RU2184933C1

RU2184933C1 - Устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов

Info

Publication number: RU2184933C1
Application number: RU2001104813/28A
Authority: RU
Inventors: А.В. Климов; С.В. Суховей; А.Л. Юхин
Original assignee: Климов Андрей Владимирович; Суховей Сергей Владимирович; Юхин Артем Леонидович
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-07-10
Also published as: EP1371942A1; WO2002066925A1

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. Устройство реализует метод структурированной подсветки. Оно содержит источник оптического излучения, транспарант, выполненный в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения, дополнительный объектив, объектив, фоторегистратор и цифровой электронный блок. Цифровой электронный блок выполнен с дополнительным выходом для управления пространственными модуляторами интенсивности оптического излучения, соединенным со входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения. Структурированная подсветка объекта формируется в виде апериодической системы полос, поэтому каждая полоса, искаженная рельефом поверхности контролируемого объекта, однозначно идентифицируется. Изобретение позволяет повысить точность и достоверность контроля линейных размеров объектов. 5 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.

Известны устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности.

Известен способ и устройство, его реализующее, для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ, содержит лазер, сканер, объектив, фоторегистратор, и блок обработки информации (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 98 /27514 от 25.06.98, заявка РСТ / IB97/01649 от 15.12.96 г.).

Недостатком известного устройства является низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.

Известен способ и устройство, его реализующее, для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных периодических полос. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения камеры часть поверхности и судят о контролируемых размерах по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержит источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением радужных полос, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины радужных полос, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот рельефа. (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 00/70303, РСТ/ US99/70303, кл. G 01 B 11/24, 23.11.2000).

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная неоднозначным отражением подсвечивающего пучка от поверхности цветного объекта, и отсутствие в отраженной картине информации о сквозных отверстиях.

Известен способ и реализующие его устройства контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система концентрических полос, создаваемая путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения по меньшей мере два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого объекта (см., например, М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, сквозные отверстия таким образом также не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа координат контролируемой поверхности устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат контролируемой поверхности по формуле

где Z - значение высоты профиля поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры; ΔY - величина искривления полосы в этой точке; α - угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива (см. например описание изобретения к патенту РСТ WO 99/58930, PCT/US99/106777, кл. G 01 B 11/24, 1999 г.).

Недостатками известного устройства является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного транспарантом вдоль одной координаты, возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями и тем более сквозными отверстиями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Поскольку высота рельефа определяется по величине искажений линий, отсутствие в изображении собственно линий не позволяет распознать отверстия на контролируемой поверхности. Кроме того, при определенных значениях впадин и выпуклостей на поверхности, по искажениям полос, величина которых превышает расстояние между полосами, невозможно идентифицировать высоту рельефа и две другие координаты. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля, поскольку контролируемый объект может располагаться без жесткого позиционирования благодаря снабжению устройства дополнительным объективом и выполнению транспаранта в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения, а электронный цифровой блок выполнен с дополнительным выходом для управления пространственными модуляторами интенсивности оптического излучения.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом.

Новизна предложенного устройства усматривается в том, что оно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным в виде афокальной оптической системы, вторым электронным блоком сложения цифровых изображений, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом - со входом первого электронного цифрового блока, транспарант выполнен в виде управляемого пространственного модулятора интенсивности оптического излучения с возможностью формировать структурированную подсветку в виде апериодической системы полос, первый электронный цифровой блок снабжен дополнительным выходом, соединенным с входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и выполнен с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники. Предложенное устройство является промышленно применимым существующими средствами, так как его реализация не требует создания новых элементов, материалов и технологий, поскольку пространственные модуляторы интенсивности оптического излучения реализуются с помощью жидких кристаллов, и соответствует критерию "изобретательский уровень", так как оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо элементов и связей между элементами, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленных на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит источник 1 излучения, транспарант 2, дополнительный объектив 3, установленный за транспарантом 2 на расстоянии, равном проекционному, объектив 4, фоторегистратор 5, установленный в плоскости изображения объектива 4, дополнительный электронный блок 6, соединенный своим входом с выходом фоторегистратора 5, цифровой электронный блок 7, вход которого соединен с выходом дополнительного электронного блока 6, а выход - с управляющим входом транспаранта, выполненного в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения.

