoco anteriore di questa coincida con il fuoco posteriore della lente cilindrica 5, com'è noto dalle leggi dell’ottica geometrica. L’ingrandimento risultante è pari al rapporto delle lunghezze focali delle due lenti.

La radiazione luminosa, non deviata lungo la direzione y (Fig.4) nel passaggio attraverso la lente cilindrica 5, viene a convergere sul piano focale F della lente sferica 7 sullo schermo fotosensibile 8. Nell’esempio del filo 4 illustrato nelle figure 1 e 2, ciascuno dei due fasci di luce 2c e 2d che superano il filtro spaziale 6 viene fatto convergere in un rispettivo punto C, D sul dispositivo fotosensibile 8.

Grazie all'adozione di una lente 5 di tipo cilindrico, l’immagine risultante focalizzata sul dispositivo fotosensibile 8 sarà, in generale, costituita da n spot luminosi, ciascuno corrispondente ad uno degli n bordi rettilinei dell’oggetto 4, e tutti allineati lungo l’asse x. Le distanze relative tra gli spot C, D, sono proporzionali alle dimensioni reali dell'oggetto.

È importante notare come, in virtù della configurazione dell’apparecchiatura secondo l’invenzione, in ciascuno spot focalizzato sul dispositivo fotosensibile 8 converga contemporaneamente ed istantaneamente tutta l’informazione relativa all’intero segmento di bordo - esteso lungo l’asse y - compreso nel campo visivo dell'apparecchiatura.

La distribuzione spaziale dell’intensità luminosa rilevabile su ciascun spot, in realtà, non è puntiforme, ma di tipo gaussiano, in quanto è la somma integrale effettuata lungo l’asse y ed estesa all’intervallo del campo visivo dei singoli contributi infinitesimali provenienti da ciascun punto appartenente ad un bordo dell’oggetto 4.

L’intensità e l’estensione di questa distribuzione gaussiana è indicativa del grado di uniformità dei contributi fomiti dai vari punti di un tratto del bordo dell’oggetto 4 che viene misurato. Questi parametri rivelano se nel tratto in osservazione vi siano difetti o irregolarità del contorno dell'oggetto 4.

L’apparecchiatura secondo l’invenzione può essere convenientemente utilizzata per effettuare misurazioni su un oggetto in movimento, ad esempio misurazioni del diametro di un filo 4 che avanza lungo l’asse longitudinale y. Si noti che il tempo totale impiegato da un’apposita unità elettronica per la conversione dell’immagine luminosa in segnale (digitale o analogico) e per la sua elaborazione, per quanto breve, non è nullo. Per assicurare che la misurazione di un oggetto 4 in movimento lungo l’asse y sia continua, ovvero che tutti i punti del profilo dell'oggetto siano stati processati, escludendo la possibilità di zone non controllate, è sufficiente ottenere che il campo visivo dell’apparecchiatura sia pari, almeno, alla lunghezza percorsa dall’oggetto 4 alla sua velocità massima, nel tempo complessivo di conversione ed elaborazione del’immagine.

Grazie alle semplificazioni introdotte alla struttura ottica adottata in questa invenzione, è sufficiente usare, quale dispositivo fotosensibile 8, un trasduttore elettronico di tipo lineare, in quanto tutta l'informazione necessaria ad estrarre la misura ricercata, è contenuta in una serie di spot disposti rigorosamente in linea retta lungo l’asse x. Il trasduttore elettronico 8 è convenientemente montato in modo fisso sull'apparecchiatura.

Se l’oggetto 4 della misurazione è tale da produrre sul dispositivo fotosensibile 8 un unico spot (per esempio nel caso di un foglio di lamiera di cui si vuole misurare con precisione il posizionamento di un singolo bordo), può essere utilizzato con eccezionali risultati di precisione e velocità di risposta, un fotodiodo di tipo PSD (Position Sensing Device) lineare.

Se invece gli spot sono due (per esempio per ottenere la misura del diametro di un filo), o più di due, è possibile usare un CCD (Charge Coupled Device) di tipo lineare, in grado di fornire un segnale elettrico che rappresenta fedelmente la distribuzione spaziale dell’immagine luminosa incidente sulla sua superficie sensibile.

Si intende che l’invenzione non è limitata alla forma di realizzazione qui descritta ed illustrata, che è da considerarsi come un esempio di attuazione dell’apparecchiatura di misurazione. L’invenzione è invece suscettibile di modifiche relative a forma, disposizione e numero dei componenti dell’apparecchiatura, nonché dei dettagli costruttivi e di funzionamento.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per la misurazione di un oggetto (4) avente almeno un bordo o profilo (4a, 4b) essenzialmente rettilineo e parallelo ad una direzione data (y), l’apparecchiatura comprendendo: una sorgente laser (1) atta ad emettere una radiazione (2, 2a) che abbraccia detto almeno un bordo o profilo (4a, 4b); primi mezzi a lente convergente (5) disposti a valle dell’oggetto (4); mezzi a filtro spaziale (6) disposti nel piano focale (A) dei primi mezzi a lente convergente (5); secondi mezzi a lente convergente (7), disposti a valle dei mezzi a filtro spaziale (6); mezzi fotosensibili (8) disposti nel piano focale (F) dei secondi mezzi a lente convergente (7); caratterizzata dal fatto che detti primi mezzi a lente convergente (5) comprendono almeno una lente cilindrica (5) con direttrici parallele a detta direzione data (y).
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta sorgente laser (1 ) comprende un diodo laser.
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto diodo laser è adatto ad emanare una radiazione (2) polarizzata in piani (xz) perpendicolari a detta direzione data (y).
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto diodo laser è un diodo laser a bassa potenza.
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i mezzi a filtro spaziale (6) hanno forma allungata in una direzione parallela a detta direzione data (y).
6. 6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che i mezzi a filtro spaziale (6) comprendono un elemento essenzialmente a forma di filo o di barra.
7. 7. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi fotosensibili (8) comprendono almeno un fotodiodo lineare di tipo PSD orientato secondo una direzione (x) perpendicolare a detta direzione data (y).
8. 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dai fatto che detti mezzi fotosensibili (8) comprendono almeno un trasduttore lineare CCD orientato secondo una direzione (x) perpendicolare a detta direzione data (y).