PL101707B1 - Method and system for electro-optical non-contact measurements of an object - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób elcktrooptyczny dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu i uklad elektrooptyczny do dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przadmiotu. Moza on byc zastosowany dla przykladu do pomiaru wymiarów przedmiotów podczas ich ruchu wzdluz linii produkcyjnej w fabryce przy dowolnej odleglosci wzgledem elektrooptycznego urzadzania pomiarowego, Znanych jest wiele sposobów elektrooptycznych dokonywania pomiarów wymiarów przadmiotu I ukladów elektrooptycznych do dokonywania pomiarów wymiarów przedmiotu, w których wykorzystuja sie regulowana wiazke swietlna. Dla przykladu, oswietlacze mikroskopów sa zwykle przeznaczone do dostarczania wiazki swietlnej o regulowanym obszarze, zaleznie od pola widzenia i o regulowanej rozbieznosci katowej, zaleznie od apertury liczbowej ukladu optycznego. Wplyw regulacji rozbieznosci w oswietlaczu mikroskopu na ostrosc obrazu jest znany juz ponad 100 lat. Zgodnie z tym faktem nowoczesne oswietlacz mikroskopów sa zwykle przeznaczone do wytwarzania wiazek swietlnych o duzej rozbieznosci katowej w celu uzyskania duzej rozdzielczosci optycznej* W odniesieniu do tego mozna przytoczyc „Technical Optics" L C. Martina, opublikowana przez Pittman and Sons Ltd; 1954 (Tom II, rozdzial III, zatytulowany „The Microscope" - strony 80-146).

W technologii laserowej i holografii zajmowano sie glównie polepszaniem zdolnosci rozdzielczej un^izen elektrooptycznych w warunkach laboratoryjnych, anie projektowaniem urzadzen elektrooptycznych, które umozliwialyby precyzyjne pomiary wymiarów przedmiotów poruszajacych sie z duza predkoscia w warunkach produkcyjnych.

Znane sa komparatory optyczne wykorzystujace skolimowana wiazke swietlna do utrzymania stalej wartosci mierzonego wymiaru obrazu przy malych wzdluznych przemieszczeniach badanego przedmiotu. Ten rodzaj oswietlenia podlegajacego regulacji, nazywany „oswietleniem telecentrycznym", mial ograniczone zastosowanie, gdyz powodowal zmniejszenie ostrosci obrazu w wyniku dyfrakcji i w zwiazku z tym dalej ograniczal zmniejszona juz dokladnosc odczytu wymiarów, spowodowana ograniczeniem spostrzegania kontrastu ojptycznego przez czlowieka.7w odniesieniu do tego mozna przytoczyc „Applied Optics and Optieal Englneerlngir R, Kingslake ~ Academijb Press-1965 (Tom I, rozdzial 6 III, 4, strona 232, zatytuowany ,lirpltatlons of Ray Bundles-TelecantricSystems").2 101 707 W amerykanskim opisie patentowym nr 3854222 przedstawiony jest bezstykowy pomiar pomiarów przedmiotu, dokonywany za pomoca elektronicznej techniki pomiarowej, w której analiza elektroniczna sluzy do okreslania odleglosci pomiedzy przeciwleglymi krawedziami przedmiotu w sposób analogiczny do suwmiarki mechanicznej, której szczeki obejmuja przeciwlegle konce. W urzadzeniu przedstawionym w tym opisie patentowym sylwetka przedmiotu jest rzutowana optycznie na czula powierzchnie czula elektrooptycznego ukladu analizujacego/Generator analizujacy dolaczony do ukladu analizujacego dostarcza odpowiednich napiec * w celu utworzenia drogi analizowania, która przebiega te krawedzie obrazu przedmiotu, które stanowia punkty koncowe mierzonego wymiaru.

W zgloszeniu w Polsce nr P-183198 zastosowano technike koordynatografu, w której uklad analizujacy jest przystosowany do obserwacji w poblizu krawedzi, których wspólrzedne maja byc mierzone.

Trudnosci wystepujace przy zastosowaniu znanych urzadzen wzrastaja w sytuacjach, w których czesc lub caly mierzony przedmiot porusza sie w kierunku do lub od ukladu analizujacego, gdyz wtedy zmienia sie wielkosc obrazu i slad nie odzwierciedla rzeczywistych wymiarów danej czesci.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu elektrooptycznego dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu, w którym skolimowana wiazka swietlna padajac na badany przedmiot wytwarza obraz jego sylwetki, który moze byc analizowany przez programowany elektrooptyczny uklad analizujacy w sposób, który zapewnia dostarczanie bardzo dokladnej informacji o,wymiarach. Celem wynalazku jest takze opracowanie stosunkowo prostego ukladu elektrooptycznego do dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmio¬ tu poruszajacego sie z duza predkoscia na linii produkcyjnej, który to uklad jest wydajny, niezawodny i niedrogi w obsludze.

Cel ten osiagnieto wedlug wynalazku dzieki opracowaniu sposobu elektrooptycznego dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu, w którym oswietla sie przedmiot wiazka swietlna o malej rozbieznosci, obejmujaca sylwetke przedmiotu dla wytwarzania jego obrazu, którego zarysy sa okreslone przez strefe dyfrakcyjna Fresnela, analizuje sie obraz wzdluz okreslonej drogi dla dostarczania sygnalu elektrycznego, który zmienia sie zgodnie z luminancja w strefie przecinanej przez te droge, analizuje sie sygnal elektryczny dla okreslenia punktu strefy dyfrakcyjnej Fresnela, posiadajacego luminancje stanowiaca okreslony procent luminancji, która wystepowalaby przy nieobecnosci przedmiotu i uzyskuje sie informacje z okreslonego punktu, dotyczaca wymiaru przedmiotu.

Uklad elektrooptyczny do dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu zawiera zródlo swiatla dostarczajacego wiazke o malej rozbieznosci obejmujaca sylwetke przedmiotu dla wytwarzania jego obrazu, którego zarysy sa okreslone przez strefe dyfrakcyjna Fresnela, uklad analizujacy przystosowany do analizy obrazu wzdluz okreslonej drogi dla dostarczania sygnalu wizyjnego, który zmienia sie zgodnie z luminancja strefy przecinanej przez te droge, detektor poziomu przystosowany do analizowania sygnalu wizyjnego dla okreslenia punktu strefy dyfrakcyjnej Fresnela o luminancji w przyblizeniu równej 25% luminancji, która wystepowalaby przy nieobecnosci przedmiotu, i dla dostarczenia sygnalu danych w odpowiedzi na to okreslenie, oraz uklad przetwarzania danych przystosowany do uzyskiwania z niego informacji dotyczacej wymiaru przedmiotu.

Zwiekszona dokladnosc pomiarów przy wykorzystaniu sposobu elektrooptycznego wedlug wynalazku uzyskiwana jest dzieki zastosowaniu skolimowanej wiazki swietlnej o malej rozbieznosci, która umozliwia zastosowanie prostego programu dla ukladu analizujacego, realizujacego dokladne pomiary wymiarów danego przedmiotu, niezaleznie od polozenia przedmiotu wzgledem urzadzenia optycznego. Ponadto dzieki rozbieznosci wiazki zmniejsza sie znacznie wplyw szumów ukladu na statystyczne zmiany wyników pomiarów obrazu przy zmianie odleglosci przedmiotu, w zwiazku z czym minimalizuje sie dewiacje pomiarów wymiarów danego przedmiotu.

Mierzony przedmiot jest oswietlany skolimowana wiazka swietlna i jest obrazowany za pomoca ukladu optycznego posiadajacego duza aperture liczbowa (to znaczy mala wartosc ogniskowej f). Tak wytworzony obraz rzutowany jest na uklad analizujacy przystosowany do pomiaru chwilowej luminancji krawedzi zarysów obrazu przedmiotu i w zwiazku z tym do analizowania wlasnosci stref dyfrakcyjnych Fresnela, wytworzonych przez krawedz w plaszczyznie obrazu.

Wynalazek wykorzystuje odkrycie, ze przy zastosowaniu nieskonczenie malej apertury ukladu analizujace¬ go i przy braku jakiejkolwiek nieostrosci obrazu poza zwiazana z dyfrakcja Fresnela, punkt na obrazie odpowiadajacy krawedzi, która wytwarza obraz dyfrakcyjny Fresnela, jest punktem o luminancji równej 25% luminancji, która wystepowalaby przy nieobecnosci przedmiotu. W urzadzeniu wedlug wynalazku polozenie krawedzi przedmiotu moze zostac ustalone nie za pomoca przejscia ze swiatla na ciemnosc, jak to przedstawiono na podstawie wymienionych znanych urzadzen, lecz za pomoca wyzwalania momentu akcji, który ma miejsce w punkcie o 25% luminancji.101 707 3 Wplyw skonczonej srednicy apertury ukladu analizujacego na nieostrosc obrazu, zwiazany z astygmatyz- mem, koma itd. mozna obliczyc, tak ze punkt „wyzwolenia" na zboczu krzywej luminancjl, odpowiadajacy polozeniu mierzonej krawedzi, moze byc ustalony analitycznie w przypadku wystepowania tych zaklócen.

Uklad wedlug wynalazku umozliwia przeprowadzenie pomiarów wymiarów przedmiotów przy predkos¬ ciach i z dokladnoscia, które byly dotychczas nieosiagalne.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uklad elektrooptyczny do dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu w schemacie blokowym, fig.2-pierwsze rozwiazanie ukladu elektrooptycznego wykorzystujace mechaniczny uklad analizujacy, fig. 3 - drugie rozwiazanie ukladu elektrooptycznego, wykorzystujace elektroniczny uklad analizujacy fig. 4A zasade analizowania przedmiotu, fig. 4B - wykres zaleznosci analizowanej odcietej od czasu, fig. 4C - wykres amplitudy sygnalu wizyjnego w funkcji czasu i fig. 5-uklad przetwarzania danych / i wspólpracujacy z nim komputer, przystosowane do uzyskiwania z sygnalu wizyjnego informacji o wymiarach.

' Na figurze 1 jest przedstawiony uklad elektrooptyczny wedlug wynalazku, przystosowany do dokonywania pomiarów wymiarów przedmiotu przy uzyciu skolimowanej wiazki swietlnej, sluzacej do badania sylwetki mierzonego przedmiotu. Uklad zawiera zródlo 10 swiatla skolimowanego, którego promienie oswietlaja przedmiot 11 podlegajacy zobrazowaniu. Zobrazowanie jest realizowane za pomoca ukladu optycznego 12 wytwarzajacego obraz przedmiotu w ognisku na czulej powierzchni czolowej ukladu analizujacego 13* Uklad analizujacy 13 wytwarza sygnal wizyjny, który jest dostarczany do detektora 14 poziomu przystosowanego do okreslenia punktu na sladzie, w którym luminancja jest równa 25% sredniej luminancji oswietlonego obszaru, a sygnal wyjsciowy detektora jest dostarczany do ukladu 15 przetwarzania danych.

Nastepnie z ukladu 15 przetwarzania danych Informacja dotyczaca polozenia przestrzennego przedmiotu jest odbierana za pomoca techniki przetwarzania, która bedzie dalej opisana.

Uklady mechaniczne, optyczne i elektroniczne, przedstawione jako bloki na fig. 1, moga przejmowac w praktyce wiele róznych postaci.

Na figurze 2 jest przedstawione pierwsze rozwiazanie ukladu elektrooptycznego wykorzystujace mechani¬ czny uklad analizujacy, w którym oswietlenie badanego przedmiotu 11 jest realizowane za pomoca zarowego zródla 16 swiatla, którego promienie sa kierowane na zwierciadlo 17 dostarczajace wiazke promieni równoleglych odchylonych od osi. Skolimowane promienie swietlne odbite od zwierciadla sa kierowane przez uklad optyczny 12 w kierunku mechanicznego ukladu analizujacego 18 w postaci obracajacej sie plyty, posiadajacego wlasciwa aperture.

Sygnal wyjsciowy z ukladu analizujacego 18 jest skupiany przez kondensor 19, tak, ze cala energia jest dostarczana do czujnika fotoelektrycznego 20. Sygnal z czujnika 20 jest dostarczany do detektora 21 poziomu, który moze byc analogowym ukladem wskazujacym poziom, który dziala podobnie jak detektor 14 poziomu z fig 1. Sygnal wyjsciowy detektora 14 poziomu jest dostarczany do okreslonego ukladu 15 przetwarzania danych, który moze byc programowanym minikomputerem sluzacym do uzyskiwania wymaganej informacji o wymiarach i realizowania funkcji sterowania, takiej jak tlumienie sygnalów przedmiotu, które nie sa objete przez wymagana tolerancje.

Na figurze 3 jest przedstawione drugie rozwiazanie ukladu elektrooptycznego wykorzystujace elektronicz* ny uklad analizujacy, w którym zródlem oswietlenia jest laser 22 dostarczajacy promieni wyjsciowych skolimowanych w bardzo waska wiazke. Wiazka ta jest rozszerzona przez zespól soczewek 23 i 24 dla wytwarzania wiazki oswietlajacej, której szerokosc jest wlasciwa dla pokrycia calej powierzchni badanego przedmiotu 11. Zamiast mechanicznego ukladu analizujacego w rozwiazaniu tym zastosowano elektronowa lampe 25 analizujaca obraz. Promienie laserowe sa skupiane na czulej powierzchni elektronowej lampy 25 analizujacej za pomoca soczewki 26 obiektywu. Takie elektronowe lampy analizujace sluzace do tego celu sa zastosowane w wyzej wymienionych znanych urzadzeniach. Wyjsciowy sygnal wizyjny z elektronowej lampy 25 analizujacej obraz jest dostarczany do detektora 27 poziomu w celu dalszego przetwarzania.

Figura 4A przedstawia zasade analizowania przedmiotu. Na podstawie tej figury mozna zrozumiec zasade dzialania detektora 14 poziomu z fig. 1. Przedmiot 11 który ma byc zobrazowany, ma krawedz 11E, której polozenie przestrzenne ma byc zachowane. Krawedz ta jest analizowana zgodnie z technika przedstawiona w wyzej wymienionych znanych ukladach w celu uzyskania linii analizowania S. Linia analizowania S reprezentuje przeszukiwanie od punktu o wspólrzednych Xi, Yi do punktu o wspólrzednych X3, Yi na drodze przecinajacej omawiana krawedz w punkcie o wspólrzednych X2, Yi.