На фиг. 2 изображена первая реализация функции пропускания транспаранта 2.

На фиг.3 приведена вторая реализация функции пропускания транспаранта 2. Сплошные линии на фиг.2 и 3 кодируются единицей, пунктирные соответствуют отсутствию полосы в реальном транспаранте и кодируются нулем. Обе реализации цифрового изображения линейчатой структуры и соответствующий им код в виде последовательности нулей и единиц хранятся в памяти цифрового блока 6.

На фиг.4 приведено цифровое (бинарное) изображение линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта при ее искажениях рельефом поверхности при подсветке линейчатой структурой, изображенной на фиг.2.

На фиг.5 приведено цифровое (бинарное) изображение линейчатой структуры, возникающее после сложения двух вышеуказанных изображений в дополнительном электронном блоке 6.

Устройство работает следующим образом. Изображение управляемого транспаранта 2 с помощью дополнительного объектива 3 проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой однозначным образом искажает изображение транспаранта 2. Объектив 4 проецирует возникающую на поверхности картину искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки на чувствительную площадку фоторегистратора 5. Дополнительный электронный блок 6 осуществляет сложение цифрового изображения, поступающего с выхода фоторегистратора 5 с содержимым своей памяти (первоначально в памяти хранится совокупность нулей). Одновременно в памяти дополнительного электронного блока 6 записывается последовательность единиц и нулей, кодирующая последовательность линий в структурированной подсветке, сформированной первой реализацией функции пропускания транспаранта 2 (то есть -"1" линия есть, "0" - линии нет).

Перечисленная выше последовательность повторяется второй раз, но при этом по сигналу с выхода первого цифрового электронного блока 7 транспарант 2 формирует структурированную подсветку, соответствующую второй реализации функции пропускания транспаранта 2 (фиг.3). В памяти дополнительного электронного блока 6 формируется суммарная картина линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта (фиг. 4). одновременно в памяти дополнительного электронного блока 6 формируется код, полученный суммированием кодовых последовательностей, соответствующих кодам первой и второй реализации функции пропускания транспаранта 2. При этом сумме двух единиц (т.е. изображений двух линий соответствует код "11"), а сумме изображений линии и пробела - коды "10", либо "01".

Таким образом каждая линия (полоса) в цифровом (бинарном) изображении линейчатой структуры, возникающая после сложения двух вышеуказанных изображений в дополнительном электронном блоке 6, кодируется номером в виде двоичного кода. Число повторений вышеописанного цикла устанавливается в зависимости от размеров изображения регистрируемого объекта и практически ничем не ограничено.

Поскольку расстояния между полосами, образующими структурную подсветку, в зарегистрированной картине не повторяются, при обработке изображения в цифровом электронном блоке каждая полоса, искаженная рельефом поверхности контролируемого объекта, однозначно идентифицируется по своему коду (номеру), что, в свою очередь, делает возможным однозначно вычислять высоту рельефа и соответствующую пару координат. В результате повышается точность и достоверность контроля.

Данное предложение может с успехом использоваться в технологических процессах формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п.). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики.

Литература
Техническое зрение роботов. - Под. ред. А. Пью.; пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1987. С.56-57
М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143.

Claims

Устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, пересчитывающий фиксируемые фоторегистратором цифровые изображения в величины координат контролируемой поверхности по формуле

где Z - значение высоты профиля поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры;
ΔY - величина искривления полосы в этой точке;
α - угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива,
отличающееся тем, что оно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным в виде афокальной оптической системы, вторым электронным блоком сложения цифровых изображений, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом - со входом первого электронного цифрового блока, транспарант выполнен в виде управляемого пространственного модулятора интенсивности оптического излучения с возможностью формировать структурированную подсветку в виде апериодической системы полос, первый электронный цифровой блок снабжен дополнительным выходом, соединенным со входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и выполнен с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения.