RU2807409C1 - Method and system of non-contact ranging and profilometry - Google Patents
Method and system of non-contact ranging and profilometry Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807409C1 RU2807409C1 RU2023104481A RU2023104481A RU2807409C1 RU 2807409 C1 RU2807409 C1 RU 2807409C1 RU 2023104481 A RU2023104481 A RU 2023104481A RU 2023104481 A RU2023104481 A RU 2023104481A RU 2807409 C1 RU2807409 C1 RU 2807409C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- projection device
- grating
- gratings
- plane
- projection
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 104
- 238000001314 profilometry Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 43
- IYLGZMTXKJYONK-ACLXAEORSA-N (12s,15r)-15-hydroxy-11,16-dioxo-15,20-dihydrosenecionan-12-yl acetate Chemical compound O1C(=O)[C@](CC)(O)C[C@@H](C)[C@](C)(OC(C)=O)C(=O)OCC2=CCN3[C@H]2[C@H]1CC3 IYLGZMTXKJYONK-ACLXAEORSA-N 0.000 claims abstract description 21
- IYLGZMTXKJYONK-UHFFFAOYSA-N ruwenine Natural products O1C(=O)C(CC)(O)CC(C)C(C)(OC(C)=O)C(=O)OCC2=CCN3C2C1CC3 IYLGZMTXKJYONK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 35
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 33
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 22
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 17
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 16
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000005338 frosted glass Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H lead(2+);trioxido(oxo)-$l^{5}-arsane Chemical compound [Pb+2].[Pb+2].[Pb+2].[O-][As]([O-])([O-])=O.[O-][As]([O-])([O-])=O LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения расстояний до объектов, координат точек их поверхности, а также определения формы объектов.The invention relates to the field of measuring technology and can be used for non-contact measurement of distances to objects, coordinates of points on their surface, as well as determining the shape of objects.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Определение расстояния до точек объекта (дальнометрия), измерение их координат, а также формы поверхности объекта (профилометрия) необходимо для решения многих прикладных и научно-технических задач. Бесконтактные методы дальнометрии и профилометрии применяются при конструировании, в дизайне, реверс-инжиниринге. Они также используются в системах компьютерного зрения, виртуальной и дополненной реальности, для управления транспортными средствами и робототехническими устройствами, в медицине и т.д. Известно множество способов бесконтактных активных оптических измерений расстояния до объектов, координат точек их поверхности и ее формы (см., например, [1 - 5]). Значительная часть этих способов основана на использовании лазерных устройств. В частности, к ним относятся времяпролетные способы дальнометрии и профилометрии, использующие, например, лидары [1 - 6], а также способы, основанные на использовании лазерной триангуляции, лазерной структурированной подсветки и т.д. (см., например, [1 - 5, 7]). Недостатками этих способов является сложность и высокая стоимость лазерных устройств, сложность методов обработки полученных данных, отрицательное влияние на результаты измерений спекл-структуры лазерного излучения, переотражения и рассеяния лазерных лучей, опасность лазерного излучения для глаз и оптических устройств и т.д. Determining the distance to points of an object (ranging), measuring their coordinates, as well as the shape of the surface of the object (profilometry) is necessary for solving many applied and scientific and technical problems. Non-contact methods of ranging and profilometry are used in construction, design, and reverse engineering. They are also used in computer vision systems, virtual and augmented reality, for controlling vehicles and robotic devices , in medicine, etc. There are many known methods for non-contact active optical measurements of the distance to objects, the coordinates of points on their surface and its shape (see, for example, [1 - 5]). A significant part of these methods are based on the use of laser devices. In particular, these include time-of-flight methods of ranging and profilometry, using, for example, lidars [1 - 6], as well as methods based on the use of laser triangulation, laser structured illumination, etc. (see, for example, [1 - 5, 7]). The disadvantages of these methods are the complexity and high cost of laser devices, the complexity of methods for processing the obtained data, the negative impact on the measurement results of the speckle structure of laser radiation, re-reflection and scattering of laser beams, the danger of laser radiation to the eyes and optical devices, etc.
Известны способы активной оптической дальнометрии и профилометрии, в которых не используются лазерные источники света. Известен способ определения формы объекта, основанный на измерении резкости фокусировки на поверхность объекта изображения плоских периодических транспарантов, которые установлены в оптическом проекторе и освещаются некогерентным светом [8 - 13]. Периодические полосы света фокусируются на поверхность объекта с помощью объектива, установленного на выходе оптического проекционного устройства. Контраст проекции световых полос на поверхность определяется вычислительным устройством по изображению объекта, регистрируемому устройством регистрации изображений, например, телекамерой. Оптические оси проектора и устройства регистрации изображений обычно совпадают. Максимальный контраст изображения полос достигается в областях поверхности объекта, совпадающих с плоскостью фокусировки объектива проекционного устройства. Расстояние до этой плоскости измеряется заранее при калибровке устройства или рассчитывается. Положение плоскости, где контраст световых полос максимален, относительно объекта изменяют путем перемещения проектора или объекта вдоль оптической оси проектора, либо путем изменения фокальной длины объектива проектора. Перемещая фокальную плоскость проектора относительно объекта, сканируют ею поверхность объекта, регистрируют изображения проекции полос света на поверхность, затем, обрабатывая полученные изображения, определяют расстояние до различных точек поверхности объекта, а также его форму. Способ измерений и устройство, аналогичные вышеописанным, используются также для осуществления профилометрии микрообъектов с помощью широкопольного микроскопа [14, 15]. Недостатками этого способа оптической дальнометрии, профилометрии и микроскопии является необходимость использования сложного оптического проекционного устройства, включающего в себя высококачественный объектив, влияние несовершенства объектива проекционного устройства на точность и надежность измерений, ограниченность поля, освещаемого проекционным устройством. There are known methods of active optical ranging and profilometry that do not use laser light sources. There is a known method for determining the shape of an object, based on measuring the sharpness of focusing images of flat periodic transparency on the surface of the object, which are installed in an optical projector and illuminated with incoherent light [8 - 13]. Periodic stripes of light are focused onto the surface of an object using a lens mounted at the output of an optical projection device. The contrast of the projection of light strips onto the surface is determined by the computing device from the image of the object recorded by an image recording device, for example, a television camera. The optical axes of the projector and the image recording device usually coincide. The maximum contrast of the image of the stripes is achieved in areas of the surface of the object that coincide with the focusing plane of the lens of the projection device. The distance to this plane is measured in advance when calibrating the device or calculated. The position of the plane where the contrast of the light stripes is maximum relative to the object is changed by moving the projector or object along the optical axis of the projector, or by changing the focal length of the projector lens. By moving the focal plane of the projector relative to the object, they scan the surface of the object with it, record images of the projection of stripes of light onto the surface, then, by processing the resulting images, determine the distance to various points on the surface of the object, as well as its shape. A measurement method and device similar to those described above are also used to perform profilometry of microobjects using a wide-field microscope [14, 15]. The disadvantages of this method of optical ranging, profilometry and microscopy are the need to use a complex optical projection device that includes a high-quality lens, the influence of imperfections in the lens of the projection device on the accuracy and reliability of measurements, and the limited field illuminated by the projection device.
Известны оптические фазовые и триангуляционные способы измерения 3D формы объекта, которые основаны на проецировании на поверхность объекта периодической структурированной подсветки, например, периодических полос света, и регистрации изображения этой поверхности (см., например, [2, 16 – 20]). Периодическую в пространстве освещенность поверхности объекта создают с помощью проектора, в котором некогерентный пучок света, излучаемый источником света, пространственно модулируется при прохождении через транспарант, коэффициент пропускания которого периодически зависит от координаты, поперечной к оптической оси проектора. С помощью объектива, который установлен на выходе этого проектора, объект освещается расходящимся пространственно модулированным пучком света. Использование управляемых компьютером оптических проекторов, например, с жидкокристаллическими транспарантами или другими пространственными модуляторами света, позволяет динамически управлять периодом и фазой пространственной модуляции интенсивности света, освещающего объект. Проекцию периодических полос света на поверхности объекта регистрируют устройством регистрации изображений, например, теле- или фотокамерой. Угол между оптической осью проектора и оптической осью устройства регистрации изображений обычно достаточно большой. На картину проекции периодических полос света на объект влияет форма его поверхности, в частности, от нее зависит вариация фазы проекции периодических полос света и смещение заданной полосы. При использовании триангуляционного способа форма объекта и расстояние до его точек определяется по углам, под которыми проектируются на поверхность объекта и наблюдаются полосы периодической световой структуры [1]. Недостатком триангуляционного способа является невысокая точность определения этих углов и сложность определения номеров полос проецируемой периодической световой структуры. При использовании фазового способа измерений фаза проекции периодических полос света определяется путем нахождения, например, пространственного Фурье спектра изображения поверхности объекта или методом пошагового сдвига фазы этих световых полос [2, 19]. По измеренной зависимости вариации фазы проекции от координат на изображении объекта определяется его форма. Недостатком фазовых способов является неоднозначность вычисления фазы по изображению проекции периодически структурированного света на поверхность объекта. Были предложены различные способы устранения неоднозначности вычисления фазы изображения периодической структурированной подсветки, проецируемой на поверхность объекта с помощью оптического проектора с объективом (см., например, патенты [21 - 24]). Используя такие способы, можно измерять абсолютные значения координат точек поверхности объекта, но для этого требуется усложнение проекционой системы, а также методики обработки результатов измерений. Кроме указанных выше спецефических недостатков фазовых и триангуляционных способов измерения 3D формы объектов с использованием периодического структурированного освещения их общими недостатками являются:Known optical phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of an object, which are based on projecting periodic structured illumination onto the surface of the object, for example, periodic stripes of light, and recording an image of this surface (see, for example, [2, 16 – 20]). Illumination of the surface of an object, periodic in space, is created using a projector, in which an incoherent beam of light emitted by a light source is spatially modulated when passing through a transparency, the transmittance of which periodically depends on the coordinate transverse to the optical axis of the projector. Using a lens mounted at the output of this projector, the object is illuminated by a diverging spatially modulated beam of light. The use of computer-controlled optical projectors, such as those with LCDs or other spatial light modulators, allows dynamic control of the period and phase of spatial modulation of the intensity of light illuminating an object. The projection of periodic stripes of light on the surface of an object is recorded by an image recording device, for example, a television or photo camera. The angle between the optical axis of the projector and the optical axis of the image recording device is usually quite large. The projection pattern of periodic strips of light onto an object is affected by the shape of its surface, in particular, the variation in the phase of the projection of periodic strips of light and the displacement of a given strip depend on it. When using the triangulation method, the shape of an object and the distance to its points are determined by the angles at which stripes of a periodic light structure are projected onto the surface of the object and observed [1]. The disadvantage of the triangulation method is the low accuracy of determining these angles and the difficulty of determining the strip numbers of the projected periodic light structure. When using the phase measurement method, the projection phase of periodic stripes of light is determined by finding, for example, the spatial Fourier spectrum of the image of the surface of an object or by the method of step-by-step phase shift of these light stripes [2, 19]. Based on the measured dependence of the projection phase variation on the coordinates in the image of the object, its shape is determined. The disadvantage of phase methods is the ambiguity of calculating the phase from the image of the projection of periodically structured light onto the surface of the object. Various methods have been proposed to disambiguate the calculation of the image phase of a periodic structured backlight projected onto the surface of an object using an optical projector with a lens (see, for example, patents [21–24]). Using such methods, it is possible to measure the absolute values of the coordinates of points on the surface of an object, but this requires a more complex projection system, as well as methods for processing measurement results. In addition to the above specific disadvantages of phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of objects using periodic structured illumination, their general disadvantages are:
• Сложность и высокая стоимость оптического проектора с объективом, • The complexity and high cost of an optical projector with a lens,
• Ограниченность поперечного размера области поверхности, освещаемой одним проектором, • Limited transverse size of the area surface illuminated by one projector,
• Трудность измерения формы негладких поверхностей, поверхностей с разрывами или скачками высоты,• Difficulty measuring the shape of non-smooth surfaces, surfaces with discontinuities or changes in height,
• Необходимость калибровки измерительной системы в целом.• The need to calibrate the measuring system as a whole.
Известны способы формирования периодических структурированных пучков некогерентного света без использования сложных и дорогих проекционных устройств с объективом [25 - 33]. Для формирования периодически структурированных пучков некогерентного света в этих способах используют двухрешеточное устройство, включающее в себя источник света и две плоские одномерные периодические решетки с одинаковым направлением полос, которые расположены с одной стороны от источника света в параллельных удаленных друг от друга плоскостях. Способ формирования периодически структурированных пучков света таким двухрешеточным устройством основан на обобщенном эффекте формирования псевдоизображения решетки. Этот эффект состоит в том, что при последовательном прохождении некогерентным светом, излучаемым источником, через две плоские периодические решетки за дальней от источника света решеткой возникают световые муаровые структуры, которые имеют периодическую пространственную модуляцию интенсивности света. Такую муаровую структуру называют обобщенным псевдоизображением решетки [28, 32, 33]. Частным случаем обобщенного эффекта формирования псевдоизображения решетки является эффект Лау [27, 28, 31, 34 - 36]. В этом частном случае контрастное псевдоизображение решетки возникает на бесконечном удалении от двухрешеточного устройства, а для формирования периодической модуляции света на конечном расстоянии используется линза, которая располагается за дальней от источника света решеткой. В публикации [37] рассмотрен способ определения расстояния между двумя параллельными решетками с разными пространственными периодами, основанный на измерении характеристик световой муаровой структуры, которая возникает после прохождения некогерентным светом этих решеток. Известно также оптическое двухрешеточное устройство, предназначенное для измерения величины перемещения одной из решеток, а также величины перемещения прикрепленного к ней объекта в плоскости этой решетки в направлении, перпендикулярном направлению ее полос, в основе функционирования которого лежит обобщенный эффект формирования псевдоизображения решетки (см., например, [29, 38]). Такое устройство для измерения величины перемещения объекта является одним из вариантов линейного оптического энкодера. Двухрешеточный линейный энкодер не применим для измерения величины перемещения в направлении, которое перпендикулярно плоскостям решеток, и он не может быть использован для бесконтактного измерения расстояния до объектов, координат их точек и формы поверхности. Известны бесконтактные способы измерения формы объектов, которые используют обобщенный эффект формирования псевдоизображения решетки [39 - 42] или эффект Лау [43]. В этих способах форма объекта определяется по величине пространственной вариации фазы проекции на поверхности объекта периодической муаровой структуры, которая формируется с помощью двухрешеточного проекционного устройства. Изображение поверхности объекта, освещенного упомянутым проекционным устройством, регистрируется устройством регистрации изображений и обрабатывается вычислительным устройством с использованием, например, преобразования Фурье или метода пошагового фазового сдвига [40 - 43]. Для определения расстояния до точек объекта может быть применен триангуляционный метод измерений [39]. Система для реализации способа профилометрии с помощью обобщенного эффекта формирования псевдоизображения решетки [39] является прототипом системы, предлагаемой в настоящем изобретении. Система-прототип состоит из безобъективного проекционного устройства, а также из устройства регистрации изображений и вычислительного устройства [39 - 41]. Проекционное устройство включает в себя источник некогерентного света, две периодические решетки, расположенные в параллельных удаленных друг от друга плоскостях. Муаровая структура (псевдоизображение решетки), формируемая проекционным устройством-прототипом, слабо локализована в направлении оптической оси проектора, которая перпендикулярна плоскостям решеток. Достоинство двухрешеточного проекционного устройства, предложенного в патенте [39], в том, что оно проще и дешевле, чем проекторы структурированного света с объективом. Способ профилометрии, который описан в патенте [39], наиболее близкий к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности элементов для его реализации. Этот способ является прототипом предлагаемого способа. Известному способу измерения [39 - 41], присущи недостатки фазовых и триангуляционных методов профилометрии и дальнометрии, в частности, проблематичность применения способа для измерения формы негладких поверхностей, ограниченность ширины области поверхности, освещаемой проекционным устройством, необходимость калибровки измерительной системы в целом. Кроме того, минусом триангуляционного способа является его невысокая точность и сложность определения номеров полос периодической световой структуры, проецируемой на объект. Применение фазового способа измерений осложняется неоднозначностью вычисления фазы проекции муаровой структуры на объект и отсутствием возможности определения расстояния до точек объекта. В частности, для определения расстояния от проекционного устройства, на котором нужно располагать объект, в патенте [39] предполагается использование дополнительного дальномера, например, лазерного. There are known methods for forming periodic structured beams of incoherent light without the use of complex and expensive projection devices with a lens [25 - 33]. To form periodically structured beams of incoherent light, these methods use a two-grid device, which includes a light source and two flat one-dimensional periodic gratings with the same stripe direction, which are located on one side of the light source in parallel planes distant from each other. The method for generating periodically structured light beams with such a two-grid device is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating. This effect consists in the fact that when incoherent light emitted by a source sequentially passes through two flat periodic gratings behind the grating farthest from the light source, light moiré structures appear, which have a periodic spatial modulation of the light intensity. This moiré structure is called a generalized pseudo-image of the grating [28, 32, 33]. A special case of the generalized effect of forming a pseudo-image of a grating is the Lau effect [27, 28, 31, 34–36]. In this particular case, a contrast pseudo-image of the grating appears at an infinite distance from the two-grid device, and to form periodic modulation of light at a finite distance, a lens is used, which is located behind the grating farthest from the light source. The publication [37] considers a method for determining the distance between two parallel gratings with different spatial periods, based on measuring the characteristics of the light moiré structure that appears after incoherent light passes through these gratings. An optical double-grating device is also known, designed to measure the amount of movement of one of the gratings, as well as the amount of movement of an object attached to it in the plane of this grating in the direction perpendicular to the direction of its stripes, the operation of which is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating (see, for example , [29, 38]). Such a device for measuring the amount of movement of an object is one of the options for a linear optical encoder. A two-grid linear encoder is not applicable to measuring the amount of displacement in a direction that is perpendicular to the planes of the gratings, and it cannot be used for non-contact measurement of the distance to objects, the coordinates of their points and the shape of the surface. There are known non-contact methods for measuring the shape of objects that use the generalized effect of forming a pseudo-image of a grating [39 - 42] or the Lau effect [43]. In these methods, the shape of the object is determined by the magnitude of the spatial variation of the projection phase on the surface of the object of a periodic moiré structure, which is formed using a double-grid projection device. The image of the surface of an object illuminated by the said projection device is recorded by an image recording device and processed by a computing device using, for example, the Fourier transform or the step-by-step phase shift method [40 - 43]. To determine the distance to object points, the triangulation measurement method can be used [39]. System for implementing the profilometry method using the generalized effect of forming a lattice pseudo-image [39] is a prototype of the system proposed in the present invention. The prototype system consists of an objectiveless projection device, as well as an image recording device and a computing device [39 - 41]. The projection device includes a source of incoherent light, two periodic gratings located in parallel planes distant from each other. The moiré structure (pseudo-image of the grating) formed by the prototype projection device is weakly localized in the direction of the optical axis of the projector, which is perpendicular to the planes of the gratings. The advantage of the double-grid projection device proposed in the patent [39] is that it is simpler and cheaper than structured light projectors with a lens. The profilometry method, which is described in the patent [39], is closest to the proposed method in terms of technical essence and set of elements for its implementation. This method is a prototype of the proposed method. The known measurement method [39 - 41] has disadvantages of phase and triangulation methods of profilometry and ranging, in particular, the difficulty of using the method to measure the shape of non-smooth surfaces, the limited width of the surface area illuminated by the projection device, and the need to calibrate the measuring system as a whole. In addition, the disadvantage of the triangulation method is its low accuracy and difficulty in determining the numbers of stripes of the periodic light structure projected onto the object. The use of the phase measurement method is complicated by the ambiguity of calculating the phase of the projection of the moiré structure onto the object and the inability to determine the distance to the points of the object. In particular, to determine the distance from the projection device at which the object should be placed, the patent [39] suggests the use of an additional range finder, for example, a laser.
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
Принимая во внимание недостатки способов и систем дальнометрии и профилометрии, описанных в разделе Предшествующий уровень техники, в основе изобретения лежит задача предложить способ и систему, которые позволят устранить по крайней мере часть этих недостатков. В частности, задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и систему, которые позволяют проводить широкопольные измерения абсолютного значения расстояния до точек поверхности объектов, их координат, а также форму объектов, в том числе объектов с негладкой поверхностью, используя периодически структурированный свет, излучаемый безобъективным проекционным устройством. Задача данного изобретения также состоит в том, чтобы предложить способ измерения расстояния до точек объектов и их формы, при реализации которого не возникает проблемы однозначного определения значения фазы и номеров полос проекции на объект периодически структурированного света. Taking into account the shortcomings of the methods and systems for ranging and profilometry described in the section Prior Art, the basis of the invention is to provide a method and system that will eliminate at least some of these shortcomings. In particular, the objective of this invention is to propose a method and system that allows wide-field measurements of the absolute value of the distance to points on the surface of objects, their coordinates, as well as the shape of objects, including objects with a non-smooth surface, using periodically structured light, emitted by a lensless projection device. The objective of this invention is also to propose a method for measuring the distance to points of objects and their shape, in the implementation of which there is no problem of unambiguously determining the value of the phase and the numbers of projection stripes on the object periodically structured light.
Сущность предлагаемого способа так же, как и способа, который является прототипом, заключается в проецировании на поверхность объекта световой периодической муаровой структуры, формируемой с помощью двухрешеточного проекционного устройства, которое также будем называть двухрешеточным проектором, регистрации с помощью по меньшей мере одного регистрирующего устройства изображения участка поверхности объекта, на который спроецирована эта муаровая структура, математической обработке вычислительным устройством полученных изображений и определении на основе результатов этой обработки формы поверхности объекта. Новым в предложенном способе является то, что для дальнометрии и профилометрии используется по меньшей мере одна муаровая структура (псевдоизображение решетки), которая достаточно сильно локализована в продольном направлении, которое перпендикулярно плоскостям решеток, установленных в проекционном устройстве. Такая локализованная муаровая (ЛМ) структура формируется, например, с помощью описанного в изобретении двухрешеточного проекционного устройства. Проекцию упомянутой локализованной муаровой структуры перемещают по поверхности объекта, совмещают плоскость наибольшего контраста муаровой структуры с точкой на поверхности объекта, координаты которой нужно измерить. Используя известное значение расстояния до этой плоскости от плоскости выходной решетки проекционного устройства, определяют расстояние до заданной точки объекта и ее продольную координату. Используя эти данные, а также изображение объекта и результаты калибровки устройства регистрации изображений, определяют поперечные координаты заданной точки объекта. Сканируя поверхность объекта проекцией упомянутой локализованной муаровой структуры, регистрируя и математически обрабатывая изображения объекта, полученные при разном положении проекции ЛМ структуры, находят форму объекта. В предлагаемом способе в отличие от способа-прототипа при определении формы объекта и расстояния до его точек не требуется определения номера полосы или значения фазы проекции муаровой структуры и не возникает необходимость устранения неоднозначности величины этой фазы. Новым в предложенном способе является также то, что в отличие от ближайшего аналога он может быть использован не только для определения формы объекта, но и измерения абсолютной величины расстояния до его точек и их координат. Для реализации предлагаемого способа может быть использована как одна, так и большее число локализованных муаровых структур, формируемых по меньшей мере одним проекционным устройством. Отличие предлагаемого способа от способа-прототипа также в том, что он может быть реализован при параллельном расположении продольной оси проекционного устройства и оптической оси устройства регистрации изображений. The essence of the proposed method, as well as the method that is a prototype, is to project onto the surface of an object a light periodic moiré structure formed using a two-grid projection device, which we will also call a two-grid projector, registration using at least one recording device of the image of the surface area of the object on which this moiré structure is projected, mathematical processing by the computing device of the resulting images and determining, based on the results of this processing, the shape of the surface of the object. What is new in the proposed method is that for ranging and profilometry, at least one moire structure (pseudo-image of the grating) is used, which is quite strongly localized in the longitudinal direction, which is perpendicular to the planes of the gratings installed in the projection device. Such a localized moire (LM) structure is formed, for example, using the double-grid projection device described in the invention. Projection of the mentioned localized moiré structure move along the surface of the object, combining the plane of greatest contrast of the moiré structure with the point on the surface of the object, the coordinates of which need to be measured. Using the known value of the distance to this plane from the plane of the output grating of the projection device, the distance to a given point of the object and its longitudinal coordinate are determined. Using this data, as well as the image of the object and the results of calibration of the image recording device, the lateral coordinates of a given point of the object are determined. By scanning the surface of an object with the projection of the mentioned localized moiré structure, by registering and mathematically processing images of the object obtained at different positions of the LM structure projection, the shape of the object is found. In the proposed method, unlike the prototype method, when determining the shape of an object and the distance to its points, it is not necessary to determine the number of the stripe or the value of the projection phase of the moiré structure and there is no need to eliminate the ambiguity of the value of this phase. New in the proposed way is also that, unlike its closest analogue, it can be used not only to determine the shape of an object, but also to measure the absolute value of the distance to its points and their coordinates. To implement the proposed method, either one or a larger number of localized moiré structures formed by at least one projection device can be used. The difference between the proposed method and the prototype method is also that it can be implemented with a parallel arrangement of the longitudinal axis of the projection device and the optical axis of the image recording device.
Предлагаемая система так же, как и система, которая является ее прототипом, содержит двухрешеточное проекционное устройство, устройство регистрации изображений и вычислительное устройство. Проекционное устройство содержит источник некогерентного света, первую и вторую плоские периодические решетки, которые расположены друг за другом в несовпадающих параллельных плоскостях с одной стороны от источника света, и которые освещаются упомянутым источником света, причем на вторую решетку падает свет, прошедший через первую решетку. Новым является то, что ширина источника света, первой и второй решеток, которые установлены в проекционном устройстве, а также ширина углового спектра света, излучаемая источником света, таковы, что формируется по меньшей мере одна локализованная муаровая структура. Увеличение ширины рабочей апертуры источника света и решеток, установленных в проекционном устройстве, позволяет увеличивать ширину непрерывной области, в пределах которой возможно проведение измерений с наименьшей ошибкой. Отличие от прототипа состоит также в том, что в предлагаемой системе применено устройство для осуществления сканирования поверхности объекта проекцией ЛМ структуры. В отличие от системы-прототипа, где в проекционном устройстве расстояние между решетками и их периоды фиксированы, в предлагаемой системе расстояние между решетками и их периоды можно управляемо изменять, и таким образом, в частности, осуществлять сканирование поверхности объекта проекцией ЛМ структуры. В предлагаемой системе также могут быть дополнительно применено устройство для изменения взаимной ориентации полос локализованной муаровой структуры и объекта.The proposed system, just like the system that is its prototype, contains a double-grid projection device, an image recording device and a computing device. The projection device contains a source of incoherent light, first and second flat periodic gratings, which are located one behind the other in non-coinciding parallel planes on one side of the light source, and which are illuminated by the said light source, and the light passing through the first grating falls on the second grating. What is new is that the width of the light source, the first and second gratings that are mounted in the projection device, and the width of the angular spectrum of light emitted by the light source are such that at least one localized moiré pattern is formed. Increasing the width of the working aperture of the light source and gratings installed in the projection device makes it possible to increase the width of the continuous area within which measurements can be taken with the least error. The difference from the prototype is also that in the proposed system a device is used to scan the surface of an object with a projection of the LM structure. Unlike the prototype system, where in the projection device the distance between the gratings and their periods are fixed, in the proposed system the distance between the gratings and their periods can be controlled in a controlled manner, and thus, in particular, the surface of an object can be scanned by the projection of the LM structure. In the proposed system, a device can also be additionally used to change the relative orientation of the stripes of the localized moiré structure and the object.
Технический результат – упрощение системы дальнометрии и профилометрии, в том числе с позиций изготовления и управления, упрощение методики обработки данных измерений, отсутствие проблемы фазовой неоднозначности, увеличение ширины области, доступной для проведения измерений с помощью одного проекционного устройства, возможность определения формы негладких поверхностей, поверхностей с разрывами и скачками высоты. The technical result is a simplification of the ranging and profilometry system, including from the point of view of manufacturing and control, a simplification of the measurement data processing methodology, the absence of the problem of phase ambiguity, an increase in the width of the area available for measurements using a single projection device, the ability to determine the shape of non-smooth surfaces, surfaces with gaps and jumps in height.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 схематично изображена система оптической дальномерии и профилометрии, а также объект, на который спроецирована световая локализованная муаровая структура.In fig. 1 schematically shows the optical rangefinding and profilometry system, as well as the object onto which the light localized moiré structure is projected.
На фиг. 2 приведена схема проекционного устройства, которое формирует световую муаровую структуру.In fig. Figure 2 shows a diagram of a projection device that forms a light moiré structure.
На фиг. 3 схематично изображена проекция на плоскость y = 0 элементов проекционного устройства, устройства регистрации изображений, а также локализованной муаровой структуры с отображением позиционных и угловых соотношений между элементами устройств, световыми лучами и пространственными областями ЛМ структуры.In fig. Figure 3 schematically shows the projection onto the y = 0 plane of the elements of the projection device, the image recording device, as well as the localized moiré structure, displaying the positional and angular relationships between the elements of the devices, light rays and spatial regions of the LM structure.
На фиг. 4 схематично изображена проекция на плоскость y = 0 элементов проекционного устройства и локализованной муаровой структуры с отображением позиционных и угловых соотношений между элементами устройства, световыми лучами и пространственными областями ЛМ структуры при (фиг. 4(а)) и при (фиг. 4(б)), где - угловой размер половины рабочей апертуры осветителя, - полуширина углового спектра света, излучаемого осветителем.In fig. Figure 4 schematically shows the projection onto the y = 0 plane of the elements of the projection device and the localized moiré structure, displaying the positional and angular relationships between the elements of the device, light rays and spatial regions of the LM structure at (Fig. 4(a)) and when (Fig. 4(b)), where - angular size of half the working aperture of the illuminator, - half-width of the angular spectrum of light emitted by the illuminator.
На фиг. 5 приведены изображения двух типов плоских одномерных амплитудных решеток: решетки с синусоидальной зависимостью амплитудного коэффициента пропускания от координаты (фиг. 5(а)) и периодического бинарного растра (фиг. 5(б)).In fig. Figure 5 shows images of two types of flat one-dimensional amplitude gratings: a grating with a sinusoidal dependence of the amplitude transmittance on the coordinate (Fig. 5(a)) and a periodic binary raster (Fig. 5(b)).
На фиг. 6 схематично изображена система оптической дальномерии и профилометрии, в которой используются несколько проекционных устройств и несколько устройств регистрации изображений.In fig. 6 is a schematic illustration of an optical ranging and profilometry system that uses multiple projection devices and multiple image recording devices.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Способ бесконтактной дальномерии и профилометрии и система для его осуществления будут обсуждены со ссылками на вышеупомянутые фигуры, на которых одноименные ссылочные позиции обозначают одни и те же элементы. Способ может быть реализован с помощью системы, схематическое изображение которой приведено на фиг. 1 (п. 16 формулы изобретения). Система включает в себя безобъективное проекционное устройство 1, по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2, вычислительное устройство 3, а также по меньшей мере одно устройство для осуществления перемещения проекции локализованной муаровой структуры 4, формируемой проекционным устройством 1, по поверхности контролируемого объекта 5. Схема проекционного устройства 1 показана на фиг. 2 (п. 17 формулы изобретения). Проекционное устройство 1 по п. 17 формулы изобретения включает в себя пространственно протяженный источник некогерентного света 6, который также будем называть осветителем, и две параллельные плоские одномерные (1D) периодические решетки 7 и 8. Первая, ближняя к осветителю 6, решетка 7 и вторая, выходная, решетка 8 расположены с одной стороны от источника света 6. Полосы этих решеток имеют одинаковое направление. Предпочтительно, чтобы решетки 7 и 8 имели прямоугольную форму. Светящаяся поверхность источника света 6 обращена к решеткам 7 и 8. В частном случае, по п. 18 формулы изобретения, пространственно протяженный источник света 6, установленный в проекционном устройстве 1, является источником диффузного света. Таким источником диффузного света, например, может являться поверхность нагретого тела, люминесцентная лампа, люминесцентный экран, экран телефона, телевизора, планшета или компьютерного монитора, поверхность органического и неорганического светоизлучающего диода. Источником диффузного света также может являться участок дневного неба, поверхность случайного фазового транспаранта, например, матового стекла, листа кальки или папиросной бумаги, освещаемая с противоположной от решеток стороны, и т.п. Проекционное устройство 1 формирует по меньшей мере одну световую ЛМ структуру. Локализованная муаровая структура может формироваться в зоне геометрической оптики (ГО) (п. 2 формулы изобретения) или в зоне дифракции Френеля проекционного устройства 1 (п. 3 формулы изобретения). Условное изображение распределения интенсивности света у ЛМ структуры в плоскости, параллельной плоскостям решеток (см. фиг. 2) или в плоскости, перпендикулярной направлению их штрихов (см. фиг. 3 и 4), обозначается на фигурах цифрой 9. На фиг. 1 и 2 изображена правая ортогональная система координат с осями x, y и z, которая связана с проекционным устройством 1. Ось координат z направлена перпендикулярно плоскостям решеток 7 и 8, в направлении от источника света 6 к решетам. Если вторая решетка 8 имеет прямоугольную форму, то ось z проходит через ее центр, и называется далее по тексту оптической осью проекционного устройства 1. Ось y направлена вдоль направления полос решеток 7 и 8 (см. фиг. 2). Коэффициенты пропускания решеток 7 и 8 зависят периодически от координаты x. Направление оси z далее по тексту будем называть продольным, направления, перпендикулярные оси z, будем называть поперечными. Будем называть размеры объекта 5, рабочих апертур источника света 6, решеток 7 и 8 в направлении оси x – их шириной, в направлении оси y – высотой, в направлении оси z – длиной или толщиной. Плоскость совпадает с плоскостью первой решетки 7. Вторая, выходная решетка 8 расположена в плоскости , т.е. плоскости первой и второй решеток удалены друг от друга на расстояние . Расстояние в продольном направлении от второй решетки 8 при будем также называть расстоянием от проекционного устройства 1. В частном случае, когда рабочая поверхность осветителя 6 является плоской и она расположена параллельно плоскостям решеток, расстояние между рабочей поверхностью осветителя 6 и плоскостью первой решетки 7 будем обозначать L0. Оно может быть равно нулю. Координата центра рабочей поверхности осветителя по оси равна . На фиг. 1 также изображена глобальная неподвижная система координат с осями , и . В частном случае (п. 19 формулы изобретения) в системе может быть дополнительно использовано устройство для определения координат и ориентации проекционного устройства 1 в глобальной системе координат.A method for non-contact ranging and profilometry and a system for implementing it will be discussed with reference to the above-mentioned figures, in which like reference numerals denote the same elements. The method can be implemented using a system, a schematic representation of which is shown in Fig. 1 (clause 16 of the claims). The system includes an objective-free projection device 1, at least one image recording device 2, a computing device 3, as well as at least one device for moving the projection of a localized moiré structure 4, formed by the projection device 1, along the surface of the controlled object 5. Scheme projection device 1 is shown in FIG. 2 (clause 17 of the claims). The projection device 1 according to claim 17 of the formula of the invention includes a spatially extended source of incoherent light 6, which we will also call an illuminator, and two parallel flat one-dimensional (1D) periodic gratings 7 and 8. The first, closest to the illuminator 6, grating 7 and the second , output, grating 8 are located on one side of the light source 6. The stripes of these gratings have the same direction. It is preferable that the gratings 7 and 8 have a rectangular shape. The luminous surface of the light source 6 faces the gratings 7 and 8. In a particular case, according to claim 18 of the claims, the spatially extended light source 6 installed in the projection device 1 is a source of diffuse light. Such a source of diffuse light, for example, can be the surface of a heated body, a fluorescent lamp, a fluorescent screen, the screen of a phone, TV, tablet or computer monitor, or the surface of an organic and inorganic light-emitting diode. The source of diffuse light can also be a section of the daytime sky, the surface of a random phase transparency, for example, frosted glass, a sheet of tracing paper or tissue paper, illuminated from the side opposite to the gratings, etc. The projection device 1 forms at least one light LM structure. A localized moiré structure can be formed in the geometric optics (GO) zone (claim 2 of the invention formula) or in the Fresnel diffraction zone of the projection device 1 (claim 3 of the invention formula). Symbolic image of the light intensity distribution The LM structure in a plane parallel to the planes of the gratings (see Fig. 2) or in a plane perpendicular to the direction of their strokes (see Figs. 3 and 4) is designated in the figures by the number 9. In Fig. 1 and 2 show a right orthogonal coordinate system with axesx,y Andz, which is connected to projection device 1. Coordinate axisz directed perpendicular to the planes of the gratings 7 and 8, in the direction from the light source 6 to the gratings. If the second lattice 8 has a rectangular shape, then the axisz passes through its center, and is called below the optical axis of the projection device 1. Axisydirected along the direction of the strips of gratings 7 and 8 (see Fig. 2). The transmission coefficients of gratings 7 and 8 depend periodically on the coordinatex. Axis directionz further in the text we will call longitudinal directions perpendicular to the axisz, we will call them transverse. We will call the dimensions of the object 5, the working apertures of the light source 6, the gratings 7 and 8 in the direction of the axisx – their width, in the direction of the axisy– height, in the direction of the axisz –length or thickness. Plane coincides with the plane of the first grating 7. The second, output grating 8 is located in the plane, i.e. the planes of the first and second gratings are separated from each other by a distance. The distance in the longitudinal direction from the second grating 8 at we will also call the distance from the projection device 1. In the particular case when the working surface of the illuminator 6 is flat and it is located parallel to the planes of the gratings, the distance between the working surface of the illuminator 6 and the plane of the first grating 7 will be denoted by L0. It may be zero. Coordinate of the center of the working surface of the illuminator along the axis equal to. In fig. 1 also shows a global fixed coordinate system with axes, And. In a particular case (clause 19 of the claims), the system can additionally use a device for determining the coordinates and orientation of the projection device 1 in the global coordinate system.
Система дальномерии и профилометрии включает в себя по меньшей мере одно устройство, предназначенное для осуществления перемещения и/или изменения ориентации ЛМ структуры и объекта 5 относительно друг друга. На фиг. 1 и фиг. 2 толстыми стрелками показаны направления возможных поступательных перемещений и вращения элементов системы дальномерии и профилометрии и объекта 5 в разных частных случаях реализации способа и системы. В частном случае (п. 20 формулы изобретения) может быть использовано устройство, которое изменяет расстояние между проекционным устройством 1 и объектом 5 путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 и/или объекта 5. В частности, сближение или удаление проекционного устройства 1 и объекта 5 может осуществляться с заданной скоростью. В частном случае (п. 21 формулы изобретения) для изменения взаимного положения ЛМ структуры и объекта 5, могут использоваться устройства для поворота проекционного устройства 1 и/или объекта 5. В качестве примера на фиг. 1 схематически показано устройство 10, предназначенное для перемещения и/или изменения ориентации в пространстве проекционного устройства 1. В частном случае реализации системы (п. 22 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может использоваться устройство, которое контролируемо изменяет расстояние между решетками 7 и 8 в продольном направлении или осуществляет сближение или удаление решеток 7 и 8 в этом направлении с заданной скоростью. Дополнительно может иметься устройство для поступательного перемещения по меньшей мере одной из решеток 7 и 8 в ее плоскости в направлении координаты x, что приводит к изменению фазы квазипериодической муаровой структуры, формируемой проекционным устройством 1 (п. 23 формулы изобретения). Устройства, которые в разных частных случаях реализации системы могут осуществлять перемещение и вращение объекта 5, перемещение решеток 7 и 8, на фигурах не показаны. Устройства, с помощью которых осуществляется изменение взаимного положения и ориентации проекционного устройства 1 и объекта 5, также изменение положения отдельных элементов проекционного устройства 1 общеизвестны и коммерчески доступны [44 - 47]. Система дальнометрии и профилометрии также содержит по меньшей мере одно устройство, предназначенное для измерения величины изменения положения и/или ориентации по меньшей мере одного предмета из набора, включающего объект 5, проекционное устройство 1, решетки 7 и 8. Такие устройства общеизвестны и коммерчески доступны [44 - 46, 48]. В частном случае устройство для осуществления перемещения и/или изменения ориентации элементов системы или объекта 5 и устройство измерения величин их перемещения, а также углов их поворота могут быть объединены в одном устройстве или являться одним устройством. The rangefinding and profilometry system includes at least one device designed to move and/or change the orientation of the LM structure and object 5 relative to each other. In fig. 1 and fig. 2 thick arrows show the directions of possible translational movements and rotations of the elements of the rangefinding and profilometry system and object 5 in various special cases of implementation of the method and system. In a particular case (clause 20 of the claims), a device can be used that changes the distance between the projection device 1 and object 5 by progressively moving the projection device 1 and/or object 5. In particular, bringing the projection device 1 and object 5 closer or further away can carried out at a given speed. In a particular case (clause 21 of the claims), to change the relative position of the LM structure and object 5, devices can be used to rotate the projection device 1 and/or object 5. As an example, in Fig. 1 schematically shows a device 10 designed to move and/or change the orientation in space of the projection device 1. In a particular case of implementation of the system (clause 22 of the claims), the projection device 1 can use a device that controllably changes the distance between the gratings 7 and 8 in longitudinal direction or carries out the approach or removal of gratings 7 and 8 in this direction at a given speed. Additionally, there may be a device for translational movement of at least one of the gratings 7 and 8 in its plane in the direction of the coordinatex, which leads to a change in the phase of the quasiperiodic moiré structure formed by the projection device 1 (clause 23 of the claims). Devices that, in various particular cases of system implementation, can carry out movement and rotation of object 5, movement of gratings 7 and 8, are not shown in the figures. Devices by which the relative position and orientation of the projection device 1 and the object 5 are changed, as well as the position of individual elements of the projection device 1 are changed, are well known and commercially available [44 - 47]. The ranging and profilometry system also contains at least one device designed to measure the amount of change in position and/or orientation of at least one item from a set including object 5, projection device 1, gratings 7 and 8. Such devices are well known and commercially available [ 44 - 46, 48]. In a particular case, a device for moving and/or changing the orientation of elements of a system or object 5 and a device for measuring the magnitude of their movement, as well as the angles of their rotation, can be combined in one device or be one device.
Устройство регистрации изображений 2 предназначено для регистрации изображения по меньшей мере одно объекта 5 (см. фиг. 1). Устройством регистрации изображений 2 может являться, например, телекамера или фотокамера. Датчиком изображений 11 в устройстве регистрации изображений 2 служит, например, ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) матрица. Объектив 12 проецирует падающий на него свет на датчик изображений 11 устройства регистрации изображений 2 (см. фиг. 1 и 3). Предпочтительно предварительно провести калибровку устройства регистрации изображений 2 известными методами, например, с помощью шаблона в виде шахматной доски [19, 49]. Устройство регистрации изображений 2 может быть неподвижным или оно может перемещаться поступательно и вращаться. Для перемещения и вращения устройства регистрации изображений 2, а также определения его положения и ориентации используются общеизвестные устройства (на фигурах не показаны). В частном случае, по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2 может быть жестко связанно с проекционным устройством 1, тогда оно перемещается и поворачивается вместе с ним. В частном случае (п. 24 формулы изобретения) оптическая ось устройства регистрации изображений 2 параллельна продольной оси проекционного устройства 1.The image registration device 2 is designed to register an image of at least one object 5 (see Fig. 1). The image recording device 2 can be, for example, a television camera or a photo camera. The image sensor 11 in the image recording device 2 is, for example, a CCD (charge-coupled device) or a CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) matrix. The lens 12 projects the light incident on it onto the image sensor 11 of the image recording device 2 (see FIGS. 1 and 3). It is preferable to pre-calibrate the image recording device 2 using known methods, for example, using a checkerboard pattern [19, 49]. The image recording device 2 may be stationary, or it may be slidable and rotatable. To move and rotate the image recording device 2, as well as to determine its position and orientation, well-known devices (not shown in the figures) are used. In a particular case, at least one image recording device 2 can be rigidly connected to the projection device 1, then it moves and rotates with it. In a particular case (clause 24 of the claims), the optical axis of the image recording device 2 is parallel to the longitudinal axis of the projection device 1.
Вычислительное устройство 3 предназначено для расчета расстояния до точек поверхности объекта 5 и их координат, а также формы поверхности объекта 5 на основе изображений, полученных устройством регистрации изображений 2. Вычислительное устройство 3 представляет собой, например, компьютер или мобильное вычислительное устройство. Вычислительное устройство 3 кроме хранения и обработки информации, полученной от устройства регистрации изображений 2, осуществляет обработку и хранение данных, полученных от других устройств системы, а также управление устройствами системы и их элементами. В частности, оно может осуществлять обработку и хранение данных о величинах перемещения, скоростях движения и углах поворота проекционного устройства 1, устройства регистрации изображений 2, объекта 5, решеток 7 и 8, которые поступают с устройств, регистрирующих эти величины.The computing device 3 is designed to calculate the distance to points on the surface of the object 5 and their coordinates, as well as the shape of the surface of the object 5 based on images obtained by the image recording device 2. The computing device 3 is, for example, a computer or mobile computing device. The computing device 3, in addition to storing and processing information received from the image recording device 2, processes and stores data received from other devices of the system, as well as manages the system devices and their elements. In particular, it can process and store data about the magnitudes of movement, speeds of movement and angles of rotation of the projection device 1, image recording device 2, object 5, gratings 7 and 8, which come from devices that record these values.
Амплитудные коэффициенты пропускания решеток 7 и 8, которые установлены в проекционном устройстве 1, в общем случае могут быть комплексными. В частном случаем реализации системы (п. 25 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 установлена по меньшей мере одна решетка, имеющая действительный положительный амплитудный коэффициент пропускания, которая называется амплитудной решеткой. В частном случае (п. 26 формулы изобретения) по меньшей мере одна решетка, установленная в проекционном устройстве 1, является 1D амплитудной решеткой с синусоидальной зависимостью величины изменения амплитудного коэффициента пропускания от координаты x (см. фиг. 5(а)) [37, 50, 51]. Такую решетку будем называть амплитудной решеткой c синусоидальным пропусканием. В другом частном случае (п. 27 формулы изобретения) по меньшей мере одна решетка может быть 1D амплитудной решеткой, которая имеет бинарную зависимость коэффициента пропускания от поперечной координаты, например, представляет собой периодически чередующиеся вдоль координаты x прозрачные и непрозрачные параллельные прямоугольные полосы, которые имеют резкие границы (см. фиг. 5(б)) [31, 32, 41, 42, 44, 52, 53]. Такие решетки также называются периодическими бинарными растрами. Достоинством использования в проекционном устройстве периодических бинарных растров является простота и невысокая стоимость изготовления этих решеток, их коммерческая доступность [44, 48, 53]. В другом частном случае (п. 28 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может использоваться по меньшей мере одна фазовая решетка, т.е. решетка с периодической зависимостью фазы амплитудного коэффициента пропускания от поперечной координаты и постоянным модулем этого коэффициента [52, 54]. В качестве еще одной альтернативы в проекционном устройстве можно использовать по меньшей мере одну решетку, объединяющую в себе амплитудную и фазовую решетку [52, 55, 56]. Амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые решетки изготавливаются известными фотографическими, голографическими, литографическими, печатными и другими методами. Решетки некоторых упомянутых типов коммерчески доступны [44, 48, 54]. В частном случае (п. 29 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может быть использована по меньшей мере одна решетка, характеристики которой можно изменять. Например, по меньшей мере одной из решеток, установленных в оптическом проекционном устройстве 1, может быть амплитудный бинарный растр, у которого коэффициент заполнения и/или период можно изменять. В частном случае (п. 30 формулы изобретения) для формирования по меньшей мере одной из решеток, установленных в проекционном устройстве 1, может быть использован пространственный модулятор света [57 - 59]. The amplitude transmittance coefficients of the gratings 7 and 8, which are installed in the projection device 1, in the general case can be complex. In a particular case of implementation of the system (clause 25 of the claims), at least one grating is installed in the projection device 1, which has a real positive amplitude transmittance, which is called an amplitude grating. In a particular case (clause 26 of the claims), at least one grating installed in the projection device 1 is a 1D amplitude grating with a sinusoidal dependence of the magnitude of the change in the amplitude transmittance on the x coordinate (see Fig. 5(a)) [37, 50, 51]. We will call such a grating an amplitude grating with sinusoidal transmission. In another special case (clause 27 of the claims), at least one grating can be a 1D amplitude grating, which has a binary dependence of the transmittance on the transverse coordinate, for example, it represents transparent and opaque parallel rectangular stripes periodically alternating along the x coordinate, which have sharp boundaries (see Fig. 5(b)) [31, 32, 41, 42, 44, 52, 53]. Such gratings are also called periodic binary rasters. The advantage of using periodic binary rasters in a projection device is the simplicity and low cost of manufacturing these gratings and their commercial availability [44, 48, 53]. In another particular case (clause 28 of the claims), at least one phase grating can be used in the projection device 1, i.e. a grating with a periodic dependence of the phase of the amplitude transmittance on the transverse coordinate and a constant modulus of this coefficient [52, 54]. As another alternative, the projection device can use at least one grating that combines an amplitude and a phase grating [52, 55, 56]. Amplitude, phase and amplitude-phase gratings are manufactured by known photographic, holographic, lithographic, printing and other methods. Some of the types of gratings mentioned are commercially available [44, 48, 54]. In a particular case (clause 29 of the claims), at least one grating can be used in the projection device 1, the characteristics of which can be changed. For example, at least one of the gratings installed in the optical projection device 1 may be an amplitude binary raster whose fill factor and/or period can be changed. In a particular case (clause 30 of the claims), a spatial light modulator can be used to form at least one of the gratings installed in the projection device 1 [57 - 59].
Проекционное устройство 1 в частном случае его реализации (п. 31 формулы изобретения), когда первая решетка 7 и вторая решетка 8 являются 1D амплитудными решетками, работает следующим образом. Свет, излучаемый осветителем 6, проходит сначала через первую решетку 7, затем через вторую решетку 8. При прохождении света через амплитудную решетку, происходит пространственная модуляция его интенсивности, поэтому за каждой из решеток 7 и 8 наблюдаются периодические полосы света и тени. При освещении решетки некогерентным светом от протяженного источника или диффузным светом контраст полос света и тени уменьшается по мере удаления от решетки в продольном направлении. Это происходит потому, что при широком угловом спектре света, падающего на решетку, полосы света и тени, которые возникают после прохождения через нее плоских световых волн, распространяющихся под разными углами к ее поверхности, «перемешиваются» на некотором расстоянии за решеткой. На достаточно большом расстоянии от решетки интенсивность света становится почти постоянной в пространстве. Однако существуют плоскости, параллельные плоскостям решеток 7 и 8 и удаленные от них в продольном направлении на известные расстояния, в окрестности которых проекционное устройство 1 может сформировать световые муаровые структуры, представляющие собой периодические в пространстве области света и тени [25 - 28, 31 – 33, 60 - 63]. Проекция этих световых муаровых структур на плоскость, параллельную плоскостям решеток, имеет вид периодических светлых и темных полос, которые направлены вдоль оси y (см. фиг. 2). Формирование локализованной муаровой структуры может быть интерпретировано, в частности, как эффект теневого эха [60, 62, 63], которое является частным случаем модуляционного эха [61]. Муаровые структуры, формируемые двухрешеточным проекционным устройством с 1D решетками, обозначаются двумя индексами (N,M) (см. п. 4 формулы изобретения), где N и M - натуральные числа. Расстояние от плоскости выходной решетки 8 проекционного устройства 1 до плоскости, где контраст муаровой структуры (N,M) максимален, вычисляют по формуле The projection device 1 in a particular case of its implementation (clause 31 of the claims), when the first grating 7 and the second grating 8 are 1D amplitude gratings, operates as follows. The light emitted by the illuminator 6 passes first through the first grating 7, then through the second grating 8. When light passes through the amplitude grating, a spatial modulation of its intensity occurs, therefore, periodic stripes of light and shadow are observed behind each of the gratings 7 and 8. When the grating is illuminated with incoherent light from an extended source or diffuse light, the contrast of the bands of light and shadow decreases with distance from the grating in the longitudinal direction. This happens because with a wide angular spectrum of light incident on the grating, the bands of light and shadow that appear after the passage of plane light waves propagating at different angles to its surface “mix” at some distance behind the grating. At a sufficiently large distance from the grating, the light intensity becomes almost constant in space.However, there are planes parallel to the planes of the gratings 7 and 8 and distant from them in the longitudinal direction at known distances, in the vicinity of which the projection device 1 can form light moiré structures, which are regions of light and shadow periodic in space [25 - 28, 31 - 33 , 60 - 63]. Projection of these light moire structures on a plane parallel to the planes of the gratings, has the form of periodic light and dark stripes that are directed along the axisy (see Fig. 2). The formation of a localized moiré structure can be interpreted, in particular, as the effect of a shadow echo [60, 62, 63], which is a special case of a modulation echo [61]. Moiré structures formed by a double-grid projection device with 1D gratings are designated by two indices (N,M) (see clause 4 of the claims), whereN AndM - integers. The distance from the plane of the output grating 8 of the projection device 1 to the plane where the contrast of the moiré structure (N,M) is maximum, calculated using the formula
где , и - пространственные периоды первой и второй решетки соответственно [27, 31, 33, 64, 65]. Координата плоскости, где контраст муаровой структуры (N,M) имеет наибольшую величину, равна , где . Зависимость интенсивности света от координаты x вблизи плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (N,M) описывается периодической функцией, пространственный период которой вычисляют по формуле [27, 31, 33, 64, 65]Where, And - spatial periods of the first and the second lattice, respectively [27, 31, 33, 64, 65]. Coordinate of the plane where the contrast of the moiré structure (N,M) has the largest value, equal to, Where. Dependence of light intensity on coordinatesx near the plane of greatest contrast of the moire structure (N,M) described by a periodic function, spatial period which is calculated using the formula [27, 31, 33, 64, 65]
Контраст муаровой структуры (N,M) вычисляют по формуле The contrast of the moire structure ( N , M ) is calculated using the formula
где и - максимальное и минимальное значение интенсивности света в плоскости z = const [64, 66]. Расстояние в направлении оси x между точками, в которых определяются величины и , равно , где - натуральное число, включая ноль. Пространственное распределение интенсивности света в плоскости недалеко от линии условно изображено на фиг. 3 и 4 и обозначено цифрой 9. Глубину резкости муаровой структуры (N,M) будем обозначать . Глубина резкости равна удвоенному значению длины, при удалении на которую в продольном направлении от плоскости контраст муаровой структуры (N,M) уменьшается в два раза по сравнению со значением ее контраста в плоскости . Проекционное устройство 1 в варианте его реализации, предлагаемом в изобретении, формирует световые муаровые структуры, которые достаточно сильно локализованы в продольном направлении. Локальность муаровой структуры (N,M) означает, что ее глубина резкости значительно меньше расстояния от проекционного устройства 1 до плоскости, на которой контраст этой муаровой структуры имеет наибольшее значение . Конкретно будем полагать, что у локализованной муаровой структуры (N,M) относительная глубина резкости ЛМ должна быть по крайней мере меньше 0,25. Where And - maximum and minimum value of light intensity in the planez= const [64, 66]. Distance in axis directionx between the points at which the quantities are determined And, equals, Where - a natural number, including zero. Spatial distribution of light intensity in a plane close to the line conventionally shown in Fig. 3 and 4 and indicated by the number 9. Depth of field of moire structure (N,M) we will denote. Depth of field equal to twice the length, when removed in the longitudinal direction from the plane contrast of moiré structure (N,M) decreases by half compared to the value of its contrast in the plane. The projection device 1 in the embodiment proposed in the invention forms light moiré structures that are quite strongly localized in the longitudinal direction. Locality of the moiré structure (N,M) means that its depth of field significantly less than the distance from the projection device 1 to the plane on which the contrast of this moiré structure is greatest. Specifically, we will assume that the localized moiré structure (N,M) relative depth of field LM must be at least less than 0.25.
Анализ характеристик муаровых структур, формируемых проекционным устройством в разных частных случаях реализации этого устройства, рассмотрение условий, при которых могут формироваться локализованные муаровые структуры, оценка точности предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии, а также ряда других его характеристик будут проведены после описания частных случаев реализации способа.An analysis of the characteristics of moiré structures formed by a projection device in various special cases of implementation of this device, consideration of the conditions under which localized moiré structures can be formed, assessment of the accuracy of the proposed method of ranging and profilometry, as well as a number of its other characteristics will be carried out after the description of special cases of implementation of the method.
Способ в частном случае его реализации для измерения расстояния до по крайней мере одной заданной точки 13 поверхности объекта 5 (см. фиг. 1) и координат этой точки осуществляется следующим образом. Поверхность объекта 5 освещают светом, излучаемым проекционным устройством 1. В проекционном устройстве 1 используют элементы, в частности, решетки 7 и 8, с такими параметрами, чтобы возникала по меньшей мере одна локализованная муаровая структура. В частности, по п. 5 формулы изобретения для реализации способа может быть использована по меньшей мере одна из ЛМ структур: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) и (3,1). Предпочтительно использовать для измерений ЛМ структуры с достаточно высоким контрастом, например, по п. 6 формулы изобретения наибольшее значение контраста ЛМ структуры превышает величину 0,2. По п. 7 формулы изобретения одним проекционным устройством может одновременно формироваться несколько ЛМ структур. Для упрощения дальнейшего описания способа дальнометрии и профилометрии будем считать, что, если не указано обратное, на поверхность объекта 5 проецируют одну ЛМ структуру, индекс (N,M) которой известен. Обычно по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2 фокусируют приблизительно на плоскость наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Предпочтительно, во-первых, чтобы глубина резкости объектива 12 устройства регистрации изображений 2 была по крайней мере в два раза больше, чем глубина резкости муаровой структуры (N,M); во-вторых, чтобы ширина ЛМ структуры (N,M), используемой для измерений, (см. фиг. 4) превосходила период муаровой структуры по меньшей мере в два раза. Если ширина проекции на плоскость const контролируемой части поверхности объекта 5 значительно больше, чем период используемой ЛМ структуры, а также тангенс угла между поверхностью объекта и плоскостью в областях их пересечения меньше, чем , то проекция 4 ЛМ структуры на поверхность объекта 5 имеет вид области или нескольких областей, в пределах которых наблюдаются квазипериодические по координате x светлые и темные полосы (см. фиг. 1). Форма области на поверхности объекта 5, где проекция 4 ЛМ структуры имеет относительно высокий контраст, зависит от формы поверхности объекта 5 и глубины резкости муаровой структуры (N,M). Плоскость , где контраст муаровой структуры (N,M) является наибольшим, пересекается с поверхностью объекта 5 по плоской линии, которую будем называть изолинией наибольшего контраста ЛМ структуры. Например, с плоскими поверхностями плоскость пересекается по отрезкам прямых линий (они показаны штрих-пунктирными линиями 14 на фиг. 1), со сферическими поверхностями – по кругу или по дуге окружности. Изображение поверхности объекта 5, освещаемой проекционным устройством 1, регистрируют устройством регистрации изображений 2. Используя вычислительное устройство 3, определяют зависимость контраста квазипериодического в направлении оси x изменения яркости изображения объекта 5 от 2D координат на изображении. Для вычисления контраста используют известные математические методы обработки изображений. В частности, может быть использован Фурье или вейвлет анализ изображений, интерполяция пространственного распределения изменения яркости изображения периодической или квазипериодической функцией, например, синусоидой или вейвлетом. Также может быть применен известный метод пошагового сдвига фазы полос периодической световой структуры, которая освещает эту поверхность [2, 19]. Сдвиг фазы муаровой структуры, которую проецируют на поверхность объекта 5, осуществляют, например, путем поперечного смещения в направлении оси x проекционного устройства 1 или по п. 23 формулы изобретения путем смещения в направлении оси x одной из установленных в нем решеток. Используя результаты вычисления распределения величины контраста изображения поверхности объекта 5, на который спроецирована ЛМ структура (N,M), находят положение изолинии наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Для определения координат заданной точки 13 поверхности объекта 5, изолинию наибольшего контраста проекции 4 ЛМ структуры совмещают с этой точкой. Это осуществляют, в частности, следующими способами: The method in a particular case of its implementation for measuring the distance to at least one given point 13 of the surface of an object 5 (see Fig. 1) and the coordinates of this point is carried out as follows. The surface of the object 5 is illuminated with light emitted by the projection device 1. The projection device 1 uses elements, in particular gratings 7 and 8, with such parameters that at least one localized moiré structure appears. In particular, according to claim 5 of the claims, at least one of the LM structures can be used to implement the method: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) and (3, 1). It is preferable to use LM structures with a sufficiently high contrast for measurements, for example, according to claim 6 of the invention formula, the highest contrast value of the LM structure exceeds 0.2. According to claim 7 of the claims, several LM structures can be simultaneously formed by one projection device. To simplify the further description of the method of ranging and profilometry, we will assume that, unless otherwise indicated, one LM structure, index (N,M) which is known. Typically, at least one image recording device 2 is focused approximately onto the plane of greatest contrast of this LM structure. It is preferable, firstly, that the depth of field of the lens 12 of the image recording device 2 be at least twice that of the moiré pattern (N,M); secondly, so that the width of the LM structure (N,M), used for measurements, (see Fig. 4) exceeded the period of the moire structure at least twice. If the width of the projection onto the planeconst of the controlled part of the surface of the object 5 is significantly greater than the period used LM structure, as well as the tangent of the angle between the surface of the object and the plane in the areas of their intersection is less than, That the projection 4 of the LM structure onto the surface of the object 5 has the form of a region or several regions within which quasi-periodic coordinates are observedxlight and dark stripes (see Fig. 1). The shape of the area on the surface of the object 5, where the projection 4 of the LM structure has a relatively high contrast, depends on the shape of the surface of the object 5 and the depth of field of the moiré structure (N,M). Plane, where the contrast of the moire structure (N,M) is the largest, intersects with the surface of object 5 along a flat line, which we will call the isoline of the greatest contrast of the LM structure. For example, with flat surfaces the plane intersects along segments of straight lines (they are shown by dash-dotted lines 14 in Fig. 1), with spherical surfaces - in a circle or along an arc of a circle. The image of the surface of the object 5, illuminated by the projection device 1, is recorded by the image recording device 2. Using the computing device 3, the dependence of the quasiperiodic contrast in the direction of the axis is determinedx changes in the brightness of the image of object 5 from 2D coordinates in the image. To calculate contrast, well-known mathematical methods of image processing are used. In particular, Fourier or wavelet analysis of images can be used, interpolating the spatial distribution of changes in image brightness with a periodic or quasi-periodic function, for example, a sinusoid or wavelet. The well-known method of step-by-step phase shift of stripes of a periodic light structure that illuminates this surface can also be applied [2, 19]. The phase shift of the moiré structure, which is projected onto the surface of the object 5, is carried out, for example, by transverse displacement in the direction of the axisxprojection device 1 or according to claim 23 of the formula of the invention by displacement in the direction of the axisx one of the gratings installed in it. Using the results of calculating the distribution of the contrast value of the image of the surface of object 5 onto which the LM structure is projected (N,M), find the position of the isoline of the greatest contrast of this LM structure. To determine the coordinates of a given point 13 of the surface of an object 5, the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of the LM structure is combined with this point. This is done, in particular, in the following ways:
1. Путем изменения расстояния между проекционным устройством 1 и объектом 5, например, путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 в продольном направлении (п. 8 формулы изобретения). 1. By changing the distance between the projection device 1 and the object 5, for example, by progressively moving the projection device 1 in the longitudinal direction (clause 8 of the claims).
2. Путем поворота проекционного устройства 1 и/или объекта 5 (п. 9 формулы изобретения). 2. By rotating the projection device 1 and/or object 5 (clause 9 of the claims).
3. Изменяя расстояние от проекционного устройства 1 до плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (п. 10 формулы изобретения), например, путем изменения расстояния между решетками 7 и 8 (см. п. 11 формулы изобретения) или пространственного периода по меньшей мере одной из них (см. п. 12 формулы изобретения). 3. Changing the distance from the projection device 1 to the plane of the greatest contrast of the moiré structure (clause 10 of the claims), for example, by changing the distance between gratings 7 and 8 (see clause 11 of the claims) or the spatial period of at least one of them (see clause 12 claims).
Можно использовать комбинацию двух или трех указанных выше методов перемещения проекции 4 ЛМ структуры и изолинии ее наибольшего контраста по объекту 5. Перемещение осуществляют до тех пор, пока изолиния наибольшего контраста не пройдет через заданную точку 13 поверхности объекта 5. Расстояние в продольном направлении от плоскости второй решетки 8 проекционного устройства 1 до изолинии наибольшего контраста ЛМ структуры (N,M) вычисляют по формуле (1). Продольная координата заданной точки 13 в системе координат, связанной с проекционным устройством 1, равна . При этом положении изолиния наибольшего контраста ЛМ структуры определяют поперечные координаты точки 13, используя измеренные значения координат этой точки на изображении поверхности объекта 5 и результаты калибровки устройства регистрации изображений 2 [19, 49]. В удобном и простом для обработки частном случае, когда, во-первых, согласно п. 24 формулы изобретения, оптическая ось устройства регистрации изображений 2 параллельна оптической оси проекционного устройства 1 и, во-вторых, координаты объектива 12 устройства регистрации изображений 2 в системе координат, связанной с проекционным устройством 1, фиксированы и равны , , (см. фиг. 1 и фиг. 3), тогда координаты x и y точек на поверхности объекта 5, принадлежащих в плоскости , вычисляют по формулам You can use a combination of two or three of the above methods of moving the projection 4 of the LM structure and the isoline of its greatest contrast along the object 5. The movement is carried out until the isoline of the greatest contrast passes through a given point 13 of the surface of the object 5. Distance in the longitudinal direction from the plane of the second grating 8 of the projection device 1 to the isoline of the greatest contrast of the LM structure (N,M) is calculated using formula (1). The longitudinal coordinate of a given point 13 in the coordinate system associated with the projection device 1 is equal to . In this position, the isoline of the greatest contrast of the LM structure determines the transverse coordinates of the point 13, using the measured values of the coordinates of this point on the image of the surface of the object 5 and the results of calibration of the image recording device 2 [19, 49]. In a convenient and easy-to-process special case, when, firstly, according to claim 24 of the claims, the optical axis of the image recording device 2 is parallel to the optical axis of the projection device 1 and, secondly, the coordinates of the lens 12 of the image recording device 2 in the coordinate system , associated with projection device 1, are fixed and equal,, (see Fig. 1 and Fig. 3), then the coordinatesx Andy points on the surface of the object 5, belonging to the plane, calculated using the formulas
где - фокальное расстояние объектива 12 устройства регистрации изображений 2, и - координаты изображений этих точек на поверхности датчика изображений 11, - расстояние от объектива 12 устройства регистрации изображений 2 до плоскости , которое равно (см. фиг. 3). Координаты заданной точки 13 на поверхности объекта 5 в глобальной системе координат , , определяют, с помощью вычислительного устройства 3, на основании полученные данных об ее координатах в системе координат x, y и z, связанной с проекционным устройством 1, а также данных о положении и ориентации проекционного устройства 1 в глобальной системе координат. Where - focal length of the lens 12 of the image recording device 2, And - coordinates of the images of these points on the surface of the image sensor 11, - distance from the lens 12 of the image recording device 2 to the plane , which is equal (see Fig. 3). Coordinates of a given point 13 on the surface of object 5 in the global coordinate system , , determined, using the computing device 3, based on the data obtained about its coordinates in the x , y and z coordinate system associated with the projection device 1, as well as data on the position and orientation of the projection device 1 in the global coordinate system.
Особенность предлагаемого способа в частном случае его реализации для измерения формы объекта состоит в том, что изолинию наибольшего контраста проекции 4 по меньшей мере одной ЛМ структуры перемещают по всей контролируемой или доступной для измерения части поверхности объекта 5. При каждом положении проекции 4 ЛМ структуры изображение поверхности объекта 5 регистрируют устройством регистрации изображений 2. Обработку полученных изображений и управление перемещением проекции 4 ЛМ структуры по поверхности объекта 5 осуществляют с помощью вычислительного устройства 3. Вычислительное устройство 3 путем обработки изображений поверхности объекта 5, полученных устройством регистрации 2 при разных положениях проекции 4 ЛМ структуры, определяет продольные и поперечные координаты множества точек контролируемой части поверхности объекта 5. Определение координат каждой из множества точек поверхности объекта 5 производится также как в описанном выше частном случае реализации способа для измерения координат одной заданной точки 13 объекта. Для уменьшения времени измерения, а также времени и трудоемкости обработки их результатов по п. 13 формулы изобретения предпочтительно, чтобы при каждом положении проекции 4 ЛМ структуры на поверхности объекта 5 определялись и запоминались вычислительным устройством координаты множества точек поверхности объекта 5, находящихся на изолинии наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Предлагаемый способ позволяет измерять форму негладких поверхностей, поверхностей с разрывами и резкими изменениями высоты, форму и расстояния до нескольких объектов, не затеняющих друг друга от света проекционного устройства.The peculiarity of the proposed method in the particular case of its implementation for measuring the shape of an object is that the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of at least one LM structure is moved along the entire controlled or accessible part of the surface of the object 5. At each position of the projection 4 of the LM structure, an image of the surface object 5 is registered by an image recording device 2. Processing of the received images and control of the movement of the projection 4 of the LM structure along the surface of the object 5 is carried out using a computing device 3. The computing device 3 by processing images of the surface of the object 5 obtained by the registration device 2 at different positions of the projection 4 of the LM structure , determines the longitudinal and transverse coordinates of the set of points of the controlled part of the surface of the object 5. The determination of the coordinates of each of the set of points of the surface of the object 5 is carried out in the same way as in the above-described special case of implementing a method for measuring the coordinates of one given point 13 of the object . To reduce the measurement time, as well as the time and labor intensity of processing their results according to claim 13 of the claims, it is preferable that at each position of the projection 4 of the LM structure on the surface of the object 5, the coordinates of the set of points on the surface of the object 5 located on the isoline of the greatest contrast are determined and stored by the computing device this LM structure. The proposed method allows you to measure the shape of non-smooth surfaces, surfaces with discontinuities and sudden changes in height, the shape and distance to several objects that do not obscure each other from the light of the projection device.
Рассмотрим применение способа для измерения формы части поверхности объекта 5 на примере, когда сканирование проекции 4 ЛМ структуры по поверхности объекта 5 осуществляется путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 в продольном направлении навстречу объекту 5. Предпочтительно вначале совместить изолинию наибольшего контраста ЛМ структуры с областью объекта 5, ближайшей в продольном направлении к проекционному устройству 1. Проекционное устройство 1 с помощью устройства перемещения 10 пошагово приближают в продольном направлении к объекту 5. При каждом шаге расстояние в продольном направлении между проекционным устройством 1 и объектом 5 уменьшают на фиксированную величину , значение которой меньше , например, . При этом изолиния наибольшего контраста проекции 4 муаровой структуры также перемещается по поверхности объекта. Расстояние от ближней к проектору области объекта 5 до плоскости наибольшего контраста муаровой структуры при перемещении на шагов будет равно . Сближение проекционного устройства 1 и объекта 5 также может быть непрерывным с постоянной скоростью , при этом время регистрации одного изображения должно быть много меньше величины . В этом случае вычисляют по формуле , где - время, - момент времени, когда изолиния наибольшего контраста совпадала с ближайшей к проектору областью объекта. Изображение поверхности объекта 5 на каждом шаге или в последовательные моменты времени регистрируют устройством регистрации изображений 2. Путем обработки вычислительным устройством 3 изображения, полученного устройством регистрации 2 на шаге или в момент времени , определяют поперечные координаты x и y точек поверхности объекта 5, расположенных на изолинии наибольшего контраста проекции ЛМ структуры при этом значении . Обрабатывая изображения поверхности объекта 5, которые были зарегистрированы при разном расстоянии в продольном направлении от проекционного устройства 1 до объекта 5, рассчитывают изолинии для разных значений , и на основании этих данных вычисляют форму поверхности объекта . Let us consider the use of a method for measuring the shape of a part of the surface of an object 5 using an example when scanning the projection 4 of an LM structure along the surface of an object 5 is carried out by progressively moving the projection device 1 in the longitudinal direction towards the object 5 . It is preferable to first combine the isoline of the greatest contrast of the LM structure with the area of the object 5 closest in the longitudinal direction to the projection device 1. Using the moving device 10, the projection device 1 is gradually brought closer in the longitudinal direction to the object 5. At each step, the distance in the longitudinal direction between the projection device 1 and object 5 is reduced by a fixed amount , whose value is less , For example, . In this case, the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of the moire structure also moves along the surface of the object. Distance from the area of object 5 closest to the projector to the plane of greatest contrast of the moire structure when moving to steps will be equal . The approach of the projection device 1 and the object 5 can also be continuous at a constant speed , in this case the registration time of one image should be much less than . In this case calculated by the formula , Where - time, - the moment in time when the isoline of the greatest contrast coincided with the area of the object closest to the projector. Image of the surface of an object 5 at each step or at successive moments in time is recorded by the image recording device 2. By processing by the computing device 3 the image obtained by the recording device 2 in step or at a time , determine the transverse coordinates x and y of the points of the surface of the object 5 located on the isoline of the greatest contrast of the projection of the LM structure at this value . By processing images of the surface of the object 5, which were recorded at different distances in the longitudinal direction from the projection device 1 to the object 5 , isolines are calculated for different values , and based on this data the shape of the surface of the object is calculated .
Использование нескольких ЛМ структур с разными индексами (N, M), формируемых по п. 7 формулы изобретения одним проекционным устройством, позволяет расширить диапазон измерений расстояний и координат, а также уменьшить время, необходимое для измерения формы поверхности объекта. Осуществление способа с использованием нескольких муаровых структур будет аналогичным описанному выше осуществлению способа в случае одной ЛМ структуры. В случае использования нескольких ЛМ структур предпочтительно использовать несколько устройств регистрации изображений, каждое из которых сфокусировано на плоскость наибольшего контраста одной из ЛМ структур. В том случае, когда на поверхность объекта проецируют сразу несколько ЛМ структур или одну ЛМ структуру, индекс которой (N,M) заранее неизвестен, нужно различать изображения проекций муаровых структур с разным индексами (N,M) или определять значения индексов (N,M) по изображению, которое регистрируется устройством регистрации изображений. Изображения проекций муаровых структур с разными индексами (N,M) можно различать, например, по их периодам, по величине их контраста, по порядку расположения в продольном направлении. The use of several LM structures with different indices ( N, M ), formed according to claim 7 of the claims by one projection device, allows you to expand the range of measurements of distances and coordinates, as well as reduce the time required to measure the shape of the surface of an object. The implementation of the method using several moiré structures will be similar to the above-described implementation of the method in the case of one LM structure. In the case of using several LM structures, it is preferable to use several image recording devices, each of which is focused on the plane of greatest contrast of one of the LM structures. In the case when several LM structures or one LM structure whose index ( N,M ) is unknown in advance are projected onto the surface of an object, it is necessary to distinguish between images of projections of moiré structures with different indices ( N,M ) or determine the values of the indices ( N,M ) from an image that is recorded by an image recording device. Images of projections of moiré structures with different indices ( N, M ) can be distinguished, for example, by their periods, by the magnitude of their contrast, by the order of arrangement in the longitudinal direction.
Размер области поверхности объекта 5, в пределах которой измеряется его форма, можно увеличить, если после сканирования доступной для измерений части поверхности объект 5 повернуть на известный угол, например, вокруг оси, перпендикулярной оси z. Это позволит осветить проекционным устройством 1 недоступный ранее участок поверхности объекта 5 и затем просканировать его, по меньшей мере, одной ЛМ структурой 4. Также можно увеличить размер области поверхности объекта 5, в пределах которой измеряется его форма, если, после измерения профиля одной части объекта, переместить проектор 1 и, при необходимости, устройства регистрации изображений вокруг объекта, и затем просканировать, по меньшей мере, одной ЛМ структурой другую часть поверхности объекта. Размер области поверхности объекта, доступной для измерения ее профиля, а также скорость таких измерений можно увеличить, если использовать несколько проекционных устройств и несколько устройств регистрации изображений (см. фиг. 6). Сканирование поверхности объекта ЛМ структурами, формируемыми каждым из проекционных устройств, осуществляется, например, путем поступательного перемещения проекционных устройств в их продольном направлении, или путем изменения расстояния между решетками в проекционных устройствах и/или путем вращения объекта с помощью поворотного стола 15. Предпочтительно, чтобы области поверхности объекта, доступные для наблюдения устройствами регистрации изображений, перекрывались. С помощью вычислительного устройства 3 рассчитываются, как это описано выше, профили разных участков поверхности объекта, и затем они могут быть объединены известными методами в единую панорамную 3D картину профиля поверхности объекта.Surface area size object 5, within which its shape is measured, can be increased if, after scanning the part of the surface accessible for measurements, the object 5 is rotated by a known angle, for example, around an axis perpendicular to the axisz. This will allow the projection device 1 to illuminate a previously inaccessible area of the surface of the object 5 and then scan it with at least one LM structure 4. It is also possible to increase the size of the area of the surface of the object 5, within which its shape is measured, if, after measuring the profile of one part of the object , move the projector 1 and, if necessary, image recording devices around the object, and then scan another part of the object’s surface with at least one LM structure. The size of the area of an object's surface available for measuring its profile, as well as the speed of such measurements, can be increased by using multiple projection devices and multiple image recording devices (see FIG. 6). Scanning of the surface of an object by LM structures formed by each of the projection devices is carried out, for example, by translational movement of the projection devices in their longitudinal direction, or by changing the distance between the gratings in the projection devices and/or by rotating the object using a turntable 15.Preferably, the areas of the object's surface that can be observed by the image recording devices overlap. Using the computing device 3, profiles of different sections of the object's surface are calculated, as described above, and then they can be combined by known methods into a single panoramic 3D picture of the object's surface profile.
Ниже дано обоснование того, что с помощью проекционного устройства, частные случаи реализации которого предлагаются в изобретении, могут быть сформированы муаровые структуры, локализованные в продольном направлении, рассмотрено влияния параметров проекционного устройства на количество и характеристики формируемых им муаровых структур, а также дана оценка точности предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии.Below is a rationale for the fact that with the help of a projection device, special cases of implementation of which are proposed in the invention, moiré structures localized in the longitudinal direction can be formed, and the influence of the parameters of the projection device is considered on the number and characteristics of the moire structures formed by it, and also an assessment of the accuracy of the proposed method of ranging and profilometry is given.
Обозначим функцию, которая описывает угловое распределение интенсивности света, излучаемого малыми элементами рабочей поверхности осветителя 6, т.е. описывает их диаграмму направленности, где - угол между направлением, в котором распространяется световая волна и плоскостью x = const, - угол между направлением световой волны и плоскостью . Let's denote a function that describes the angular distribution of light intensity emitted by small elements of the working surface of the illuminator 6, i.e. describes their radiation pattern, where - the angle between the direction in which the light wave propagates and the planex = const, - the angle between the direction of the light wave and the plane .
Для простоты или определенности будем полагать, что For simplicity or certainty we will assume that
рабочая поверхности осветителя 6 является пространственно однородной, т.е. его светимость, а также угловой и частотный спектр света, излучаемого ее элементами, постоянны в пределах рабочей апертуры поверхности осветителя; the working surface of the illuminator 6 is spatially homogeneous, i.e. its luminosity, as well as the angular and frequency spectrum of light emitted by its elements, are constant within the working aperture of the illuminator surface;
ширина углового распределения интенсивности света, излучаемого элементами рабочей поверхности осветителя 6 в плоскости x = const много меньше ширины углового распределения света в плоскости , и, следовательно . В таком случае угол - это угол между направлением, в котором распространяется свет, и продольным направлением (см. фиг. 3 и 4). Такое угловое распределение интенсивности диффузного света можно сформировать, например, если рабочая поверхность осветителя 6 является одномерным случайный фазовым транспарантом, на который с противоположной от решеток стороны падает плоская волна некогерентного света, причем 1D полосы, вдоль которых оптическая длина пути света через транспарант постоянна, направлены параллельно оси y. Полуширину в плоскости углового спектра света, излучаемого рабочей поверхностью осветителя 6, по уровню от максимальной величины функции обозначим ;the width of the angular distribution of light intensity emitted by the elements of the working surface of the illuminator 6 in the x = const plane is much less than the width of the angular distribution of light in the plane , and therefore . In this case, the angle is the angle between the direction in which the light travels and the longitudinal direction (see Figs. 3 and 4). Such an angular distribution of diffuse light intensity can be formed, for example, if the working surface of the illuminator 6 is a one-dimensional random phase transparency onto which a plane wave of incoherent light falls from the side opposite to the gratings, and the 1D stripes along which the optical path length of the light through the transparency is constant are directed parallel to the y axis. Half-width in plane angular spectrum of light emitted by the working surface of the illuminator 6, by level from the maximum value of the function let's denote ;
• по п. 31 формулы изобретения в проекционном устройстве 1 установлены амплитудные решетки 7 и 8; • according to claim 31 of the claims, amplitude gratings 7 and 8 are installed in the projection device 1;
• по п. 32 формулы изобретения решетки 7 и 8 являются тонкими, т.е. при их прохождении светом, излучаемым осветителем 6, не происходит значительного сужения его углового спектра, например, уменьшение ширины углового спектра света не превышает 20%; • according to claim 32 of the claims, lattices 7 and 8 are thin, i.e. when they pass through the light emitted by the illuminator 6, there is no significant narrowing of its angular spectrum, for example, a decrease in the width of the angular spectrum of light does not exceed 20%;
• по п. 33 формулы изобретения рабочая поверхность осветителя 6 имеет форму прямоугольника, плоскость которого параллельна плоскостям решеток 7 и 8, а его стороны параллельны осям x и y (фиг. 2). Ширина рабочей апертуры осветителя 6 равна (см. фиг. 3 и фиг. 4), ее высота равна (см. фиг. 2); • according to claim 33 of the claims, the working surface of the illuminator 6 has the shape of a rectangle, the plane of which is parallel to the planes of the gratings 7 and 8, and its sides are parallel to the x and y axes (Fig. 2). The width of the working aperture of the illuminator 6 is equal to (see Fig. 3 and Fig. 4), its height is (see Fig. 2);
• решетки 7 и 8 имеют форму прямоугольников, стороны которых параллельны осям x и y. Ширины рабочей апертуры решеток 7 и 8 равны и соответственно (см. фиг. 3 и фиг. 4), а высоты равна и соответственно (см. фиг. 2). Центры рабочей поверхности осветителя 6, а также первой решетки 7 и второй решетки 8 расположены на оптической оси проекционного устройства, т.е. центры этих элементов проекционного устройства 1 имеют поперечные координаты x = 0, ; • grids 7 and 8 have the shape of rectangles, the sides of which are parallel to the x and y axes. The widths of the working aperture of gratings 7 and 8 are equal And respectively (see Fig. 3 and Fig. 4), and the height is equal to And respectively (see Fig. 2). The centers of the working surface of the illuminator 6, as well as the first grating 7 and the second grating 8, are located on the optical axis of the projection device, i.e. the centers of these elements of the projection device 1 have transverse coordinates x = 0, ;
• поперечные размеры рабочей апертуры осветителя 6 и решеток 7 и 8 большие настолько, что в области, где формируется ЛМ структура (N,M), влиянием дифракции света на апертурах этих элементов можно пренебречь, что выполняется при условиях , , , где – меньшая из величин и , – меньшая из величин и , – меньшая из величин и , ; например, , , ;• the transverse dimensions of the working aperture of the illuminator 6 and gratings 7 and 8 are so large that in the region where the LM structure is formed ( N , M ), the influence of light diffraction on the apertures of these elements can be neglected, which is carried out under the conditions , , , Where – the smaller of the quantities And , – the smaller of the quantities And , – the smaller of the quantities And , ; For example, , , ;
• ширина решеток 7 и 8 значительно превосходит их периоды , ; например , .• the width of gratings 7 and 8 significantly exceeds their periods , ; For example , .
Сначала определим характеристики ЛМ структур, формируемых проекционным устройством 1, в частном случае, когда его параметры и параметры его элементов таковы, что согласно п. 2 формулы изобретения влияние дифракции света на амплитудных решетках 7 и 8 на характеристики ЛМ структур пренебрежимо мало. В этом частном случае для описания характеристик муаровых структур, формируемых двухрешеточным проектором 1, применимо приближение геометрической оптики. В приближении геометрической оптики характеристики муаровых структур не зависят от длины волны света, поэтому в проекционном устройстве в качестве осветителя может быть использован источник как монохроматического, так и немонохроматического света, в частности, источник широкополосного света, например, белого света. Влияние дифракции на решетках 7 и 8 на характеристики ЛМ структуры (N,M) можно не учитывать, если первая и вторая решетка расположены недалеко друг от друга, по п. 34 формулы изобретения расстояние между их плоскостями должно удовлетворять условиюFirst, we will determine the characteristics of the LM structures formed by the projection device 1, in the particular case when its parameters and the parameters of its elements are such that, according to claim 2 of the claims, the influence of light diffraction on the amplitude gratings 7 and 8 on the characteristics of the LM structures is negligible. In this particular case, to describe the characteristics of moiré structures formed by double-grid projector 1, the geometric optics approximation is applicable. In the geometric optics approximation, the characteristics of moiré structures do not depend on the wavelength of light, therefore, in a projection device, a source of both monochromatic and non-monochromatic light, in particular, a source of broadband light, for example, white light, can be used as an illuminator. The influence of diffraction on gratings 7 and 8 on the characteristics of the LM structure ( N , M ) can be ignored if the first and second gratings are located close to each other; according to clause 34 of the claims, the distance between their planes must satisfy the condition
(см. [26, 62, 63]), где длину вычисляют по формуле (see [26, 62, 63]), where the length calculated by the formula
величина равна , где - центральная длина волны света, излучаемого осветителем, - полуширина спектра света по длине волны по уровню . magnitude equal to , Where - central wavelength of light emitted by the illuminator, - half-width of the light spectrum by wavelength by level .
В качестве типичного примера рассмотрим свойства и оценим характеристики ЛМ структур, формирующихся в зоне геометрической оптики, в частном случае, когда по п. 35 формулы изобретения в проекционном устройстве 1 используют 1D амплитудные решетки 7 и 8 с синусоидальным пропусканием. Амплитудные коэффициенты пропускания первой решетки 7 и второй решетки 8 задаются соответственно формуламиAs As a typical example, we will consider the properties and evaluate the characteristics of LM structures formed in the zone of geometric optics, in the particular case when, according to claim 35 of the claims, 1D amplitude gratings 7 and 8 with sinusoidal transmission are used in the projection device 1. Amplitude transmittance coefficients of the first grating 7 and second grid 8 are given accordingly by the formulas
где , - глубина модуляции, , - волновое число, , - фаза амплитудного коэффициента пропускания первой решетки 7 и второй решетки 8 соответственно. Считаем, что решетки 7 и 8 по периметру с внешней стороны окружены непрозрачными оправами (на фигурах не показаны), поэтому коэффициент пропускания первой решетки 7 равен нулю при или , и коэффициент пропускания второй решетки 8 равен нулю при или . С помощью проекционного устройства с двумя 1D амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием можно сформировать не больше четырех муаровых структур (действительных псевдоизображений решетки) , [65]. Четыре муаровые структуры (N,M), а именно (1,2), (1,1), (2,2) и (2,1), возникают, если . Они расположены в окрестности трех плоскостей, которые удалены от второй решетки 8 на расстояния , которые вычисляются по формуле (1). Как следует из формулы (1), . Пространственные периоды муаровых структур (1,2), (1,1), (2,2) и (2,1) вычисляются по формуле (2). Между величинами периодов этих муаровых структур имеется следующее соотношение: . Фазы муаровых структур (1,2) (1,1) (2,2) и (2,1) равны соответственно , , , . Если , то проекционным устройством формируются три муаровые структуры, а муаровая структура (2,1) не возникает. При возникает только одна муаровая структура (1,2). При муаровых структур не возникает. Where , - modulation depth, , - wave number, , - phase of the amplitude transmittance of the first grating 7 and the second grating 8, respectively. We assume that gratings 7 and 8 are surrounded on the outer perimeter by opaque frames (not shown in the figures), so the transmittance of the first grating is 7 equal to zero at or , and the transmittance of the second grating is 8 equal to zero at or . Using a projection device with two 1D amplitude gratings with sinusoidal transmission, a maximum of four moire patterns (real pseudo-grating images) can be formed. , [65]. Four moiré structures ( N , M ), namely (1,2), (1,1), (2,2) and (2,1), arise if . They are located in the vicinity of three planes, which are removed from the second lattice 8 at a distance , which are calculated using formula (1). As follows from formula (1), . The spatial periods of moiré structures (1,2), (1,1), (2,2) and (2,1) are calculated using formula (2). There is the following relationship between the periods of these moiré structures: . The phases of the moiré structures (1,2) (1,1) (2,2) and (2,1) are equal, respectively , , , . If , then three moire structures are formed by the projection device, but the moire structure (2,1) does not appear. At only one moiré structure (1,2) appears. At no moiré structures appear.
Если ЛМ структура (N,M) возникает достаточно далеко от проекционного устройства 1, то вблизи области ее локализации уже нет полос света и тени от решеток 7 и 8. В частности, при и , полосы светотени от решеток в области локализации муаровой структуры (N,M) имеют малый контраст, например, он меньше 0,1, если выполняются условия , и . В важном для многих потенциальных приложений способа случае, когда , муаровые структуры с разными индексами (N,M), формируемые проекционным устройством с двумя 1D амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием, почти не перекрываются в пространстве. Исключение составляют муаровые структуры (1,1) и (2,2), которые расположены вблизи одной плоскости , где . В окрестности этой плоскости интенсивность света равнаIf the LM structure ( N , M ) appears far enough from the projection device 1, then near the region of its localization there are no longer stripes of light and shadow from gratings 7 and 8. In particular, when And , the bands of light and shadow from the gratings in the region of localization of the moiré structure ( N , M ) have low contrast, for example, it is less than 0.1 if the conditions are met , And . In an important case for many potential applications of the method, when , moiré structures with different indices ( N , M ), formed by a projection device with two 1D amplitude gratings with sinusoidal transmission, almost do not overlap in space. The exception is the moiré structures (1,1) and (2,2), which are located near the same plane , Where . In the vicinity of this plane light intensity is
(см. [65]), где - это интенсивность некогерентного света, падающего на первую решетку 7. В окрестности плоскостей и , где соответственно локализована муаровая структура (1,2) и (2,1), интенсивность света вычисляют по формуле (see [65]), where is the intensity of incoherent light incident on the first grating 7. In the vicinity of the planes And , where the moiré structure (1.2) and (2.1) is respectively localized, the light intensity is calculated using the formula
(см. [65]), где нижний индекс NM имеет значение 12 и 21 для муаровой структуры (1,2) и (2,1) соответственно, . Для всех муаровых структур (N,M) величина контраста , если , и , если . Контраст муаровых структур (N,M) зависит от продольной координаты z, и эта зависимость описывается формулой (see [65]), where the subscript NM has the value 12 and 21 for the moiré structure (1,2) and (2,1), respectively, . For all moiré structures ( N , M ), the contrast value , If , And , If . The contrast of moiré structures ( N , M ) depends on the longitudinal coordinate z , and this dependence is described by the formula
где - значение контраста муаровой структуры (N,M) в плоскости . Муаровая структура (1,1) является самой контрастной из четырех. В зоне ГО при и = 1 ее контраст в плоскости равен = 8/9 [56]. Контраст муаровой структуры (2,2) самый малый, в плоскости он равен = 1/18. Максимальный контраст муаровых структур (1,2) и (2,1) в зоне ГО при = 1 равен = 2/9 [65]. Функции описывает зависимость контраста муаровой структуры (N,M) от продольной координаты z. Ее значение при максимально и равно 1, т.е. . Функция убывает до 0 при удалении от плоскости как в сторону проекционного устройства, так и от него. Глубина резкости муаровой структуры (N,M) равна ширине по полувысоте (FWHM) функции , где . Where - contrast value of the moiré structure ( N , M ) in the plane . The moire structure (1,1) is the most contrasting of the four. In the GO zone at And = 1 its contrast in the plane equals = 8/9 [56]. The contrast of the moiré structure (2,2) is the smallest, in the plane it is equal = 1/18. Maximum contrast of moiré structures (1,2) and (2,1) in the GO zone at = 1 is equal = 2/9 [65]. Functions describes the dependence of the contrast of the moire structure ( N , M ) on the longitudinal coordinate z . Its value at maximum and equal to 1, i.e. . Function decreases to 0 as we move away from the plane both towards and away from the projection device. Depth of field moiré structure ( N , M ) is equal to the full width at half maximum (FWHM) of the function , Where .
Оценим глубину резкости муаровой структуры (N,M), которая формируется проекционным устройством 1 в некоторых частных случаях его реализации. Будем считать, что ограничивающие первую и вторую решетку оправы не виньетируют осветитель в направлении координаты x при его наблюдении из точки , и (см. фиг. 3 и 4). Это условие выполняется, например, если ширина рабочей апертуры решеток 7 и 8 больше или равна ширине рабочей апертуры осветителя 6Let us estimate the depth of field of the moire structure ( N , M ), which is formed by the projection device 1 in some special cases of its implementation. We will assume that the frames limiting the first and second gratings do not vignette the illuminator in the direction of coordinate x when it is observed from the point , And (see figs. 3 and 4). This condition is met, for example, if the width of the working aperture of the gratings 7 and 8 is greater than or equal to the width of the working aperture of the illuminator 6
Угловой размер половины рабочей апертуры источника света 6 в плоскости при наблюдении из точки с координатами , и обозначим (см. фиг. 3 и 4). Он равен , где . Из формулы (11) следует, что угловой размер первой и второй решеток в плоскости больше, чем угловой размер осветителя, где упомянутые угловые размеры осветителя и решеток определяются из точки , и . В частном случае, когда угловой размер осветителя меньше ширины углового спектра излучаемого им света (см. фиг. 4(а)), т.е. , а также когда яркость осветителя не зависит от угла при , функция вблизи плоскости при равна The angular size of half the working aperture of the light source 6 in the plane when observed from a point with coordinates , And let's denote (see figs. 3 and 4). It is equal , Where . From formula (11) it follows that the angular size of the first and second gratings in the plane greater than the angular size of the illuminator, where said angular dimensions of the illuminator and gratings are determined from the point , And . In the particular case when the angular size of the illuminator is less than the width of the angular spectrum of the light it emits (see Fig. 4(a)), i.e. , and also when the brightness of the illuminator does not depend on the angle at , function near the plane at equal to
где (см. [39, 67 - 69]). Из формулы (12) следует, что глубину резкости муаровой структуры (N,M) вблизи плоскости можно вычислить по формуле Where (see [39, 67 - 69]). From formula (12) it follows that the depth of field of the moiré structure (N,M) near the plane can be calculated using the formula
Муаровая структура (N,M) при является сильно локализованной , если выполняется условие Moiré structure ( N , M ) at is highly localized , if the condition is met
Из формулы (13) следует, что глубина резкости муаровой структуры (N,M) меньше четверти расстояния при . При муаровая структура (N,M) является локализованной (), если . Например, при и муаровая структура (1,1) будет локализованной, если ширина рабочей апертуры осветителя больше .From formula (13) it follows that the depth of field of the moire structure ( N , M ) is less than a quarter of the distance at . At the moiré structure ( N , M ) is localized ( ), If . For example, when And the moiré structure (1,1) will be localized if the width of the working aperture of the illuminator more .
В противоположном случае, когда по п. 36 формулы изобретения угловой размер рабочей апертуры осветителя 6 в плоскости при наблюдении из точки с координатами , и больше ширины углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя 6, (см. фиг. 4 (б)), глубину резкости муаровой структуры (N,M) вблизи плоскости при можно оценить по формулеIn the opposite case, when, according to claim 36 of the claims, the angular size of the working aperture of the illuminator 6 in the plane when observed from a point with coordinates, And greater than the width of the angular spectrum of light emitted by the surface elements of the illuminator 6, (see Fig. 4 (b)), depth of field moire structure (N,M) near the plane at can be estimated using the formula
Относительную глубину резкости муаровой структуры (N,M) при вычисляют по формуле Relative depth of field of the moire structure (N,M) at calculate according to the formula
Муаровая структура (N,M) при является локализованной , если выполняется условиеMoiré structure ( N , M ) at is localized , if the condition is met
в частности, при . Из неравенства (17) и условия , которое можно записать в виде , опять следует необходимое условие (14) , при выполнении которого муаровая структура будет локализованной. В частности, при . Таким образом, для того, чтобы проекционным устройством 1, в котором установлены первая и вторая решетки с угловыми размерами в плоскости больше, чем угловой размер рабочей апертуры осветителя, формировалась локализованная муаровая структура (N,M), в этом проекционном устройстве по п. 37 формулы изобретения нужно использовать осветитель 6, у которого тангенс углового размера в плоскости половины рабочей апертуры, равный , а также тангенс полуширины в этой плоскости углового спектра излучаемого им света более чем в пять раз превышают отношение .in particular, at. From inequality (17) and conditions, which can be written in the form, again the necessary condition (14) follows, during which the moiré structure will be localized. In particular, at. Thus, in order for the projection device 1, in which the first and second gratings with angular dimensions in the plane larger than the angular size of the working aperture of the illuminator, a localized moire structure was formed (N,M), in this projection device according to clause 37 of the formula of the invention, it is necessary to use an illuminator 6, whose tangent of the angular size in the plane half the working aperture, equal, as well as the tangent of the half-width in this plane of the angular spectrum of the light emitted by it are more than five times greater than the ratio.
В частном случае реализации проекционного устройства 1, когда полуширина углового спектра света, испускаемого элементами поверхности осветителя, равна , и ширина рабочей апертуры осветителя превосходит расстояние от нее до плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (N,M) более, чем в два раза , т.е. , из формулы (15) следует, что глубина резкости муаровой структуры примерно равна . Из этой оценки , а также формул (1) и (2) следует, что относительная глубина резкости ЛМ структуры (N,M) примерно равна . Исходя из такой оценки относительной глубины резкости, находим, что при = 1 мм у муаровой структуры (1,1) в зоне геометрической оптики, где выполняется условие (5), величины может быть порядка процента. In the particular case of implementation of projection device 1, when the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the illuminator surface is equal to , and the width of the working aperture of the illuminator exceeds the distance from it to the plane of greatest contrast of the moiré structure ( N , M ) by more than twice , i.e. , from formula (15) it follows that the depth of field of the moiré structure is approximately equal to . From this assessment , as well as formulas (1) and (2), it follows that the relative depth of field of the LM structure ( N , M ) is approximately equal to . Based on this estimate of the relative depth of field, we find that when = 1 mm for the moiré structure (1,1) in the zone of geometric optics, where condition (5) is satisfied, the quantities may be on the order of a percentage.
Ширина муаровой структуры (N,M) в плоскости равна (см. фиг. 4)Width of moire pattern (N,M) in the plane equal to (see Fig. 4)
Контраст и глубина резкости ЛМ структур зависят от поперечной координаты x. Локализованная муаровая структура (N,M) имеет наибольший контраст и наименьшую глубину резкости вблизи плоскости . В окрестности этой плоскости есть область шириной (см. фиг. 4), в пределах которой контраст и глубина резкости ЛМ структуры (N,M) не изменяются или изменяются мало, например, меньше, чем в 1,2 раза. Будем называть эту область центральной областью муаровой структуры (N,M). Ширину центральной области можно оценить по формуле (см. фиг. 4 (а, б))The contrast and depth of field of LM structures depend on the transverse coordinate x . Localized moiré structure ( N,M ) has the highest contrast and smallest depth of field near the plane . In the vicinity of this plane there is a region of width (see Fig. 4), within which the contrast and depth of field of the LM structure ( N,M ) do not change or change little, for example, less than 1.2 times. We will call this region the central region of the moire structure ( N,M ). Width of the central area can be estimated using the formula (see Fig. 4 (a, b))
Для осуществления предлагемого способа дальнометрии и профилометрии предпочтительно, чтобы . To implement the proposed method of ranging and profilometry, it is preferable that .
Таким образом, по п. 14 формулы изобретения, если оправы, ограничивающие первую и вторую решетку, не виньетируют осветитель в направлении координаты x при его наблюдении из центральной области этой ЛМ структуры, то при глубину резкости ЛМ структуры (N,M) в области можно оценить по формулам (13) или (15), которые можно заменить одной обобщенной формулойThus, according to claim 14 of the claims, if the frames delimiting the first and second gratings do not vignette the illuminator in the direction of the coordinatex when it is observed from the central region of this LM structure, then when depth of field LM structure (N,M) in area can be assessed according to formulas (13) or (15), which can be replaced by one generalized formula
где - наименьшая из величин и .Where - the smallest of the values And .
Абсолютная ошибка определения расстояния от проекционного устройства до заданной точки объекта 5 пропорциональна глубине резкости муаровой структуры и обычно не превосходит величины . Для дальнометрии и профилометрии предпочтительно использовать ЛМ структуры с малой глубина резкости, например, по п. 15 формулы изобретения предлагается использовать ЛМ структуры, у которых в центральной области относительная глубина резкости меньше трех процентов. Для увеличения точности и уменьшения времени измерения целесообразно оптимизировать характеристики ЛМ структуры, проецируемой на поверхность объекта 5, в частности, выбрать оптимальный период ЛМ структуры, ее глубину резкости и направление полос. В случае (см. фиг. 4(б)), увеличивая ширину источника света, а также ширину решеток, как следует из формул (11) и (19), можно практически неограниченно увеличивать ширину центральной области , в пределах которой точность измерения расстояния до точек объекта и его формы будет примерно такой же, как в центре ЛМ структуры . Таким образом, предлагаемые в изобретении способ и система позволяют осуществлять широкопольную дальнометрию и профилометрию. The absolute error in determining the distance from the projection device to a given point of the object 5 is proportional to the depth of field of the moiré structure and usually does not exceed . For ranging and profilometry, it is preferable to use LM structures with a shallow depth of field, for example, according to claim 15 of the invention, it is proposed to use LM structures whose relative depth of field in the central region is less than three percent. To increase the accuracy and reduce the measurement time, it is advisable to optimize the characteristics of the LM structure projected onto the surface of the object 5, in particular, to select the optimal period of the LM structure, its depth of field and the direction of the stripes. When ( see Fig. 4(b)), by increasing the width of the light source, as well as the width of the gratings, as follows from formulas (11) and (19), it is possible to increase the width of the central region almost unlimitedly , within which the accuracy of measuring the distance to the points of the object and its shape will be approximately the same as in the center of the LM structure . Thus, the method and system proposed in the invention allow for wide-field ranging and profilometry.
Приведем первый численный пример, в котором определим характеристики муаровых структур, формируемых в зоне геометрической оптики проекционным устройством 1 с тонкими амплитудными решетками 7 и 8. Полагаем, что в проекционном устройстве установлены первая и вторая решетки с синусоидальным пропусканием с периодами = 2 мм и = 1 мм соответственно. Глубина модуляции функции пропускания этих решеток равна = 1. Расстояние между первой решеткой 7 и второй решеткой 8 равно = 20 см. Осветитель 6 расположен вплотную к первой решетке = 0. Источник света 6, первая и вторая решетки имеют равную ширину = 100 см. Осветитель 6 излучает диффузный свет в диапазоне мкм. Полуширина углового спектра света, излучаемого малыми некогерентными элементами поверхности осветителя, равна 30о. Проекционным устройством 1 с такими параметрами формируются две муаровые структуры с контрастом более 0,2: это муаровые структуры (1,1) и (1,2). Муаровая структура (2,1) не возникает, т.к. . Расстояния между решетками меньше, чем расстояние равное 33 см, поэтому влиянием дифракции света на характеристики муаровых структур (1,1) и (1,2) можно пренебречь. Пространственный период муаровой структуры (1,1) равен = 2 мм. Эта муаровая структура будет иметь наибольший контраст в плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние = 20 см. Максимальная величина ее контраста примерно равна ≈ 0,9. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,1) равна 54 см. Глубина резкости муаровой структуры (1,1) в ее центральной области равна 2 мм. Муаровая структура (1,2) с пространственным периодом = 0,67 мм локализована вблизи плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние ≈ 6,7 см. Ее максимальный контраст равен примерно = 0,22. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,2) равна 69 см. Глубина резкости этой муаровой структуры в ее центральной области равна 0,7мм. Относительная глубина резкости муаровых структур (1,1) и (1,2) примерно равна 1%.Let us give the first numerical example in which we determine the characteristics of moiré structures formed in the area of geometric optics by projection device 1 with thin amplitude gratings 7 and 8. We assume that the first and second gratings with sinusoidal transmission with periods are installed in the projection device = 2 mm and = 1 mm respectively. The modulation depth of the transmission function of these gratings is equal to = 1. The distance between the first grating 7 and the second grating 8 is = 20 cm. Illuminator 6 is located close to the first grille = 0. Light source 6, first and second gratings have equal width = 100 cm. Illuminator 6 emits diffuse light in the range µm. The half-width of the angular spectrum of light emitted by small incoherent elements of the illuminator surface is equal to 30 o . The projection device 1 with these parameters forms two moire structures with a contrast of more than 0.2: these are moire structures (1,1) and (1,2). The moiré structure (2,1) does not arise, because . Distances between gratings less than distance equal to 33 cm, therefore the influence of light diffraction on the characteristics of moiré structures (1,1) and (1,2) can be neglected. The spatial period of the moiré structure (1,1) is equal to = 2 mm. This moiré structure will have the greatest contrast in a plane distant from the second grating at a distance = 20 cm. The maximum value of its contrast is approximately equal to ≈ 0.9. The width of the central region of the LM structure (1,1) is equal to 54 cm. The depth of field of the moire structure (1,1) in its central area is equal to 2 mm. Moiré structure (1,2) with spatial period = 0.67 mm is localized near a plane distant from the second grating at a distance ≈ 6.7 cm. Its maximum contrast is approximately = 0.22. The width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to 69 cm. Depth of field of this moire pattern in its central region is equal to 0.7mm. The relative depth of field of the moiré structures (1,1) and (1,2) is approximately 1%.
Отметим, что формулы (13), (15), (19) и (20) дают только приблизительную оценку глубины резкости муаровой структуры (N,M) и ширины ее центральной области. Для повышения точности измерений с помощью предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии предпочтительно предварительно провести измерения зависимости контраста муаровой структуры (N,M) от продольной координаты z и поперечной координаты x, и на основании данных этих экспериментов определить ошибку измерений расстояния и координат. Note that formulas (13), (15), (19) and (20) provide only an approximate estimate of the depth of field of the moiré structure ( N , M ) and the width of its central region. To increase the accuracy of measurements using the proposed method of ranging and profilometry, it is preferable to first measure the dependence of the contrast of the moiré structure ( N , M ) on the longitudinal coordinate z and transverse coordinate x , and based on the data of these experiments, determine the measurement error of the distance and coordinates .
В ряде других частных случаев реализации предлагаемой системы дальнометрии и профилометриии в ней используется проекционное устройство 1, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка с периодической несинусоидальной зависимостью коэффициента пропускания от координаты x. C помощью проекционного устройства 1, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка с несинусоидальным пропусканием можно формировать муаровые структуры (N,M), у которых максимальные значения целочисленных индексов N и M не ограничены значением два [27, 64, 66, 70]. Количество муаровых структур, формируемых таким проекционным устройством, может быть больше, чем в частном случае, когда используются две амплитудные решетки с синусоидальным пропусканием. Расстояния от проекционного устройства 1 до плоскости, где контраст этих муаровых структур имеет наибольшее значение, вычисляют по формуле (1), их периоды вычисляют по формуле (2). Величина контраста муаровой структуры (N,M) в плоскости в зоне ГО определяется, в частности, зависимостью коэффициентов пропускания первой и второй решетки от координаты x. Глубину резкости ЛМ структур можно оценить, используя формулу (20). In a number of other special cases of implementation of the proposed ranging and profilometry system, it uses a projection device 1, in which at least one amplitude grating is installed with a periodic non-sinusoidal dependence of the transmittance on the coordinatex. Using a projection device 1, in which at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission is installed, it is possible to form moiré structures (N,M), which have maximum values of integer indicesN AndM not limited value two [27, 64, 66, 70]. The number of moire patterns formed by such a projection device is may be greater than in the particular case when two amplitude gratings with sinusoidal transmission are used. The distances from the projection device 1 to the plane where the contrast of these moiré structures is greatest are calculated using formula (1), their periods are calculated using formula (2). The contrast value of the moire structure (N,M) in the plane in the GO zone is determined, in particular, by the dependence of the transmittance coefficients of the first and second gratings from coordinatex. The depth of field of LM structures can be estimated using formula (20).
В качестве амплитудной решетки с несинусоидальным пропусканием (п. 27 формулы изобретения) можно использовать периодический бинарный растр (см. фиг. 5 (б)). Коэффициент заполнения бинарного растра равен , где - период решетки, - ширина ее прозрачных полос, индекс обозначает номер решетки в проекционном устройстве 1. Амплитудный бинарный растр с также называется решеткой Ронки. В частном случае, когда первая решетка 7 и вторая решетка 8 в проекционном устройстве 1 являются решетками Ронки, в области геометрической оптики могут возникнуть относительно контрастные муаровые структуры (1,1), (1,3) и (3,1). Условие их возникновения - , здесь N и M равны 1 или 3. Наибольший контраст муаровой структуры (1,1) при примерно такой же, как и при использовании двух амплитудных решеток с синусоидальным пропусканием 0,9. Наибольшее значение контраста муаровых структур (1,3) и (3,1) равно примерно 0,3. Остальные муаровые структуры (N,M), формируемые проекционным устройством с двумя решетками Ронки, в зоне геометрической оптики имеют контраст менее 0,2. При использовании в проекционном устройстве по меньшей мере одного бинарного растра с коэффициентом заполнения меньшим, чем у решетки Ронки, т.е. , число относительно контрастных муаровых структур может быть значительно больше трех. Например, в частном случае, когда в проекционном устройстве первой решеткой является бинарный растр с , а второй решеткой является решетка Ронки или решетка с синусоидальным пропусканием при будут формироваться контрастные муаровые структуры (1,4), (1,3), (1,2), (1,1), (2,1), (3,1) и (4,1) (с контрастом ). Как следует из формулы (1), . As an amplitude gratings with non-sinusoidal transmission (clause 27 of the claims), a periodic binary raster can be used (see Fig. 5 (b)). The fill factor of a binary raster is equal to, Where - lattice period, - the width of its transparent stripes, index denotes the grating number in the projection device 1. Amplitude binary raster with also called Ronchi grid. In the particular case where the first grating 7 and the second grating 8 in the projection device 1 are Ronchi gratings, relatively contrasting moiré structures (1,1), (1,3) and (3,1) can appear in the field of geometric optics. The condition for their occurrence is, HereN AndM equal to 1 or 3. The greatest contrast of the moire structure (1,1) at approximately the same as when using two amplitude gratings with sinusoidal transmission0.9. The highest contrast value of the moiré structures (1.3) and (3.1) is approximately 0.3. The remaining moiré structures (N,M), formed by a projection device with two Ronchi gratings, in the geometric optics zone have a contrast of less than 0.2. When using in a projection device at least one binary raster with a fill factor less than that of the Ronchi grating, i.e., the number of relatively contrasting moiré structures can be significantly more than three. For example, in the particular case when the first lattice in a projection device is a binary raster with, and the second grating is a Ronchi grating or a grating with sinusoidal transmission at contrasting moiré structures (1,4), (1,3), (1,2), (1,1), (2,1), (3,1) and (4,1) will be formed (with contrast). As follows from formula (1),.
Установка в проекционном устройстве по меньшей мере одной амплитудной решетки с несинусоидальным пропусканием, в ряде случаев позволяет лучше приспособить предлагаемый способ к условиям конкретной задачи дальнометрии и профилометрии. В частности, в случае, когда проекционным устройством формируется большое число относительно контрастных ЛМ структур, например, их число больше трех, есть возможность расширить диапазон и точность, а также уменьшить время измерения расстояний, координат и формы объектов. Достоинством применения проекционного устройства, в котором установлена по меньшей мере одна бинарная решетка, также является возможность управлять характеристиками ЛМ структур, например, их количеством и контрастом, путем изменения периода и/или коэффициента заполнения решетки. Installation in a projection device at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission, in some cases makes it possible to better adapt the proposed method to the conditions of a specific ranging and profilometry problem. In particular, in the case when a projection device forms a large number of relatively contrasting LM structures, for example, their number is more than three, it is possible to expand the range and accuracy, as well as reduce the time for measuring distances, coordinates and shapes of objects. The advantage of using a projection device in which at least one binary grating is installed is also the ability to control the characteristics of LM structures, for example, their number and contrast, by changing the period and/or fill factor of the grating.
В частном случае (п. 3 формулы изобретения) для осуществления способа дальнометрии и профилометрии используется одна или большее число локализованных муаровых структур, на характеристики которых влияет эффект дифракции света. Схема системы для осуществления способа по п. 3 формулы изобретения такая же как, схема системы для осуществления способа по п. 2 формулы изобретения, когда контролируемые объекты расположены в зоне ГО проекционного устройства. Она приведена на фиг. 1. Отличие состоит в том, что в частном случае осуществления способа по п. 3 формулы изобретения параметры проекционного устройства 1 и его элементов, в частности, типы и периоды решеток 7 и 8, расстояния между ними являются такими, что ЛМ структуры формируются в зоне дифракции Френеля проекционного устройства. В проекционном устройстве, которое применяется для осуществления способа по п. 3 формулы изобретения, в качестве первой и/или второй решетки могут использоваться не только амплитудные решетки, но и по п. 28 формулы изобретения фазовые решетки [69, 71, 72], а также амплитудно-фазовые решетки [55, 56]. Двухрешеточное устройство, которое формирует муаровые структуры (псевдоизображения решетки) в зоне дифракции Френеля, в ряде публикаций называется интерферометром Тальбота-Лау [55, 70, 73]. Некоторые свойства муаровых структур, формируемых двухрешеточным устройством (интерферометром Тальбота-Лау) в зоне дифракции Френеля, рассмотрены в публикациях [28 - 30, 39, 64, 65, 69, 74, 75]. Ширину центральных областей ЛМ структур и их глубину резкости в центральной области в зоне дифракции Френеля можно оценить по формулам (19) и (20). Для достижения относительно высокого контраста муаровых структур, формируемых в зоне дифракции Френеля, вместо условия (5), которое необходимо для применимости приближения ГО, требуется выполнение других условий, которые налагают ограничения на параметры проекционного устройства. В качестве примера определим условия, при которых формируются контрастные ЛМ структуры в зоне дифракции Френеля, в частном случае, когда в проекционном устройстве по п. 35 формулы изобретения используются две амплитудные решетки с синусоидальным пропусканием. Будем считать, что . В этом случае в окрестности трех плоскостей с координатами , и возникают муаровые структуры (1,2), (1,1), (2,2) и (2,1) соответственно. Как показано в публикациях [27, 30, 32, 64, 65, 75], зависимости контраста ЛМ структуры от расстояния между первой и второй решетками, от ширины частотного спектра света, излучаемого осветителем, качественно различаются для муаровых структур (N,M) с нечетным и четным значением индекса M. По этой причине сначала определим условия формирования контрастных муаровых структур (1,1) и (2,1), у которых M = 1, и затем отдельно условия формирования контрастной муаровой структуры (1,2), у которой M = 2. Контраст муаровой структуры (2,2) мал, поэтому ее учитывать не будем. In a particular case (clause 3 of the claims), to implement the method of ranging and profilometry, one or more localized moire structures are used, the characteristics of which are influenced by the effect of light diffraction. The system diagram for implementing the method according to claim 3 of the formula of the invention is the same as the system diagram for implementing the method according to claim 2 of the formula, when the controlled objects are located in the zone of the GO projection device. It is shown in Fig. 1. The difference is that in the particular case of implementing the method according to claim 3 of the claims, the parameters of the projection device 1 and its elements, in particular, the types and periods of gratings 7 and 8, the distances between them are such that LM structures are formed in the zone Fresnel diffraction projection device. In the projection device, which is used to implement the method according to claim 3 of the formula of the invention, not only amplitude gratings can be used as the first and/or second grating, but also phase gratings according to claim 28 of the formula [69, 71, 72], and also amplitude-phase gratings [55, 56]. A two-grating device that forms moiré structures (grating pseudo-images) in the Fresnel diffraction zone is called a Talbot-Lau interferometer in a number of publications [55, 70, 73]. Some properties of moiré structures formed by a two-grating device (Talbot-Lau interferometer) in the Fresnel diffraction zone are considered in publications [28 - 30, 39, 64, 65, 69, 74, 75]. The width of the central regions of LM structures and their depth of field in the central region in the Fresnel diffraction zone can be estimated according to formulas (19) and (20). To achieve a relatively high contrast of moiré structures formed in the Fresnel diffraction zone, instead of condition (5), which is necessary for the applicability of the GO approximation, other conditions are required conditions that impose restrictions on projection device parameters. As an example, we will determine the conditions under which contrasting LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone, in the particular case when the projection device according to claim 35 of the claims uses two amplitude gratings with sinusoidal transmission. We will assume that. In this case, in the neighborhood of three planes with coordinates, And moiré structures (1,2), (1,1), (2,2) and (2,1) appear, respectively. As shown in publications [27, 30, 32, 64, 65, 75], The dependences of the contrast of the LM structure on the distance between the first and second gratings and on the width of the frequency spectrum of light emitted by the illuminator are qualitatively different for moiré structures (N,M) with odd and even index valuesM. For this reason, we first determine the conditions for the formation of contrasting moiré structures (1,1) and (2,1), for whichM= 1, and then separately the conditions for the formation of a contrasting moiré structure (1,2), for whichM= 2. The contrast of the moire structure (2.2) is small, so we will not take it into account.
Контраст муаровых структур (1,1) и (2,1) в области дифракции Френеля зависит, в частности, от расстояния между решетками и длины (см. [32, 33, 65, 67, 68]). Варьируя расстояние между решетками, их периоды, длину волны и ширину спектра света, можно изменять величину максимального контраста муаровых структур (1,1) и (2,1) от малой величины, которая меньше 0,1, до наибольшего значения, которое близко к наибольшему значению их контраста в приближении геометрической оптики, в частности, величина может быть больше , где - контраст муаровой структуры (N,1) в плоскости в приближении геометрической оптики, индекс N равен 1 и 2 для муаровых структур (1,1) и (2,1) соответственно. Будем считать, что в проекционном устройстве 1 используется осветитель, который расположен вблизи первой решетки () и который излучает монохроматический некогерентный свет с длиной волны , а также выполняется условие . В этом случае контраст муаровой структуры (N,1) в плоскости будет иметь величину, которая ненамного меньше величины ее контраста в зоне ГО, если величина по модулю близка к единице (см. [65]). Это требование выполняется при условииThe contrast of moiré structures (1,1) and (2,1) in the Fresnel diffraction region depends, in particular, on the distance between the gratings and length (see [32, 33, 65, 67, 68]). By varying the distance between the gratings, their periods, wavelength and light spectrum width, it is possible to change the maximum contrast value of the moiré structures (1,1) and (2,1) from a small value, which is less than 0.1, to the highest value, which is close to the highest value of their contrast in the geometric optics approximation, in particular, the value maybe more , Where - contrast of the moiré structure ( N ,1) in the plane in the approximation of geometric optics, the index N is equal to 1 and 2 for moiré structures (1,1) and (2,1), respectively. Let us assume that the projection device 1 uses an illuminator that is located near the first grating ( ) and which emits monochromatic incoherent light with a wavelength , and the condition is also satisfied . In this case, the contrast of the moiré structure ( N ,1) in the plane will have a value that is not much less than the value of its contrast in the GO zone, if the value modulus is close to unity (see [65]). This requirement is met provided
где = 0, 1, 2, 3, … . Частный случай = 0 - это случай, когда величина мала (например,); он соответствует приближению геометрической оптики для описания характеристик ЛМ структур. При 1, т.е. в зоне Френеля проекционного устройства, контраст муаровых структур (1,1) и (2,1) в плоскостях будет превышать соответственно и , если расстояние между решетками изменяется в пределах интервалов до (см. [65]). Контраст муаровых структур (1,1) и (2,1), формируемых проекционным устройством 1 в зоне дифракции Френеля, при освещении решеток 7 и 8 немонохроматическим светом будет меньше, чем их контраст в случае, когда решетки освещаются монохроматическим светом. Уменьшение контраста муаровых структур будет не очень значительным, если излучаемый осветителем свет имеет полуширину спектра по длине волны, ограниченную условием , например, в случае меньше уменьшение контраста по сравнению с будет не более, чем в два раза [64, 67], здесь = 1, 2, 3, … . Из этой оценки следует, что при расстоянии между решетками 7 и 8 меньше муаровые структуры (1,1) и (2,1) с контрастом могут формироваться при освещении решеток немонохроматическим светом с шириной спектра несколько десятых долей .Where = 0, 1, 2, 3, … . Special case = 0 is the case when the value small (for example, ); it corresponds to the geometric optics approximation for describing the characteristics of LM structures. At 1, i.e. in the Fresnel zone of the projection device, the contrast of moiré structures (1,1) and (2,1) in the planes will exceed accordingly And , if the distance between the gratings changes within the intervals before (see [65]). The contrast of the moire structures (1,1) and (2,1), formed by the projection device 1 in the Fresnel diffraction zone, when the gratings 7 and 8 are illuminated with non-monochromatic light, will be less than their contrast in the case when the gratings are illuminated with monochromatic light. The decrease in the contrast of moiré structures will not be very significant if the light emitted by the illuminator has a spectral half-width along the wavelength limited by the condition , for example, in the case less decrease in contrast compared to will be no more than twice [64, 67], here = 1, 2, 3, … . From this estimate it follows that when the distance between the gratings is 7 and 8 less moiré structures (1,1) and (2,1) with contrast can be formed when gratings are illuminated with non-monochromatic light with a spectral width of several tenths .
Таким образом, если для дальнометрии и профилометрии в зоне дифракции Френеля проекционного устройства используется ЛМ структура (1,1), то согласно п. 38 формулы изобретения предпочтительно, чтобы расстояние между установленными в проекционном устройстве амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием было в пределах диапазонов от до , а установленный в проекционном устройстве осветитель излучал свет с полушириной спектра по длине волны меньше, чем . При использовании ЛМ структуры (2,1) согласно п. 39 формулы изобретения предпочтительно, чтобы расстояние между первой и второй амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием было в пределах диапазонов от до , а осветитель излучал свет с полушириной спектра по длине волны меньше, чем . Thus, if an LM structure (1,1) is used for ranging and profilometry in the Fresnel diffraction zone of a projection device, then according to clause 38 of the claims, it is preferable that the distance between the amplitude gratings installed in the projection device with sinusoidal transmission be within the ranges from before , and the illuminator installed in the projection device emitted light with a half-spectrum wavelength less than . When using the LM structure (2,1) according to clause 39 of the claims, it is preferable that the distance between the first and second amplitude gratings with sinusoidal transmission be within the ranges from before , and the illuminator emitted light with a half-width spectrum along the wavelength less than .
Наибольшая величина контраста муаровой структуры (1,2), в отличие от муаровых структур (1,1) и (2,1), слабо зависит от расстояния между решетками 7 и 8 и их периодов, а также длины волны и ширины спектра света, излучаемого осветителем [65]. В частном случае, когда полуширина углового спектра света, излучаемого осветителем, меньше 30о и источник света расположен близко к первой решетке , (например, ) величина контраста муаровой структуры (1,2) в плоскости будет от 0,21 до 0,25 при произвольных значениях ширины частотного спектра света, излучаемого осветителем, а также расстояния между решетками и их периодов [65]. The highest contrast value of the moire structure (1,2), in contrast to the moire structures (1,1) and (2,1), weakly depends on the distance between gratings 7 and 8 and their periods, as well as the wavelength and width of the light spectrum, emitted by the illuminator [65]. In a particular case, when the half-width of the angular spectrum of light emitted by the illuminator is less than 30 ° and the light source is located close to the first grating , (For example, ) the magnitude of the contrast of the moiré structure (1,2) in the plane will be from 0.21 to 0.25 for arbitrary values of the width of the frequency spectrum of the light emitted by the illuminator, as well as the distance between the gratings and their periods [65].
Во втором численном примере определим характеристики муаровых структур, формируемых в зоне дифракции Френеля проекционным устройством 1 с двумя амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием. Полагаем, что период первой решетки 7 равен 0,5 мм, период второй решетки 8 равен = 0,25 мм, . Обе решетки являются тонкими. Центральная длина волны света, излучаемого осветителем 6, равна = 0,5 мкм, полуширина спектра света равна 0,1 мкм. Полуширина углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя 6, равна = 20o. Осветитель 6 расположен вплотную к первой решетке = 0. Источник света 6 и решетки 7 и 8 имеют ширину рабочей апертуры, равную = 1 м. Расстояние между решетками равно . Длина равна 25 см. При указанных выше параметрах проекционного устройства 1 ЛМ структуры будут формироваться в зоне дифракции Френеля, так как . Для муаровой структуры (1,1) параметр равен 1. Пространственный период муаровой структуры (1,1) равен = 0,5 мм. Эта муаровая структура будет иметь наибольший контраст в плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние = 22,5 см. Величина превышает 0,6. Угловой размер половины апертуры осветителя равен 48o. Он больше, чем полуширина углового спектра света, излучаемого элементами рабочей поверхности осветителя 6, >. Глубина резкости муаровой структуры (1,1) примерно равна =0,8 мм. Относительная глубина резкости ЛМ структуры (1,1) равна 0,34 10-2. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,1) равна примерно 67 см. Пространственный период муаровой структуры (1,2) равен = 0,17 мм. Эта муаровая структура имеет наибольший контраст на расстоянии = 7,5 см от проекционного устройства. Наибольшее значение контраста муаровой структуры (1,2) примерно равно . Глубина резкости муаровой структуры (1,2) равна = 0,3 мм, ее относительная глубина резкости равна . Ширина центральной области ЛМ структуры (1,2) равна = 78 см. Если, не меняя остальные параметры проекционного устройства 1, расстояние от первой решетки 7 до второй решетки 8 сделать равным 45 см, то муаровая структура (1,2) будет иметь максимальный контраст в плоскости, удаленной на расстоянии = 15 см от проекционного устройства. Угловой размер половины рабочей апертуры осветителя в этом случае равен 40o. Он больше, чем полуширина углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя, . При = 45 см ширина центральной области ЛМ структуры (1,2) равна = 62 см, ее относительная глубина резкости равна .In the second numerical example, we will determine the characteristics of moiré structures formed in the Fresnel diffraction zone by projection device 1 with two amplitude gratings with sinusoidal transmission. We assume that the period of the first lattice 7 is equal to 0.5 mm, the period of the second grating 8 is = 0.25 mm, . Both grilles are thin. The central wavelength of light emitted by the illuminator 6 is equal to = 0.5 µm, half-width of the light spectrum equal to 0.1 µm. The half-width of the angular spectrum of light emitted by the surface elements of the illuminator 6 is equal to = 20 o . Illuminator 6 is located close to the first grille = 0. Light source 6 and gratings 7 and 8 have a working aperture width equal to = 1 m. The distance between the gratings is . Length equal to 25 cm. With the above parameters of the projection device 1 LM, structures will be formed in the Fresnel diffraction zone, since . For the moiré structure (1,1) the parameter is equal to 1. The spatial period of the moiré structure (1,1) is equal to = 0.5 mm. This moiré structure will have the greatest contrast in a plane distant from the second grating at a distance = 22.5 cm. Size exceeds 0.6. Angular size of half of the illuminator aperture equals 48 o . It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the working surface of the illuminator 6, > . The depth of field of the moiré structure (1,1) is approximately equal to =0.8 mm. The relative depth of field of the LM structure (1,1) is equal to 0.34 10 -2 . The width of the central region of the LM structure (1,1) is approximately 67 cm. The spatial period of the moire structure (1,2) is equal to = 0.17 mm. This moiré pattern has the greatest contrast at a distance = 7.5 cm from the projection device. The highest contrast value of the moire structure (1.2) is approximately equal to . The depth of field of the moire structure (1,2) is equal to = 0.3 mm, its relative depth of field is . The width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to = 78 cm. If, without changing the other parameters of the projection device 1, the distance from the first grating 7 to the second grating 8 is made equal to 45 cm, then the moiré structure (1,2) will have maximum contrast in a plane located at a distance = 15 cm from the projection device. Angular size of half the working aperture of the illuminator in this case it is equal to 40 o . It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the surface elements of the illuminator, . At = 45 cm the width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to = 62 cm, its relative depth of field is .
Проекционное устройство с параметрами, при которых ЛМ структура по п. 3 формулы изобретения формируется в его зоне дифракции Френеля, предпочтительно использовать для дальнометрии и профилометрии в случаях, когда есть необходимость минимизировать период и относительную глубину резкости ЛМ структуры, при условии, что плоскость наибольшего контраста ЛМ структуры расположена на заданном расстоянии от проекционного устройства. Преимуществом реализации способа по п. 3 формулы изобретения также может являться то, что в этом случае можно сформировать и использовать для дальнометрии и профилометрии ЛМ структуру с заданным, например, оптимальным для измерений, пространственным периодом, которая удалена от проекционного устройства на относительно большое расстояние, которое по крайней мере больше, чем расстояние от проекционного устройства до границы его зоны ГО. Специфические особенности реализации способа по п. 3 формулы изобретения связаны, в частности, с ограничениями для ЛМ структур (N,M) с нечетным значением индекса M на ширину частотного спектра света, а также на диапазон изменения расстояний между решетками и/или их периодов.Projection device with parameters, in which the LM structure according to claim 3 of the formula of the invention is formed in its Fresnel diffraction zone, it is preferable to use it for ranging and profilometry in cases where there is a need to minimize the period and relative depth of field of the LM structure, provided that the plane of greatest contrast of the LM structure is located at a given distance from the projection device. The advantage of implementing the method according to claim 3 of the claims may also be that in this case it is possible to form and use for LM ranging and profilometry a structure with a given, for example, optimal for measurements, spatial period, which is remote from the projection device at a relatively large distance, which is at least greater than the distance from the projection device to the border of his civil defense zone. Specific features of the implementation of the method according to claim 3 of the claims are associated, in particular, with restrictions for LM structures (N,M) with an odd index valueM on the width of the frequency spectrum of light, as well as on the range of changes in the distances between the gratings and/or their periods.
Источники литературыLiterature sources
1. Гужов В. И. Методы измерения 3D-профиля объектов. Контактные, триангуляционные системы и методы структурированного освещения, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2015, 82 с.;1. Guzhov V.I. Methods for measuring 3D profiles of objects. Contact, triangulation systems and methods of structured lighting, Novosibirsk, NSTU Publishing House, 2015, 82 pp.;
2. Zhang S. High-Speed 3D Imaging with Digital Fringe Projection Techniques, CRC Press, 2019, 216 p.;2. Zhang S. High-Speed 3D Imaging with Digital Fringe Projection Techniques, CRC Press, 2019, 216 p.;
3. Giancola S., Valenti M., and Sala R. A Survey on 3D Cameras: Metrological Comparison of Time-of-Flight, Structured-Light and Active Stereoscopy Technologies, Springer Briefs in Computer Science, 2018, 90 p.;3. Giancola S., Valenti M., and Sala R. A Survey on 3D Cameras: Metrological Comparison of Time-of-Flight, Structured-Light and Active Stereoscopy Technologies, Springer Briefs in Computer Science, 2018, 90 p.;
4. Berkovic G. and Shafir E. «Optical methods for distance and displacement measurements» // Adv. Opt. Photon. 2012, Vol.4, Issue 4, pp. 441-471;4. Berkovic G. and Shafir E. “Optical methods for distance and displacement measurements” // Adv. Opt. Photon. 2012, Vol.4, Issue 4, pp. 441-471;
5. Marrugo A. G., Gao F., and Zhang S. «State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review» // J. Opt. Soc. Am. A, 2020, Vol. 37, Issue 9, pp. B60-B77;5. Marrugo A. G., Gao F., and Zhang S. “State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review” // J. Opt. Soc. Am. A, 2020, Vol. 37, Issue 9, pp. B60-B77;
6. Patent US10557939, 11.02.2020 «Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise» // Campbell S. R., Eichenholz J. M., Weed M. D.;6. Patent US10557939, 02/11/2020 “Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise” // Campbell S. R., Eichenholz J. M., Weed M. D.;
7. Patent US20150055853, 26.02.2015 «Method and system for providing three-dimensional and range inter-planar estimation» // Gordon E., Zalevsky Z., Duadi H.;7. Patent US20150055853, 02.26.2015 “Method and system for providing three-dimensional and range inter-planar estimation” // Gordon E., Zalevsky Z., Duadi H.;
8. Patent US20120140243A1, 07.06.2012 «Non-contact surface characterization using modulated illumination» // Colonna de Lega X. M.;8. Patent US20120140243A1, 06/07/2012 “Non-contact surface characterization using modulated illumination” // Colonna de Lega X. M.;
9. Takeda M., Aoki T., Miyamoto Y., Tanaka H., Gu R., Zhang Z. «Absolute 3-D shape measurements using coaxial and coimage plane optical systems and Fourier fringe analysis for focus detection» // Optical Engineering, 2000, Vol. 39, No.1, pp. 61–68; 9. Takeda M., Aoki T., Miyamoto Y., Tanaka H., Gu R., Zhang Z. “Absolute 3-D shape measurements using coaxial and coimage plane optical systems and Fourier fringe analysis for focus detection” // Optical Engineering, 2000, Vol. 39, No.1, pp. 61–68;
10. Otani Y. «Uniaxial 3D Shape Measurement» // Handbook of 3D Machine Vision. Optical Metrology and Imaging, Edited By Song Zhan, CRC Press. 2013, Chapter 11, pp. 275-281;10. Otani Y. “Uniaxial 3D Shape Measurement” // Handbook of 3D Machine Vision. Optical Metrology and Imaging, Edited By Song Zhan, CRC Press. 2013, Chapter 11, pp. 275-281;
11. Cheng N.-J., Hsu C.-Y., Lin Y.-A., Su W.-H. «3D image retrieval based on 1D scanning fringe projections» // Proc. SPIE, 2018, Vol. 10755, pp. 1075514-1 - 1075514-6;11. Cheng N.-J., Hsu C.-Y., Lin Y.-A., Su W.-H. “3D image retrieval based on 1D scanning fringe projections” // Proc. SPIE, 2018, Vol. 10755, pp. 1075514-1 - 1075514-6;
12. Xu Y. and Zhang S. «Uniaxial three-dimensional shape measurement with projector defocusing» // Optical Engineering, 2012, Vol. 51, No. 2, pp. 023604-1 - 023604-6;12. Xu Y. and Zhang S. “Uniaxial three-dimensional shape measurement with projector defocusing” // Optical Engineering, 2012, Vol. 51, No. 2, pp. 023604-1 - 023604-6;
13. Jing H., Su X., and You W. «Uniaxial three-dimensional shape measurement with multioperation modes for different modulation algorithms» // Optical Engineering, 2017, Vol. 56, No. 3, pp. 034115-1 - 034115-11;13. Jing H., Su X., and You W. “Uniaxial three-dimensional shape measurement with multioperation modes for different modulation algorithms” // Optical Engineering, 2017, Vol. 56, No. 3, pp. 034115-1 - 034115-11;
14. Patent US6376818 B1, 23.04.2002 «Microscopy imaging apparatus and method» // Wilson T., Neil M. A. A., Juskaitis R.;14. Patent US6376818 B1, 04/23/2002 “Microscopy imaging apparatus and method” // Wilson T., Neil M. A. A., Juskaitis R.;
15. Neil M. A. A., Juskaitis R., and Wilson T. «Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope» // Opt. Lett. 1997, Vol. 22, No. 24, pp. 1905–1907;15. Neil M. A. A., Juskaitis R., and Wilson T. “Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope,” Opt. Lett. 1997, Vol. 22, No. 24, pp. 1905–1907;
16. Patent US4657394, 14.04.1987 «Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours» // Halioua M.;16. Patent US4657394, 04/14/1987 “Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours” // Halioua M.;
17. Patent US20140253929, 11.09.2014 «Apparatus and method for 3D surface measurement» // Huang L., Ng C. S., Koh H. J., Asundi A. K.;17. Patent US20140253929, 09/11/2014 “Apparatus and method for 3D surface measurement” // Huang L., Ng C. S., Koh H. J., Asundi A. K.;
18. Патент RU2232373C1, 10.07.2004 «Способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта (варианты)» // Левин Г. Г., Вишняков Г. Н., Лощилов К. Е.;18. Patent RU2232373C1, 07/10/2004 “Method for optical measurement of the shape of the surface of a three-dimensional object (variants)” // Levin G. G., Vishnyakov G. N., Loschilov K. E.;
19. Гужов В. И. Методы измерения 3D-профиля объектов. Фазовые методы, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2016, 82 с.19. Guzhov V.I. Methods for measuring 3D profiles of objects. Phase methods, Novosibirsk, NSTU Publishing House, 2016, 82 p.
20. Geng J. «Structured-light 3D surface imaging: a tutorial» // Advances in Optics and Photonics, 2011, Vol. 3, Issue 2, pp. 128-160; 20. Geng J. “Structured-light 3D surface imaging: a tutorial” // Advances in Optics and Photonics, 2011, Vol. 3, Issue 2, pp. 128-160;
21. Patent US5289264, 22.02.1994 «Method and apparatus for ascertaining the absolute coordinates of an object» // Steinbichler H.;21. Patent US5289264, 02.22.1994 “Method and apparatus for ascertaining the absolute coordinates of an object” // Steinbichler H.;
22. Patent US5612786, 18.03.1997 «Contour measurement system» // Huber E. D., Williams R. A., Shough D. M., Kwon O. Y., Welling R. L.; 22. Patent US5612786, 03/18/1997 “Contour measurement system” // Huber E. D., Williams R. A., Shough D. M., Kwon O. Y., Welling R. L.;
23. Patent US20100299103 A1, 25.11.2010 «Three dimensional shape measurement apparatus, three dimensional shape measurement method, and computer program» // Yoshikawa H.;23. Patent US20100299103 A1, 11/25/2010 “Three dimensional shape measurement apparatus, three dimensional shape measurement method, and computer program” // Yoshikawa H.;
24. Патент RU2148793, 10.05.2000 «Способ измерения формы и пространственного положения поверхности объектов» // Филиппов Е. И., Нейланд А. Б., Бойко В. В., Бабичев Г. С., Сивохин А. В.;24. Patent RU2148793, 05/10/2000 “Method for measuring the shape and spatial position of the surface of objects” // Filippov E. I., Neiland A. B., Boyko V. V., Babichev G. S., Sivokhin A. V.;
25. McCurry R. E. «Multiple Source Moiré Patterns» // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 467 - 472;25. McCurry R. E. “Multiple Source Moiré Patterns” // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 467 - 472;
26. Ebbeni J. «Nouveaux aspects du phénomène de moiré» // Nouvelle Revue d'Optique Appliquée, 1970, Vol. 1, No. 5, pp. 333-342;26. Ebbeni J. “Nouveaux aspects du phénomène de moiré” // Nouvelle Revue d'Optique Appliquée, 1970, Vol. 1, No. 5, pp. 333-342;
27. Roblin M. L. «Réalisation D'unsystème de Franges Achromatiques a Pas Variable» // Optica Acta: International Journal of Optics, 1971, Vol. 18, No. 7, pp. 539-545; 27. Roblin M. L. “Réalisation D'unsystème de Franges Achromatiques a Pas Variable” // Optica Acta: International Journal of Optics, 1971, Vol. 18, No. 7, pp. 539-545;
28. Swanson G. J. and Leith E. N. «Analisys of the Lau effect and generalized grating imaging» // J. Opt. Soc. Am. A, 1985, Vol. 2, No. 6, pp. 789-793;28. Swanson G. J. and Leith E. N. “Analisys of the Lau effect and generalized grating imaging” // J. Opt. Soc. Am. A, 1985, Vol. 2, No. 6, pp. 789-793;
29. Patent US3812352, 21.05.1974 «Encoder readout system» // MacGovern A. J.;29. Patent US3812352, 05/21/1974 “Encoder readout system” // MacGovern A. J.;
30. Pettigrew R. M. «Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology» // Proc. SPIE, 1978, Vol. 136, pp. 325-332;30. Pettigrew R. M. “Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology” // Proc. SPIE, 1978, Vol. 136, pp. 325-332;
31. Patorski K. «The Self-Imaging Phenomenon and Its Applications» // Progress in Optics XXVII, Edited By E. Wolf, Elsevier Science Publishers, 1989, 107 p.31. Patorski K. “The Self-Imaging Phenomenon and Its Applications” // Progress in Optics XXVII, Edited By E. Wolf, Elsevier Science Publishers, 1989, 107 p.
32. Crespo D., Alonso J., and Bernabéu E. «Generalized imaging using an extended monochromatic light source» // J. Opt. Soc. Am. A, 2000, Vol. 17, No. 7, pp. 1231-1240;32. Crespo D., Alonso J., and Bernabéu E. “Generalized imaging using an extended monochromatic light source,” J. Opt. Soc. Am. A, 2000, Vol. 17, No. 7, pp. 1231-1240;
33. Iwata K. «Interpretation of generalized grating imaging» // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 9, pp. 2244-2250;33. Iwata K. “Interpretation of generalized grating imaging” // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 9, pp. 2244-2250;
34. Lau E. «Beugungserscheinungen an Doppelrastern» // Ann. Phys., 1948, Vol. 437, Issue 7-8, pp. 417-423;34. Lau E. “Beugungserscheinungen an Doppelrastern” // Ann. Phys., 1948, Vol. 437, Issue 7-8, pp. 417-423;
35. Swanson G. J. and Leith E. N. «Lau effect and grating imaging» // J. Opt. Soc. Am., 1982, Vol. 72, No. 5, pp. 552-555;35. Swanson G. J. and Leith E. N. “Lau effect and grating imaging” // J. Opt. Soc. Am., 1982, Vol. 72, No. 5, pp. 552-555;
36. Torcal-Milla F. J., Sanchez-Brea L. M., and Bernabeu E. «Double grating systems with one steel tape grating» // Optics Communications, 2008, Vol. 281, Issue 23, pp. 5647–5652;36. Torcal-Milla F. J., Sanchez-Brea L. M., and Bernabeu E. “Double grating systems with one steel tape grating” // Optics Communications, 2008, Vol. 281, Issue 23, pp. 5647–5652;
37. McCurry R. E. «Multiple Source Moiré Patterns with Photographic Diffraction Gratings» // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 479 - 482;37. McCurry R. E. “Multiple Source Moiré Patterns with Photographic Diffraction Gratings” // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 479 - 482;
38. Patent US4049965, 20.09.1977 «Measurement apparatus» // Pettigrew R. M.;38. Patent US4049965, 09.20.1977 “Measurement apparatus” // Pettigrew R. M.;
39. Patent JP2008232643 A, 02.10.2008 «Apparatus and method for measuring solid form» // Tomii T., Kusunoki F., Iwata K.; Moriwaki K., Fukuda H.;39. Patent JP2008232643 A, 10/02/2008 “Apparatus and method for measuring solid form” // Tomii T., Kusunoki F., Iwata K.; Moriwaki K., Fukuda H.;
40. Iwata K., Kusunoki F., Moriwaki K., Fukuda H., and Tomii T. «Three-dimensional profiling using the Fourier transform method with a hexagonal grating projection» // Appl. Opt., 2008, Vol. 47, No. 12, pp. 2103–2107;40. Iwata K., Kusunoki F., Moriwaki K., Fukuda H., and Tomii T. “Three-dimensional profiling using the Fourier transform method with a hexagonal grating projection,” Appl. Opt., 2008, Vol. 47, No. 12, pp. 2103–2107;
41. Iwata K., Sando Y., Satoh K., Moriwaki K. «Application of generalized grating imaging to pattern projection in three-dimensional profilometry» // Appl. Opt., 2011, Vol. 50, No. 26, pp. 5115 – 5121;41. Iwata K., Sando Y., Satoh K., Moriwaki K. “Application of generalized grating imaging to pattern projection in three-dimensional profilometry” // Appl. Opt., 2011, Vol. 50, No. 26, pp. 5115 – 5121;
42. Hassani K., Nahal A., Tirandazi N. «Surface profilometry using the incoherent self-imaging technique in reflection mode» // J. Appl. Phys., 2018, Vol. 123, pp. 035302-1 - 035302-6;42. Hassani K., Nahal A., Tirandazi N. “Surface profilometry using the incoherent self-imaging technique in reflection mode” // J. Appl. Phys., 2018, Vol. 123, pp. 035302-1 - 035302-6;
43. Thakur M., Quan C., Tay C. J. «Surface profiling using fringe projection technique based on Lau effect» // Optics and Laser Technology, 2007, Vol. 39, Issue 3, pp. 453-459;43. Thakur M., Quan C., Tay C. J. “Surface profiling using fringe projection technique based on Lau effect” // Optics and Laser Technology, 2007, Vol. 39, Issue 3, pp. 453-459;
44. Edmund optics, www.edmundoptics.eu44. Edmund optics, www.edmundoptics.eu
45. Standa, www.standa.lt45. Standa, www.standa.lt
46. Artec3D, https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/turntable46. Artec3D, https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/turntable
47. Rangevision, https://rangevision.com47. Rangevision, https://rangevision.com
48. Thorlabs, Inc. https://www.thorlabs.com48. Thorlabs, Inc. https://www.thorlabs.com
49. Грузман И. С., Киричук В. С., Косых В. П., Перетягин Г. И., Спектор А.А. Цифровая обработка изображений в информационных системах, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 168 с.;49. Gruzman I. S., Kirichuk V. S., Kosykh V. P., Peretyagin G. I., Spector A. A. Digital image processing in information systems, Novosibirsk: NSTU Publishing House, 2000, 168 pp.;
50. Keren E., Livnat A., and Glatt I. «Moire deflectometry with pure sinusoidal gratings» // Optics Letters, 1985, Vol. 10, No. 4, pp. 167 – 169;50. Keren E., Livnat A., and Glatt I. “Moire deflectometry with pure sinusoidal gratings,” Optics Letters, 1985, Vol. 10, No. 4, pp. 167 – 169;
51. Collier R. J., Burckhardt C. B., and Lin L. H. Optical Holography, New York, Academic, 1971, Chap. 9;51. Collier R. J., Burckhardt C. B., and Lin L. H. Optical Holography, New York, Academic, 1971, Chap. 9;
52. Toto-Arellano N.-I., Goméz J.M. M., García-Lechuga L., Montes-Peréz A., Rodríguez Zurita G., Martínez García A., Martínez Dominguéz J.A. «Diffraction theory of binary amplitude and phase gratings with applications for Ronchi test» // Optik, 2015, Vol. 126, Issue 23, pp. 3717-3727;52. Toto-Arellano N.-I., Goméz J.M. M., García-Lechuga L., Montes-Peréz A., Rodríguez Zurita G., Martínez García A., Martínez Dominguez J.A. “Diffraction theory of binary amplitude and phase gratings with applications for Ronchi test” // Optik, 2015, Vol. 126, Issue 23, pp. 3717-3727;
53. Applied Image Inc., www.appliedimage.com53. Applied Image Inc., www.appliedimage.com
54. Buchwald K. «White paper: Fused Silica Transmission Gratings» // Ibsen Photonics, 2007, Publication Version: 1.0 March 2007, https://ibsen.com/wp-content/uploads/White-paper-Fused-Silica-Transmission-Gratings-v1.0-1.pdf54. Buchwald K. “White paper: Fused Silica Transmission Gratings” // Ibsen Photonics, 2007, Publication Version: 1.0 March 2007, https://ibsen.com/wp-content/uploads/White-paper-Fused-Silica- Transmission-Gratings-v1.0-1.pdf
55. Patent JP2013114025A, 29.11.2011 «Grating of Talbot-Lau interferometer» // Iwata K.;55. Patent JP2013114025A, 11.29.2011 “Grating of Talbot-Lau interferometer” // Iwata K.;
56. Iwata K., Satoh K., and Moriwaki K. «Relaxation of the Talbot condition in generalized grating imaging» // Applied Optics, 2012, Vol. 51, No. 16, pp. 3137 – 3144;56. Iwata K., Satoh K., and Moriwaki K. “Relaxation of the Talbot condition in generalized grating imaging” // Applied Optics, 2012, Vol. 51, No. 16, pp. 3137 – 3144;
57. Salinas-Luna J., Granados-Agustín F., Cornejo-Rodríguez A., Luna E., Sánchez-Escobar J. J., Hernández-Cid J. M. «Ronchi test with variable-frequency rulings» // Optical Engineering, 2009, Vol. 48, No.1, pp. 013604-1 - 013604-7;57. Salinas-Luna J., Granados-Agustín F., Cornejo-Rodríguez A., Luna E., Sánchez-Escobar J. J., Hernández-Cid J. M. “Ronchi test with variable-frequency rulings” // Optical Engineering, 2009, Vol. . 48, No.1, pp. 013604-1 - 013604-7;
58. Кузьмин М. С., Рогов С. А. «Бинарные фазовые транспаранты на основе жидкокристаллической матрицы видеопроектора» // Журнал технической физики, 2018, Т. 88, Вып. 1, с. 85-88;58. Kuzmin M. S., Rogov S. A. “Binary phase transparency based on the liquid crystal matrix of a video projector” // Journal of Technical Physics, 2018, T. 88, Issue. 1, p. 85-88;
59. Компанец И. Н., Андреев А. Л. «Микродисплеи в системах пространственной модуляции света» // Квант. электрон., 2017, Т. 47, № 4, с. 294 – 302;59. Kompanets I. N., