RU2650840C1 - Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile - Google Patents
Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650840C1 RU2650840C1 RU2016151930A RU2016151930A RU2650840C1 RU 2650840 C1 RU2650840 C1 RU 2650840C1 RU 2016151930 A RU2016151930 A RU 2016151930A RU 2016151930 A RU2016151930 A RU 2016151930A RU 2650840 C1 RU2650840 C1 RU 2650840C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- surface profile
- profilometer
- stabilization system
- determining
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.The invention relates to the field of measuring technology, in particular to devices for optical non-contact measurement of the surface profile, and can be used to measure the parameters of roughness, surface roughness, such as road surface, metal surface and products of complex shape.
Известен лазерный профилометр для контроля профиля изделий сложной формы (патент РФ 2285234, опубл. 10.10.2006). Лазерный профилометр содержит лазерные источники щелевой подсветки, формирующие плоские световые пучки, телекамеру и компьютер для вычисления параметров контролируемого сечения, два дополнительных объектива, оптические оси которых находятся в плоскости, образованной осями лазеров и продольной осью, а также отражатель. Точки фокусов дополнительных объективов совпадают друг с другом и с точкой пересечения осей лазеров и продольной осью измеряемого изделия.Known laser profilometer to control the profile of products of complex shape (RF patent 2285234, publ. 10.10.2006). The laser profiler contains laser sources of slit illumination, which form flat light beams, a television camera and a computer for calculating the parameters of the controlled section, two additional lenses whose optical axes are in the plane formed by the laser axes and the longitudinal axis, as well as a reflector. The focal points of the additional lenses coincide with each other and with the point of intersection of the laser axes and the longitudinal axis of the measured product.
Недостаток этого профилометра - невысокая точность фокусировки дополнительных объективов и совмещения даваемых ими изображений, т.к. эти операции основаны на субъективном критерии разности изображений контролируемых изделий.The disadvantage of this profiler is the low accuracy of focusing additional lenses and combining the images they provide, because these operations are based on the subjective criterion of the difference in the image of the controlled products.
Известен лазерный профилометр - дальномер (патент РФ 2082090, опубл. 20.06.1997), который содержит источник формирования лазерного луча с приводом сканирования лазерного луча, приемник отраженного луча с фотодиодом и усилителем на его выходе и вычислительное устройство со схемами сравнения и управления.Known laser profilometer - range finder (RF patent 2082090, publ. 06/20/1997), which contains a source of laser beam formation with a scanning drive of the laser beam, a reflected beam receiver with a photodiode and an amplifier at its output, and a computing device with comparison and control circuits.
Недостатком данного устройства является конструктивная сложность схемы дальномера, а также возможность влияния многих факторов, способных внести ошибки в результаты измерений.The disadvantage of this device is the structural complexity of the rangefinder circuit, as well as the possibility of the influence of many factors that can introduce errors into the measurement results.
Наиболее близким по технической сущности является лазерный профилометр для измерения геометрических параметров профиля дороги (патент РФ 2201577, опубл. 27.03.2003), содержащий лазерные излучатели с оптическими системами для преобразования пучка лазерного света в линию и оптические приемники отраженных излучений. Оптические приемники отраженных излучений выполнены в виде камеры - матричного фотоприемника, преобразующей отраженные линейные излучения в аналоговые сигналы по форме профиля дороги, и соединены с системой обработки информации. Система обработки информации содержит преобразователи отраженных излучений в аналоговые сигналы, преобразователи аналоговых сигналов, процессорный блок, программный комплекс, ЭВМ. Каждый преобразователь аналоговых сигналов выполнен в виде компаратора, выделяющего из аналогового сигнала часть, соответствующую отраженному излучению, и преобразующего эту часть аналогового сигнала в TTL-уровень. Процессорный блок выполнен с возможностью суммирования сигналов TTL-уровня в заданные отрезки времени.The closest in technical essence is a laser profilometer for measuring the geometric parameters of the road profile (RF patent 2201577, publ. 03/27/2003), containing laser emitters with optical systems for converting a laser light beam into a line and optical receivers of reflected radiation. The optical receivers of the reflected radiation are made in the form of a camera - a matrix photodetector that converts the reflected linear radiation into analog signals in the form of a road profile, and is connected to the information processing system. The information processing system contains converters of reflected radiation into analog signals, converters of analog signals, a processor unit, a software package, a computer. Each converter of analog signals is made in the form of a comparator, extracting from the analog signal a part corresponding to the reflected radiation, and converting this part of the analog signal to the TTL level. The processor unit is configured to sum TTL level signals at predetermined time intervals.
Недостатком данного устройства является конструктивная сложность системы обработки информации, а также невозможность исключения температурных факторов, влияющих на погрешность измерения, что снижает точность измерения геометрических параметров профиля поверхности. Также не учитывается безопасность работы при использовании профилометра с лазерным источником, особенно если профилометр работает в невидимом диапазоне длин волн.The disadvantage of this device is the structural complexity of the information processing system, as well as the inability to exclude temperature factors affecting the measurement error, which reduces the accuracy of measuring the geometric parameters of the surface profile. Also, safety is not taken into account when using a profilometer with a laser source, especially if the profilometer operates in the invisible wavelength range.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшение погрешности работы профилометра при упрощении его конструкции. Также увеличивается безопасность работы данного устройства.The technical task of this invention is to increase the accuracy of the measurement by reducing the error of the profilometer while simplifying its design. Also increases the safety of this device.
Поставленная задача достигается тем, что лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит источник лазерного излучения с преобразователем лазерного пучка в линию, оптический матричный приемник отраженного излучения и устройство обработки информации. Новым является то, что источник лазерного излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме со встроенной системой стабилизации температуры. По ходу отраженного луча перед оптическим матричным приемником введен по крайней мере один узкополосный интерференционный светофильтр. Кроме этого использован полупроводниковый лазер, работающий в видимом красном диапазоне длин волн, система стабилизации температуры выполнена на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры. Устройство для обработки информации выполнено в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности.The task is achieved in that the laser profilometer for determining the geometric parameters of the surface profile contains a laser radiation source with a laser beam in-line converter, an optical matrix receiver of reflected radiation and an information processing device. What is new is that the laser radiation source is made in the form of a semiconductor laser operating in a pulsed mode with an integrated temperature stabilization system. Along the reflected beam, at least one narrow-band interference filter is introduced in front of the optical matrix receiver. In addition, a semiconductor laser operating in the visible red wavelength range was used, the temperature stabilization system is based on Peltier elements with a control controller and a temperature sensor. The information processing device is designed as a programmable logic controller with real-time signal processing and surface profile calculation.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.
Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности содержит (фиг. 1) источник лазерного излучения 1, который представляет собой полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме, преимущественно в видимом красном диапазоне длин волн. Сконструирован по предлагаемому изобретению профилометр, где выбран полупроводниковый лазер, например ML501P73, работающий в видимом красном диапазоне длин волн (длина волны 638 нм). Полупроводниковый лазер снабжен системой стабилизации температуры 9, выполненной на основе элементов Пельтье с управляющим контроллером и датчиком температуры, расположенной на одной подложке с полупроводниковым лазером. За счет встроенной системы стабилизации температуры длина волны полупроводникового лазера поддерживается с точностью ±0,5 нм. По ходу лазерного луча расположен преобразователь светового пучка в линию (оптический генератор линии) 2, состоящий из коллиматора и призмы в форме, например, полусферы или треугольника. Лазерный пучок попадает сначала на коллиматор, а затем на призму, которая разворачивает сфокусированный пучок лазера в линию длиной от 1 м до 1,3 м вдоль контролируемой поверхности 5 и образует в пространстве световую плоскость 3. Отраженный от контролируемой поверхности 5 световой луч попадает в узкополосный интерференционный светофильтр 6, затем на оптический матричный приемник 8 и устройство обработки информации 4. В оптимальном случае используют набор из двух светофильтров. Каждый из интерференционных светофильтров 6 работает на свой угол обзора, что в совокупности со стабилизацией длины волны лазерного излучения позволяет использовать светофильтры с очень узкой полосой пропускания. Оптический приемник 8 в виде матрицы имеет n строк и m столбцов и преобразует полученное световое излучение в оцифрованное изображение линии 7 профиля поверхности измеряемого объекта. Оцифрованное изображение с матричного приемника 8 передается на устройство обработки информации 4, которое выполнено в виде программируемого логического контроллера с обработкой сигнала в реальном времени и вычислением профиля поверхности. Контроллер 4 может быть выполнен на базе сигнального процессора, который подключен к управляющему компьютеру 10 по интерфейсу Fast Ethernet. Для подключения необходимо наличие в компьютере сетевой карты, поддерживающей скорость не менее 100 Мбит.The laser profilometer for determining the geometric parameters of the surface profile contains (Fig. 1) a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
В основе работы устройства лежит принцип лазерной триангуляции. На поверхность 5 измеряемого объекта проецируют линию лазерного излучения 3, формируемую полупроводниковым лазером 1 с оптическим генератором линии 2. Отраженное от поверхности 5 излучение проецируют узкополосными светофильтрами 6 на матрицу оптического приемника 8, оцифровывают и передают на программируемый логический контроллер 4, где происходит обработка сигнала в реальном времени с вычислением профиля контролируемой поверхности 5. По полученному изображению контура объекта на контроллере 4 рассчитывают расстояние до поверхности объекта 5 (координата Z) для каждой из множества точек вдоль лазерной линии на объекте (координата X). Полупроводниковый лазер 1 снабжен встроенной системой стабилизации температуры 9, выполненной на основе элементов Пельтье, которые за счет поддержания постоянной температуры обеспечивают стабилизацию длины волны лазерного излучения в пределах ±0,5 нм. Постоянную температуру задают с помощью контроллера системы стабилизации 9 и поддерживают, например, T=20°C. Заданную температуру контролируют датчиком температуры системы стабилизации 9. Стабилизация длины волны лазерного излучения в предела ±0,5 нм позволяет использовать светофильтры с очень узкой полосой пропускания и получать на оптическом приемнике более точное изображение контролируемой поверхности за счет получения большего количества точек в профиле и более качественного построения изображения поперечного профиля. Лазерный профилометр характеризуется началом рабочего диапазона по координате Z, рабочим диапазоном по координате Z, рабочим диапазоном по координате X в начале рабочего диапазона по Z и в конце рабочего диапазона по Z. При этом по координате X мы можем получать на оптическом приемнике 8 до 2048 точек на длине 1,2 метра, что соответствует 0,6 мм разрешения по координате X. Информация с контроллера 4 поступает в компьютер 10 по интерфейсу Fast Ethernet, который осуществляет прием информации с профилометра и обеспечивает управление его режимами. При этом абсолютная погрешность определения расстояния до поверхности объекта по координате Z составляет не более ±1 мм во всем диапазоне вне зависимости от местоположения объекта по координате X. Такая погрешность измерения достигнута за счет использования в предлагаемом устройстве полупроводникового лазера, работающего в импульсном режиме с использованием системы стабилизации температуры и использования узкополосных интерференционных светофильтров. Использование импульсного режима в работе полупроводникового лазера позволяет получить достаточную мощность излучения для работы в условиях солнечного освещения, а также позволяет избежать перегрева лазерного диода при обеспечении его термостабилизации. Все это позволяет уменьшить погрешность и повысить точность измерений каждой точки профиля контролируемой поверхности. Как следствие, уменьшается погрешность при измерении высоты и длины объекта. Это позволяет, например, с большей точностью определить геометрические размеры профиля дорожного полотна в дневное время даже при работе на фоне засветки от солнечного света. Использование красной длины волны лазерного излучения повышает класс лазерной безопасности устройства за счет использования видимого спектра длин волн. Использование коллиматора и призмы, которая рассеивает сфокусированный пучок света лазера в линию, длина которой составляет от 1 до 1,3 метра, позволяет снизить интенсивность света в профиле до незначительных показателей и отнести профилометр ко второму классу по безопасности лазерного излучения. Также по сравнению с прототипом предложенное устройство имеет более простую конструкцию за счет упрощения устройства обработки информации, выполненного на базе программируемого логического контроллера.The device is based on the principle of laser triangulation. A
Таким образом, лазерный профилометр представляет собой автоматизированную систему, способную с большей точностью контролировать геометрические параметры профиля поверхности, контурные размеры объекта, взаимное расположение деталей, отклонение от плоскостности.Thus, the laser profilometer is an automated system that can more accurately control the geometric parameters of the surface profile, the contour dimensions of the object, the relative position of parts, and deviation from flatness.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016151930A RU2650840C1 (en) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016151930A RU2650840C1 (en) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2650840C1 true RU2650840C1 (en) | 2018-04-17 |
Family
ID=61976910
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016151930A RU2650840C1 (en) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2650840C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU194436U1 (en) * | 2019-09-24 | 2019-12-11 | Закрытое акционерное общество "Ультракрафт" (ЗАО "Ультракрафт") | DEVICE FOR MEASURING OBJECT GEOMETRIC PARAMETERS |
RU2807464C1 (en) * | 2022-12-01 | 2023-11-15 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" | Laser device for forming 3d images |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5239366A (en) * | 1992-02-12 | 1993-08-24 | Huges Aircraft Company | Compact laser probe for profilometry |
US5349440A (en) * | 1991-02-08 | 1994-09-20 | Hughes Aircraft Company | Interferometric laser profilometer including a multimode laser diode emitting a range of stable wavelengths |
US5963329A (en) * | 1997-10-31 | 1999-10-05 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for measuring the profile of small repeating lines |
-
2016
- 2016-12-27 RU RU2016151930A patent/RU2650840C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5349440A (en) * | 1991-02-08 | 1994-09-20 | Hughes Aircraft Company | Interferometric laser profilometer including a multimode laser diode emitting a range of stable wavelengths |
US5239366A (en) * | 1992-02-12 | 1993-08-24 | Huges Aircraft Company | Compact laser probe for profilometry |
US5963329A (en) * | 1997-10-31 | 1999-10-05 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for measuring the profile of small repeating lines |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU194436U1 (en) * | 2019-09-24 | 2019-12-11 | Закрытое акционерное общество "Ультракрафт" (ЗАО "Ультракрафт") | DEVICE FOR MEASURING OBJECT GEOMETRIC PARAMETERS |
RU2807464C1 (en) * | 2022-12-01 | 2023-11-15 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" | Laser device for forming 3d images |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9791569B2 (en) | Coordinate measurement system and method | |
RU2523092C2 (en) | Method and apparatus for measuring profile of spherical incurved, particularly, cylindrical bodies | |
JP5931225B2 (en) | Method for calculating distance change using an interferometer | |
US20150226841A1 (en) | Laser tracker with calibration unit for self-calibration | |
CN103791860A (en) | Tiny angle measuring device and method based on vision detecting technology | |
US9131219B2 (en) | Method and apparatus for triangulation-based 3D optical profilometry | |
ES2865077T3 (en) | Measurement device, system and method | |
CN111965658B (en) | Distance measurement system, method and computer readable storage medium | |
JP2017003461A (en) | Distance measurement device | |
RU2650840C1 (en) | Laser profilometer for determining geometric parameters of surface profile | |
Frangez et al. | Assessment and improvement of distance measurement accuracy for time-of-flight cameras | |
Daneshpanah et al. | Surface sensitivity reduction in laser triangulation sensors | |
US20190196017A1 (en) | Measuring device with measurement beam homogenization | |
JP2014509910A5 (en) | ||
TUDOR et al. | LiDAR sensors used for improving safety of electronic-controlled vehicles | |
US10921448B2 (en) | Optical distance measuring system | |
Lim et al. | A novel one-body dual laser profile based vibration compensation in 3D scanning | |
KR101254297B1 (en) | Method and system for measuring thickness and surface profile | |
RU98596U1 (en) | TWO CHANNEL DIGITAL AUTOCollimator | |
RU67706U1 (en) | INSTALLATION OF AUTOMATIC NON-CONTACT DETERMINATION OF GEOMETRIC PARAMETERS OF MOVING OBJECTS | |
US10365324B2 (en) | Analysis system and analysis method | |
EP1202074B1 (en) | Distance measuring apparatus and distance measuring method | |
Huang et al. | Measuring atmospheric turbulence strength based on differential imaging of light column | |
RU165682U1 (en) | LASER SCANNING DEVICE | |
RU2543527C1 (en) | Method of measuring speed of objects from television images thereof |