NL1009873C2

NL1009873C2 - Optisch systeem voor het verrichten van metingen aan en/of voor het inspecteren van een of meer objecten over een bepaalde hoek.

Info

Publication number: NL1009873C2
Application number: NL1009873A
Authority: NL
Inventors: Bart Snijders
Original assignee: Tno
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2000-02-15
Also published as: WO2000010047A1; AU5388599A

Description

Titel: Optisch systeem voor het verrichten van metingen aan en/of voor het inspecteren van een of meer objecten 5 over een bepaalde hoek.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een optisch systeem voor het verrichten van metingen aan en/of voor het inspecteren van een of meer objecten over een 10 bepaalde hoek, in het bijzonder over 360°, voorzien van een verlichtingssysteem om althans een deel van de ruimte rondom het optisch systeem te verlichten, een eerste reflector met een in hoofdzaak kegelvormig reflectoroppervlak en een beeldopname-apparaat om via dit 15 reflectoroppervlak een beeld afkomstig van althans een deel van de verlichte ruimte vast te leggen, welk optisch meetsysteem verder is voorzien van tussen de reflector en :

het beeldopname-apparaat aangebrachte correctiemiddelen L

voor het compenseren van, in het bijzonder astigmatische, 20 beeldfouten. :

Een dergelijk optisch systeem kan worden toegepast zowel voor het verrichten van metingen aan en voor het inspecteren van het inwendige van buizen, zoals

pijpleidingen, rioleringen, tunnels, warmtewisselaars en I

25 boorgaten, enz., als voor het bepalen van de positie van 2 allerlei relatief dicht bijeen gelegen objecten, zoals / bijvoorbeeld de spenen van een koe met behulp van een ΐ melkrobot, waarbij het optisch systeem op een robotarm tussen de spenen van een koe kan worden gebracht. In de “ 30 meeste gevallen zal daarbij het meten en inspecteren plaats vinden over een hoek van 360° rondom het optisch systeem. ^

Het is uiteraard mogelijk dergelijke metingen en inspecties = ook uit te voeren over een bepaald hoeksegment.

Een optisch systeem, zoals hiervoor is aangeduid, is =

35 bekend uit US-A-4,976,524. De correctiemiddelen worden B

daarin gevormd door een uiterst gecompliceerd stelsel van ÏI

convexe en concave lenzen, waardoor het optisch systeem = bijzonder kostbaar wordt. i= 1 0 0 Qn?q 1 2

De uitvinding beoogt deze correctiemiddelen in aanzienlijke mate te vereenvoudigen en een optisch systeem te verschaffen dat, zonder afbreuk te doen aan de nauwkeurigheid van het systeem, relatief goedkoop is.

5 Overeenkomstig de uitvinding heeft daartoe het optisch systeem, zoals dit in de aanhef is omschreven, het ! kenmerk, dat de correctiemiddelen worden gevormd door een lens waarvan ten minste één oppervlak in hoofdzaak kegelvormig is.

10 De uitvinding berust op de gedachte dat het virtuele = beeld van een reëel object dat door de kegelvormige reflector voor de optische componenten in de radiale en de tangentiale richting van het optisch systeem op verschillende plaatsen achter het kegelvormige 15 reflectoroppervlak wordt gevormd, door een kegelvormige lens op dezelfde of in hoofdzaak dezelfde plaats achter het kegelvormige reflectoroppervlak worden gepositioneerd, zodat de afstand van het virtuele beeld tot de lens van het beeldopname-apparaat voor de radiale en tangentiale 20 richting gelijk of in hoofdzaak gelijk wordt. Hierdoor wordt het astigmatisme, waardoor hetzij de radiale objectcomponent scherp wordt weergegeven, hetzij, bij een andere scherpstelling, de tangentiale objectcomponent scherp wordt weergegeven, opgeheven.

25 In een voorkeursuitvoering bedraagt de halve tophoek van de kegelvormige reflector ongeveer 45° en is het diafragma van het beeldopname-apparaat zodanig klein, dat slechts vrijwel loodrecht op de hoofdas van het optisch ! systeem op de reflector vallend licht wordt gedetecteerd.

; 30 Voorts bedraagt de halve tophoek van de kegelvormige lens bij voorkeur ongeveer 80° en ligt de brekingsindex van deze lens in de orde van 1,4 a 1,5, terwijl de kegelvormige lens dan op een afstand van 30 a 40 mm van de kegelvormige reflector is geplaatst.

-- 35 Voor het meten aan en/of het inspecteren van een object dat is gelegen op een zekere afstand van de hoofdas 1 0 0 P 0 7 q 3 van het optisch systeem is een daartoe geëigend verlichtingssysteem aanwezig. Overeenkomstig de uitvinding is daartoe een tweede kegelvormige reflector aanwezig die deel uitmaakt van het verlichtingssysteem en die dient om 5 een daarop vallende lichtbundel in een cirkelvormig ruimtesegment rondom de hoofdas van het optisch systeem te reflecteren en wel zodanig dat het licht dat wordt verstrooid door een binnen dit cirkelvormig ruimtesegment gelegen object via de eerste kegelvormige reflector door 10 het beeldopname-apparaat kan worden gedetecteerd.

Voor een nauwkeurige bepaling van de positie van een object ten opzichte van de hoofdas van het optisch systeem, ' is het cirkelvormige ruimtesegment zodanig gericht dat de plaats van het object, dat het licht binnen dit 15 ruimtesegment verstrooit, bepalend is voor de plaats op de eerste reflector van waaruit het object door het beeldopname-apparaat kan worden vastgelegd. Door ijking van het door het beeldopname-apparaat vastgelegde beeld aan de hand van een object waarvan de positie ten opzichte van de 20 hoofdas van het optisch systeem bekend is, kan een maat = worden verkregen aan de hand waarvan de positie van [ objecten ten opzichte van deze hoofdas in drie dimensies “ kan worden bepaald.

Het optisch systeem kan in diverse golflengtebereiken : 25 toegepast worden, zowel in het ultraviolet als in het [ zichtbare en het infrarood spectrumgebied. In een in de r praktijk geschikt gebleken uitvoeringsvorm is een laser als r lichtbron gebruikt.

30 De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de r

hand van de bijgaande tekening. Hierin toont: L

Fig. IA op schematische wijze een - uitvoeringsvoorbeeld van het optisch systeem overeenkomstig de uitvinding; 1009873 ï 4

Fig. IB een specifieke uitvoering van een combinatie van reflector en correctielens die in dit | uitvoeringsvoorbeeld toepasbaar is;

Fig. 2A en 2B de vorming van een virtueel beeld door 5 de kegelvormige reflector voor de optische componenten in de radiale richting;

Fig. 3A en 3B de vorming van een virtueel beeld door de kegelvormige reflector voor de componenten in de ' tangentiale richting en de verplaatsing van dit virtuele 10 beeld door middel van een kegelvormige lens; terwijl in

Fig. 4 de beeldvorming in de radiale en tangentiale -I richting door de lens van het beeldopname-apparaat in • afwezigheid van de corrigerende kegelvormige lens is - weergegeven.

15

Fig. 1 toont een buis 1 waarvan de binnenkant moet worden geïnspecteerd en waarvan de diameter moet worden vastgesteld. Hiertoe wordt in de buis 1 het optisch systeem 2 overeenkomstig de uitvinding neergelaten. Dit optisch 20 systeem omvat een, niet in de figuur weergegeven laser lichtbron, waarvan de uitgezonden straling via een glasvezel 3 naar de te inspecteren en te meten plaats wordt geleid. Met behulp van een lens 4 aan het einde van de glasvezel 3 en een tweetal spiegelelementen 5 en 6 wordt "ï 25 een lichtbundel volgens de hoofdas 7 van het optisch systeem 2 verkregen. Deze hoofdas 7 valt althans in hoofdzaak samen met de middellijn van de buis l, hetgeen kan worden gerealiseerd door het, verder niet weergegeven huis van het optisch systeem cirkelsymmetrisch uit te 30 voeren en met behulp van bijvoorbeeld rollen langs de wand van het inwendige van de buis 1 te verplaatsen. Met behulp van een kegelvormige reflector 8 wordt een lichtbundel 9 verkregen die een cirkelvormig ruimtesegment bestrijkt. Met behulp van een lens 10 wordt deze lichtbundel in sterke 35 mate in een cirkel gefocusseerd op de wand van de buis, in fig. 1 ter plaatse van F. Voorts is een verdere = ï Ί i 1 r n o Q y o 5 kegelvormige reflector 11 aanwezig om het door de binnenwand van de buis 1 verstrooide licht van de lichtbundel 9 in de richting van een beeldopname-apparaat 12 te leiden. Ter voorkoming van astigmatische fouten als 5 gevolg van reflecties door de kegelvormige reflector 11 is tussen deze reflector 11 en het beeldopname-apparaat een deze fouten in sterke mate verminderende correctielens 13. aangebracht. Zoals in het hiernavolgende wordt toegelicht, heeft deze correctielens eveneens een kegelvormig 10 oppervlak.

In de hier weergegeven voorkeursuitvoeringsvorm heeft de kegelvormige reflector 11 een halve tophoek van 45°, terwijl voorts het diafragma van het beeldopname-apparaat zodanig klein wordt gekozen, dat in hoofdzaak een zeer 15 smalle lichtbundel die vanaf de buiswand in een vlak loodrecht op de hoofdas 7 op de kegelvormige reflector 11 valt, zal worden gedetecteerd. Het door het beeldopname-apparaat 12 verkregen beeld kan in een beeldanalyseapparaat 14 worden verwerkt en desgewenst worden afgebeeld op een 20 deel van dit apparaat uitmakende monitor. De omtrek van de binnenwand van de buis 1 wordt, zoals in de tekening op de monitor is afgebeeld, weergegeven door de cirkel Cm. Door j: calibratie met een bekende buisbinnendiameter kan uit het verkregen beeld, dat wil zeggen de cirkel Cm, de 25 binnendiameter van de buis 1 worden afgeleid.

De lichtbundel 9 loopt onder een zodanige hoek, dat, *" wanneer het optisch systeem in een smallere buis IA wordt neergelaten, het door de buisbinnenwand verstrooide en door : het beeldopname-apparaat 12 gedetecteerde licht afkomstig ~ 30 is van een cirkel die, in fig. 1 door G lopend, meer naar onderen is gelegen. Op de monitor wordt de omtrek van deze “ kleinere cirkel afgebeeld door de grotere cirkel Ck. Evenzo ~ zal, wanneer het optisch systeem wordt neergelaten in een « bredere buis 1B het door de buisbinnenwand verstrooide en r 35 door het beeldopname-apparaat 12 gedetecteerde licht afkomstig zijn van een cirkel die, in fig. 1 door H lopend, 1 0 0 :! P 7 3 ...

6 meer naar boven is gelegen. Op de monitor wordt de omtrek van deze grotere cirkel afgebeeld door de kleinere cirkel Cl. Het zal duidelijk zijn dat het bereik in buisdiameters begrensd wordt door het oppervlak van de kegelvormige 5 reflector 11, terwijl meer naar de grenzen van dit bereik , toe de focussering van de lichtbundel 9 op de buisbinnenwand minder wordt. Voor buizen met een zeer grote binnendiameter zal ten opzichte van buizen met een zeer kleine diameter het optisch systeem dan ook moeten worden , 10 aangepast. Wanneer zich in de buis een verdikking in de wand voordoet, zoals de verdikking 15 in de buis 1, zal dit op de monitor kunnen waargenomen door een naar buiten gerichte uitstulping 16 in de cirkel Cm. De grootte en ligging van deze uitstulping 16 bepalen de plaats en de 15 grootte van de verdikking 15 in de buis 1.

De kegelvormige reflector 11 en de correctielens 13 kunnen ook als een geheel worden uitgevoerd. Een dergelijke - uitvoering is weergegeven in fig. 1B. De correctielens is daarbij, op fabricage technische overwegingen, met de 20 vlakke zijde aangebracht op een glaslichaam 22 waarin een kegelvormige holte is uitgeslepen voor de kegelvormige reflector 11. Hierdoor wordt een beter gedefinieerde positionering van correctielens en kegelvormige reflector ten opzichte van elkaar verkregen.

25 Aan de hand van de fig. 2-4 zal de optiek van het optisch systeem, in het bijzonder de werking van de kegelvormige reflector 11 en de correctielens 13, nader worden toegelicht.

In fig. 2A en 2B is de beeldvorming in een vlak door 30 de hoofdas 7 van het optisch systeem 2 weergegeven. Fig. 2B toont, gezien in de richting van de hoofdas 7 het aanzicht van deze beeldvorming in het vlak door de hoofdas 7.

Wanneer wordt uitgegaan van een door de pijl A gevormd object, dan behoort hierbij een virtueel beeld B dat zich 35 uitstrekt in de radiale richting ten opzichte van de hoofdas en wel ter plaatse achter de kegelvormige reflector ] '009873 7 11. Wanneer tussen deze reflector en het beeldopname-apparaat de kegelvormige correctielens wordt geplaatst, dan zal deze de plaats van het virtuele beeld B niet beïnvloeden. Immers, in het vlak door de hoofdas 7 heeft de 5 lens geen andere werking dan die van een prisma, dat wil zeggen dat slechts de beeldvorming door de lens van het beeldopname-apparaat een weinig in radiale richting wordt verplaatst.

In fig. 3A en 3B is de beeldvorming in het vlak V 10 loodrecht op de hoofdas 7 van het optisch systeem 2 weergegeven. Wanneer wordt uitgegaan van een door de pijl D gevormd object, dan behoort hierbij een virtueel beeld E dat zich uitstrekt in de tangentiale richting ten opzichte van de hoofdas en, in de weergegeven situatie, is gelegen 15 in het vlak V. Wanneer de correctielens 13 niet aanwezig ' zou zijn, dan doet zich het verschijnsel van astigmatisme j voor. Door het beeldopname-apparaat wordt bij focussering [ op het virtuele beeld B een scherp beeld in radiale richting verkregen, doch een onscherp beeld in tangentiale : 20 richting, terwijl bij focussering op het virtuele beeld E " een scherp beeld in tangentiale richting wordt verkregen, " doch een onscherp beeld in radiale richting. Dit effect is ~ voor een spaakwiel 17 in fig. 4 weergeven. Via de, in dit Ξ voorbeeld astigmatische, lens 18 van het beeldopname-25 apparaat wordt bij focussering op de spaken het beeld 19 verkregen en bij focussering op het wiel het beeld 20.

Door de aanwezigheid van de kegelvormige T

correctielens 13 wordt het door de kegelvormige reflector 11 verkregen virtuele beeld E van het object D verschoven. l 30 Door de juiste keuze van het brandpunt van de lens 13 kan ^ bij een plaatsing van deze lens op een geschikt gekozen Ξ afstand van de kegelvormige reflector 11 het virtuele beeld ï E naar achteren worden verschoven en wel zodanig dat de “ plaats van het dan verkregen virtuele beeld E' samenvalt - 35 met de plaats van het virtuele beeld B. Door het = beeldopname-apparaat 12 kan nu door focussering een scherp ~ 1009873 8 beeld worden verkregen van zowel de radiale als de tangentiale component van het virtuele beeld van een object terzijde van de kegelvormige reflector.

Wanneer de objectpijl D de hoofdas 7 op grotere 5 afstand kruist, dan zal het virtuele beeld E kleiner zijn en in fig. 3B meer naar de hoofdas 21 in het vlak V komen te liggen. Echter, dichter bij het vlak door de hoofdassen 7 en 21 is de kromming van de kegelvormige lens 7 groter en is de brandpuntsafstand van deze lens kleiner. Door een 10 geschikt gekozen tophoek voor de kegelvormige lens blijkt voor diverse afstanden van het virtuele beeld E tot het vlak door de hoofdassen 7 en 21 een verschuiving van dit virtuele beeld naar vrijwel eenzelfde plaats, overeenkomende met die van het virtuele beeld B, te kunnen 15 worden verkregen. In een concrete situatie met een kegelvormige reflector met een halve tophoek van 45°, is een kegelvormige lens met een halve tophoek in de orde van 80° en een brekingsindex van ongeveer 1,4 è 1,5 bruikbaar; de kegelvormige lens wordt daarbij op ongeveer een afstand 20 van 30 a 40 mm van de kegelvormige reflector geplaatst.

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot het hier aan de hand van de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld, doch omvat allerlei modificaties hierop, uiteraard voor zover deze vallen binnen de 25 beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies. Zo kan de halve tophoek van de kegelvormige reflector 11 afwijken van 45°, waarbij dan wel, althans bij grote afwijkingen hiervan, de halve tophoek van de correctielens 13 en de plaatsing van deze lens ten opzichte van de reflector 11 30 moeten worden aangepast. De correctielens 11 kan aan een zijde, in plaats van een plat oppervlak, ook een sferisch ! oppervlak hebben, waardoor deze tevens een zekere optische sterkte krijgt. Ook kunnen beide zijden van de correctielens een kegelvormig oppervlak bezitten.

35 Alhoewel een laser lichtbron de voorkeur geniet, zijn andere lichtbronnen zeer wel bruikbaar; zelfs kan een inna«73 9 infrarood lichtbron worden gebruikt, waarbij dan wel dient te worden opgemerkt dat in dat geval een infraroodcamera nodig is. Voorts is het optisch systeem in zijn toepassing niet beperkt tot buisinspectie, het meten van 5 buisdiameters, het vaststellen van lasnaden in buizen of de toestand van deze lasnaden, e.d.; het optisch systeem is geschikt om allerlei objecten rondom het systeem waar te nemen, bijvoorbeeld, zoals reeds eerder is genoemd, de positie van de spenen van een koe in een melkrobot. Ook is 10 waarneming over 360° niet noodzakelijk; een waarneming over elk hoeksegment is met behulp van dit optisch systeem mogelijk. In het bijzonder de combinatie van een laser lichtbron, een optiek met kegelvormige correctielens en een beeldopname-apparaat, zoals deze eenheden in het voorgaande 15 zijn beschreven, blijkt in een nauwkeurig meetsysteem te resulteren. Objecten op een afstand tot de hoofdas van het ! optisch systeem van bijvoorbeeld 10 cm kunnen met een nauwkeurigheid van minder dan 0,5 mm worden bepaald.

1009873

Claims

1. Optisch systeem voor het verrichten van metingen aan ( en/of voor het inspecteren van een of meer objecten over een bepaalde hoek, in het bijzonder over 360°, voorzien van een verlichtingssysteem om althans een deel van de ruimte 5 rondom het optisch systeem te verlichten, een eerste reflector met een in hoofdzaak kegelvormig reflectoroppervlak en een beeldopname-apparaat om via dit reflectoroppervlak een beeld afkomstig van althans een deel van de verlichte ruimte vast te leggen, welk optisch 10 meetsysteem verder is voorzien van tussen de reflector en het beeldopname-apparaat aangebrachte correctiemiddelen voor het compenseren van beeldfouten, met het kenmerk, dat de correctiemiddelen worden gevormd door een lens waarvan ten minste één oppervlak in hoofdzaak kegelvormig is.

2. Optisch systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de halve tophoek van de kegelvormige reflector ongeveer 45° bedraagt en het diafragma van het beeldopname-apparaat zodanig klein is, dat slechts vrijwel loodrecht op de hoofdas van het optisch systeem op de reflector vallend 20 licht wordt gedetecteerd.

3. Optisch systeem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de halve tophoek van de kegelvormige lens ongeveer 80° bedraagt en de brekingsindex van deze lens in de orde van 1,4 a 1,5 ligt, terwijl voorts de kegelvormige 25 lens op een afstand van 30 a 40 mm van de kegelvormige reflector is geplaatst.

4. Optisch systeem volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat een tweede kegelvormige reflector aanwezig is die deel uitmaakt van het verlichtingssysteem en die dient 30 om een daarop vallende lichtbundel in een cirkelvormig ruimtesegment rondom de hoofdas van het optisch systeem te reflecteren en wel zodanig dat het licht dat wordt verstrooid door een binnen dit cirkelvormig ruimtesegment ! 1009873 gelegen object via de eerste kegelvormige reflector door het beeldopname-apparaat kan worden gedetecteerd.

5. Optisch systeem volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het verlichtingssysteem is voorzien van een laser 5 lichtbron.

6. Optisch systeem volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat het cirkelvormige ruimtesegment zodanig is gericht dat de plaats van het object, dat het licht binnen dit ruimtesegment verstrooit, bepalend is voor de plaats op 10 de eerste reflector van waaruit het object door het beeldopname-apparaat kan worden vastgelegd.

7. Optisch systeem volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat door ijking van het door het beeldopname-apparaat vastgelegde beeld aan de hand van een object waarvan de 15 positie ten opzichte van de hoofdas van het optisch systeem bekend is, een maat wordt verkregen aan de hand waarvan de ‘ positie van objecten ten opzichte van deze hoofdas in drie : dimensies kan worden bepaald. 1009873 „