Na figurze 4B jest przedstawiony wykres zaleznosci analizowanej odcietej od czasu. Linia analizowana jest tak wytwarzana, ze jej polozenie przestrzenne jest liniowa funkcja czasu, jak to pokazano przez linie prosta S|.

Figura 4C przedstawia wykres amplitudy sygnalu wizyjnego w funkcji czasu. Amplituda sygnalu wizyjnego4 101707 jest pokazana dla takiej samej podstawy czasu jak dla linii S(. Amplituda sygnalu wizyjnego, który bedzie wytwarzany przy braku zjawisk dyfrakcyjnych (biorac pod uwage skonczona srednice apertury ukladu analizujacego) jest oznaczona przez Wa na wykresie amplitudy sygnalu wizyjnego w funkcji czasu. Jednakze przy wystapieniu dyfrakcji przebieg amplitudy sygnalu wizyjnego ma zwykle ksztalt oznaczony na wykresie przez Wb. Amplituda sygnalu wizyjnego osiaga wartosc ponizej wartosci wykresu Wa w czasie (to znaczy przy danym polozeniu przestrzennym), odpowiadajacym przecieciu linii analizowania S przez mierzona krawedz 11E.

Z amplitudy sygnalu wizyjnego przedstawionego przykladowo na wykresie Wb zostaje wydzielona informacja wskazujaca polozenie przestrzenne krawedzi 11E niezaleznie od zmian odleglosci od ukladu optycznego 12 do przedmiotu 11. Jak opisano powyzej, przy uzyciu swiatla skolimowanego i duzej apertury liczbowej, polozenie krawedzi 11E jest okreslane w wyniku ustalenia czasu lub polozenia X, gdyz te wartosci sa ze soba zwiazane, odpowiadajacego amplitudzie sygnalu wizyjnego przy przecieciu krawedzi 11E przez linie analizowania S.

Technika przedstawiona na fig. 4A, 4B i 4C jest skutecznym sposobem ustalania polozenia krawedzi przez ustalenie algorytmu okreslajacego krzywa w sposób ogólny. Ustalono szereg amplitud progowych Ai do Ai i i okreslono w ten sposób chwile, w której sygnal wizyjny przechodzi przez kazda z tych wartosci progowych.

Chwile czasu, w których $ygnal wizyjny przechodzi przez te wartosci progowe, sa oznaczone na fig. 4C iprzez ti, ta ... ti$. Znane wartosci amplitud progowych .AiA2...i uzyskane wartosci czasu tj.-.t,s okreslaja calkowicie ksztalt krzywej amplitudy sygnalu wizyjnego. Dzieki temu moze byc latwo ustalony czas, a wiec i polozenie X odpowiadajace przecieciu sie linii analizowania S z krawedzia 11E.

Na figurze 5 jest przedstawiony uklad przetwarzania danych i wspólpracujacy z nim komputer, przystosowany do uzyskiwania z sygnalu wizyjnego informacji o wymiarach i do ustalania wartosci czasu ti do tj« Zastosowano w nim wiele elektronicznych komparatorów Ca do C , z których kazdy posiada wlasny sygnal zadajacy, czyli sygnal odniesienia RQ do Rri, odpowiadajacy amplitudzie progowej Ai, A2 pokazanej na fig. 4C.

Sygnal wizyjny uzyskiwany z ukladu analizujacego jest dostarczany do wszystkich tych komparatorów polaczonych równolegle, tak, ze kazdy komparator porównuje sygnal wizyjny z odpowiednim sygnalem odniesienia w celu dostarczania sygnalu wyjsciowego, który zalezy od róznicy pomiedzy tymi sygnalami.

W przypadku, gdy wartosc sygnalu wizyjnego jest równa lub przekracza wartosc sygnalu odniesienia danego komparatora, na wyjsciu tego komparatora wystepuje sygnal, który jest dostarczany do ukladu 28 wprowadzenia danych do komputera 29.

Do ukladu 28 wprowadzenia danych jest takze dostarczany sygnal wskazujacy czas lub polozenie X analizowania. W wyniku tego uklad 28 wprowadzania dynych wytwarza sygnal, który jest dostarczany do komputera 29, przy czym sygnal z ukladu 28 wskazuje czas lub polozenie X, w którym sygnal wizyjny przekracza kazda z ustalonych wartosci progowych Ai .... Na podstawie tych danych moze byc ponownie ustalona krzywa amplitudy sygnalu wizyjnego i moze byc ustalone polozenie przeciecia omawianej krawedzi 11E przez linie analizowania S.

Algorytmy wykorzystywane do uzyskania powyzszego sa oparte na analizie ustalenia stosunku amplitudy sygnalu wizyjnego w polozeniu odpowiadajacym przecinaniu sie do wartosci sygnalu wizyjnego, który bylby uzyskany w przypadku braku przedmiotu wstawionego pomiedzy zródlo 10 oswietlenia i uklad analizujacy 13.

Przy opracowaniu techniki przetwarzania zmian sygnalu wizyjnego jest konieczne wziecie pod uwage, ze w praktycznych przypadkach wartosc nie napotykajacego przeszkód oswietlenia (oswietlenie bez przedmiotu na jego drodze) nie daje jednakowego sygnalu wizyjnego na calej interesujacej nas powierzchni.

Technika przedstawiona ogólnie powyzej umozliwia osiagniecie dostatecznie dokladnego przyblizenia sygnalu wizyjnego odniesienia (to znaczy wartosci, które zostalyby osiagniete bez przedmiotu), tak, ze alogorytm moze zostac zrealizowany. Jezeli byloby mozliwe uzyskanie zródla swiatla w polaczeniu z ukladem optycznym i detektorem, które wytwarzalaby równomierny sygnal wizyjny na calym interesujacym nas polu przy braku przedmiotu, mozna byloby zastosowac znacznie prostszy detektor poziomu w ukladzie przetwarza¬ nia danych. Mozliwy do zastosowania kompromis (w szczególnosci, gdy jest mozliwy do zastosowania komputer z wlasciwa pamiecia) polega na wykonaniu mapy calego interesujacego nas pola w celu okreslenia wartosci sygnalu wizyjnego na wszystkich czesciach calego pola i magazynowania tych wartosci odniesienia w kompute¬ rze. Moze to byc dokonane albo za pomoca stolu obserwacyjnego albo w postaci wielomianu o wspólrzednych X i Y. W wielu przypadkach postac wielomianu jest bardziej dogodna, gdyz zwykle wymaga ona znacznie mniejszej pojemnosci pamieci.

Mozliwy jest do zastosowania takze inny sposób uzyskiwania potrzebnej informacji sygnalu wizyjnego w funkcji polozenia X. Sposób ten jest oparty na zastosowaniu standardowych przetworników analogowo-cyfro- wych. W ukladzie stosowanym w praktyce analizowanie jest uzyskiwane za pomoca przetwornika cyfrowo-ana-101707 6 logowego. W celu osiagniecia maksymalnej dokladnosci przetwornik cyfrowo-analogowy jest sterowany ze stosunkowo mala predkoscia, to znaczy 2 mikrosekundy na stopien. Przy tej predkosci czas narastania sygnalu wizyjnego uzyskiwanego przy zastosowaniu standardowej apertury ukladu analizujacego, równej 0,01", jest rzedu 150 mikrosekund. Dzieki temu dokonanie pomiaru przy pietnastu pomiarach amplitudy jest mozliwe co mikrosekund pomiedzy przetwarzaniem analogowo-cyfrowym, które jest latwo osiagalne przy zastosowaniu dostepnych ukladów analogowo-cyfrowych posiadajacych wymagana rozdzielczosc. W praktyce wykorzystujacej takie przetworniki analogowo-cyfrowe odczyt na wyjsciu przetwornika analogowo-cyfrowego do ukladu wprowadzania danych do komputera nastepuje co 10 mikrosekund (to znaczy co 5 stopni przetwornika cyfrowo-analogowego stosowanego do wytwarzania linii analizowania).

Nalezy zaznyczyc, ze przedstawione powyzej warunki okreslania krzywej sa trudne i znacznie bardziej ogólne niz w rzeczywistosci wymaganych warunkach w wiekszosci przypadków. Jezeli ustalone parametry ukladu sa znane wczesniej, bedzie mozliwe w wiekszosci przypadków skupic razem ich skutki w taki sposób, ze okreslenie krzywej moze zostac zrealizowane przy znacznie mniejszej liczbie niz pietnascie punktów.

W wiekszosci istniejacych w praktyce przypadków uwaza sie, ze okreslanie krzywej moze zostac zrealizowane przy uzyciu dwóch lub trzech punktów próbkujacych krzywe.

Podajac w skrócie, wynalazek jest oparty na stwierdzeniu, ze pewne klasyczne pojecia sa zalezne od glebi ostrosci, rozmiaru apertury i wartosci f, jako najbardziej ograniczajacych rozdzielczosc. Wszystkie uprzednie analizy zostaly przeprowadzone dla czujnika typu calkujacego, takiego jak oko ludzkie lub czuly film, gdzie dyfrakcja Fresnela powoduje wzrost nieostrosci krawedzi, która jest w wiekszosci nierozróznialna od nieostrosci spowodowanej przez rozogniskowanie. Te dwa rodzaje nieostrosci byly uprzednio laczone razem, prowadzac do wniosku, ze wzrost rozdzielczosci powodowal zmniejszenie sie glebi ostrosci.

Przy zastosowaniu czujnika typu analizujacego w sposób wedlug wynalazku, który moze mierzyc ksztalt krawedzi, mozliwe jest rozdzielenie glebi ostrosci i rozdzielczosci, jak to teraz okreslono. To nowe okreslenie rozdzielczosci jest operacyjne, oparte na zdolnosci ukladu analizujacego wedlug wynalazku do dzielenia wzorów dyfrakcji Fresnela na jej poszczególne elementy. Za pomoca takich elementów analizujacych mozna okreslic, który z tych elementów odpowiada polozeniu plaszczyzny obrazu, reprezentujacej krawedz przedmiotu.

W wyniku czego zwieksza sie rozdzielczosc operacyjna ukladu poza rozdzielczosc osiagana przez oko lub film.

Wedlug wynalazku dzieki wykorzystaniu tego nowego okreslenia rozdzielczosci operacyjnej mozna sterowac badaniem obrazów, które maja bardzo skomplikowane wzory dyfrakcyjne przy ich krawedziach i dokladnie okreslac polozenie plaszczyzny obrazu, odpowiadajacej interesujacemu nas przedmiotowi. Mozna oddzielnie sterowac glebia ostrosci za pomoca wartosci f, to znaczy rozbieznosci ukladu oswietlajacego. Dzieki zastosowaniu zródla swiatla dajacego wysoce skomplikowana wiazke, mozna uzyskac glebie ostrosci nieomal tak duza, jak sobie zyczymy. Dzieki zastosowaniu dosc dlugiego okresu przetwarzania informacji uzyskiwanej w wyniku analizy okreslanej krawedzi, mozna zwiekszyc rozdzielczosc operacyjna do niemal dowolnego wymaganego stopnia.

Wplyw skonczonej srednicy apertury ukladu analizujacego i nieostrosci zwiazanej z koma i innymi czynnikami moze zostac obliczony, tak, ze punkt wyzwalania na wykresie luminancji, który odpowiada polozeniu krawedzi, moze zostac uzyskany analitycznie przy wystapieniu tych zaklócen. Obliczenie to moze byc dokonane za pomoca splotu calki klasycznej dyfrakcji Fresnela z funkcjami przeniesienia zaklócen (takich jak skonczona srednica apertury ukladu analizujacego itd). Jezeli te funkcje przeniesienia wystepuja imaja znaczny wplyw na pomiary wymiaru przedmiotu, wówczas musza byc zastosowane dwa punkty wyzwalania, na przyklad o 25% i 50% luminancji, w celu kompensacji wplywu na wzajemne oddzialywanie dyfrakcji Fresnela z ruchem przedmiotu w kierunku do i od elektrooptycznego ukladu analizujacego.

W sposobie i ukladzie wedlug wynalazku wzieto pod uwage podstawowe zasady, polegajace na tym, ze skolimowana wiazke swietlna, która obrysowuje sylwetke przedmiotu, mozna w przyblizeniu porównac pod wzgledem zachowania z równoleglymi szczekami suwmiarki, poniewaz wymiary tej sylwetki (pomijajac wplyw dyfrakcji i rozbieznosci) sa stale wzdluz wiazki swietlnej i niezalezne od polozenia przedmiotu. Bardziej szczególowo nastepujace zasady sa oparte na tym, ze rzeczywiste wymiary przedmiotu, którego sylwetka jest obrysowywana przez skolimowana wiazke swietlna, sa uzyskiwane w sposób dokladny i,precyzyjny za pomoca miejsc geometrycznych w obszarach gradientu luminancji na krawedzi sylwetki obrazu, w których poziom natezenia fotometrycznego wynosi 25% poziomu tla oswietlenia nietlumionego.

Szerokosc rozmazania krawedzi obrazu przedmiotu, oznaczona przez B (mierzone pomiedzy miejscami geometrycznymi o 10% i 90% natezenia) przy odleglosci okreslonej przez ±D i przy oswietleniu przez skolimowana wiazke swietlna o dlugosci fali X, jest okreslona równaniem b«vXd7!.6 101 707 Zasady te zostaly ustalone w wyniku roszerzenia klasycznej teorii stref dyfrakcyjnych Presnela dla wlaczenia oddzialywania ukladu optycznego na prostej krawedzi obrazu.

Dzieki zastosowaniu ukladu analizujacego wedlug wynalazku, zaprogramowanego w celu uzyskania polozen punktów o 25% poziomie natezenia na krawedziach obrazu, mozna wykorzystac wymieniona zasade dla przeprowadzenia pomiarów przedmiotu. W praktyce ten uklad analizujacy byl wykorzystywany do dokonywa¬ nia pomiarów wymiarów przedmiotu niezaleznie od polozenia przedmiotu z dokladnoscia daleko przekraczajaca zdolnosc ludzkiej struktury oko/mózg. W istocie wykorzystanie 25% poziomów luminancji oddzialywuje na dane wyjsciowe (to znaczy wymiary przedmiotu) i umozliwia przetwarzanie danych do szczególnie korzystnej postaci na wyjsciu.

Zastosowanie wiazki swietlnej o malej rozbieznosci, która obrysowuje zarysy obrazu, ma znaczenie w niniejszym sposobie ze wzgledu na to, ze minimalizuje ona nieostrosc obrazu zwiazana z niedokladnoscia polozenia przedmiotu i w wyniku tego zwieksza dokladnosc pomiaru przy zastosowaniach na liniach produkcyjnych.

Rozdzielczosc ukladu optycznego jest odwrotnie proporcjonalna do srednicy jego rzeczywistej apertury optycznej, inaczej mówiac, ze rozdzielczosc jest odwrotnie proporcjonalna do apertury optycznej liczbowej przesylanego strumienia. Glebia ostrosci ukladu optycznego jest odwrotnie proporcjonalna do apertury optycznej liczbowej przesylanego stozka swietlnego. W zwiazku z tych fachowcy moga przypuszczac, ze rozdzielczosc obrazu jest odwrotnie proporcjonalna do glebi ostrosci w ukladzie optycznym z ograniczona dyfrakcja.

Jednakze odkryto, ze ta odwrotna zaleznosc pomiedzy rozdzielczoscia a glebia ostrosci nie jest jednakze prawdziwa w szczególnym przypadku obrazu sylwetki, wytworzonego przy konturowym oswietleniu Skolimowa* na wiazke o malej rozbieznosci. W tym przypadku rodzieJczosc jest jeszcze w przyblizeniu odwrotnie proporcjonalna do apertury optycznej liczbowej obiektywu, lecz glebia ostrosci jest teraz w przyblizeniu odwrotnie proporcjonalna do rozbieznosci padajacego strumienia przy górnej granicy okreslanej przez szerokosc rozmazania na skutek dyfrakcji Fresnela. W wyniku tego glebia ostrosci moze byc teraz zasadniczo zwiekszona dla danej rozdzielczosci obrazu. Te róznice w zaleznosci funkcyjnych glebi ostrosci I rozdzielczosci sa zwiazane z nieliniowoscia dyfrakcji strumienia promieniowania w poblizu badanego przedmiotu.

.Nalezy zaznaczyc, ze klasyczny dowód na zaleznosci rozdzielczosci obrazu od glebi ostrosci jest wyprowadzony w oparciu o zalozenie liniowego pola strumienia i równomiernego rozkladu natezenia oswietlenia zbieranego przez aperture ukladu optycznego, podczas gdy wynalazek dotyczacy bezstykowego miernictwa elektrooptycznego narusza to domniemane zalozenie.

Nalezy równiez zaznaczyc, ze zastosowanie wiazki swietlnej o malej rozbieznosci powoduje wzrost nieostrosci obrazu o wspólczynnik równy 1,4 w porównaniu z optymalna rozdzielczoscia przy ograniczonej dyfrakcji uzyskiwanej, gdy rozbieznosc oswietlenia jest dopasowana do apertury liczbowej ukladu optycznego.

Dla kompensacji tego 40% zmniejszenia rozdzielczosci obrazu, mozna jednakze zrealizowac wzrost glebi ostrosci wiekszy niz o rzad wielkosci. Ponadto 40% strata ostrosci moze byc latwo odzyskana dzieki zastosowaniu programowanego ukladu analizujacego realizujacego 25% wartosci luminancji wedlug teorii omawianej uprzednio. Ta znacznie zwiekszona tolerancja co do ruchu przedmiotu ma istotne znaczenie praktyczne w wielu zastosowaniach przemyslowych.

W sposobie wedlug wynalazku rozdzielczosc ukladu jest ograniczona glównie przez statystyczne fluktuacje zarysu fotometrycznego analizowanej krawedzi sylwetki. Te fluktuacje sa zwiazane z szumami srutowymi przy zliczaniu skwantowanych fotonów w chwilowym obszarze obrazu podlegajacego obserwacji. Takie szumy powoduja glówne ograniczenie dokladnosci, z jaka moze byc zmierzona w krótkim okresie czasu luminancja danej plamki na krawedzi. Jednakze to ograniczenie dokladnosci pomiarów lezy daleko poza ludzka zdolnoscia wzrokowa. Dla przykladu w proponowanym rozwiazaniu ukladu wedlug wynalazku mozna dokonywac pomiary z dokladnoscia lepsza niz 1,27 mikrometra w czasie krótszym niz 10 milisekund.

W sposobie wedlug wynalazku zródlo swiatla moze byc zarówno zarowe jak i koherentne, jego rozbieznosc moze byc sterowana przez dobór apertury, kolimacja moze byc uzyskiwana za pomoca soczewek czy zwierciadel, analizowanie moze byc realizowane zarówno mechanicznie jak i elektrooptycznie, detekcja swiatla moze byc realizowana zarówno w wyniku emisji fotoelektrycznej jak i fotoprzewodnictwa a przetwarza¬ nie danych moze byc realizowane zarówno w technice analogowej jak i cyfrowej. Pomimo tego, ie wynalazek jest opisany w oparciu o zastosowanie swiatla widzialnego jako zródla energii promienistej nalezy rozumiec, ze w przypadku zastosowania energii termicznej obejmuje ona energie promienista w niewidzialnych czesciach widma, takiej jak energia podczerwona.

Pomimo tego, ze wykonania wynalazku zostaly opisane w oparciu o wiazke swietlna, która jest101707 7 skolimowana, wynalazek nie jest scisle ograniczony do zastosowania swiatla skolimowanego. Ogólnie mozna zastosowac wiazke o malym stopniu zbieznosci lub rozbieznosci (to znaczy malo rozbiezna wiazke swietlna) przy pomiarach pewnych rodzajów przedmiotów w celu ograniczenia wplywu pewnych warunków geometrycz¬ nych, takich jak odbicie bocznej sciany lub kat zbieznosci przy wymaganych pomiarach wymiarów. W tych przypadkach program ukladu analizujacego, dajacy w wyniku wymiary przedmiotu, musi zawierac element korekcyjny, który zalezy od wzajemnego oddzialywania nieskolimowanej wiazki swietlnej i ruchu przedmiotu.

Claims (10)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób elektrooptycznego dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu, znamien¬ ny t y m, ze oswietla sie przedmiot wiazka swietlna o malej rozbieznosci, obejmujaca sylwetke przedmiotu dla wytwarzania jego obrazu, którego zarysy sa okreslone przez strefe dyfrakcyjna Fresnela, analizuje sie obraz wzdluz okreslonej drogi dla dostarczania sygnalu elektrycznego, który zmienia sie zgodnie z luminancja strefy przecinanej przez te droge, analizuje sie sygnal elektryczny dla okreslenia punktu strefy dyfrakcyjnej Fresnela, posiadajacego luminancje stanowiaca okreslony procent luminancji, która wystepowalaby przy nieobecnosci przedmiotu i uzyskuje sie informacje z okreslonego punktu, dotyczaca wymiaru przedmiotu.

2. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze stosuje sie skolimowana wiazke swietlna.

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny ty m, ze analizuje sie sygnal elektryczny dla okreslenia punktu strefy o luminancji w przyblizeniu równej 25% luminancji, które wystepowaloby przy nieobecnosci przedmiotu.

4. Uklad elektrooptyczny do dokonywania bezstykowych pomiarów wymiarów przedmiotu, znamien¬ ny tym, ze zawiera zródlo (10) swiatla dostarczajace wiazke o malej rozbieznosci, obejmujaca sylwetke przedmiotu (11) dla wytwarzania jego obrazu, którego zarysy sa okreslone przez strefe dyfrakcyjna Fresnela, uklad analizujacy (13) przystosowany do analizy obrazu wzdluz okreslonej drogi dla dostarczania sygnalu wizyjnego, który zmienia sie zgodnie z luminancja strefy przecinanej przez te droge, detektor (14) poziomu przystosowany do analizowania sygnalu wizyjnego dla okreslenia punktu strefy dyfrakcji Fresnela o luminancji w przyblizeniu równej 25% luminancji, która wystepowalaby przy nieobecnosci przedmiotu i dla dostarczenia sygnalu danych w odpowiedzi na to okreslenie oraz uklad (15) przetwarzania danych reagujacych na sygnal danych, przystosowany do uzyskania z niego informacji dotyczacej wymiaru przedmiotu (11).

5. Uklad wedlug zastrz. 4, z n a m i e n n y t y m, ze zródlo (10) swiatla stanowi zarowe zródlo (16) swiatla, którego promienie sa zbierane przez odchylenie od osi zwierciadla (17) dostarczajacego wiazke promieni równoleglych, które sa z kolei kierowane w strone przedmiotu (11).

6. Uklad wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze zródlo (10) swiatla stanowi laser (22) przystosowany do dostarczania waskiej skolimowanej wiazki swietlnej skierowanej w strone przedmiotu i zespól soczewek (23 i 24) przystosowany do rozszerzania wiazki dla obejmowania przez nia powierzchni przedmiotu.

7. Uklad wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze uklad analizujacy (13) zawiera obracajaca sie plyte (18) z apertura, wspólpracujaca ze swiatloczulym detektorem.

8. Uklad wedlug zastrz. 4, z n,a m i e n n y t y m, ze uklad analizujacy (13) zawiera elektronowa lampe (25) analizujaca obraz.

9. Uklad wedlug zastrz.,4, znamienny tym, ze detektor poziomu zawiera analogowy uklad regulacji poziomów dla okreslania luminancji strefy.

10. Uklad wedlug zastrz. 4, z n a m i,e n n y tym, ze detektor poziomu zawiera wiele komparatorów (Ca... Cn), do których jest dostarczany sygnal wizyjny, przy czym kazdy komparator posiada odmienny poziom odniesienia.101 707 S7G / 3 2_ *l ^ A ...„£ ^/a? /? li-// ¥" /7<£,/ ¦**-J /y&ss /7G.4A. r/asc. '/ 4>6 64r44- Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120 + 18 Cena 45 zl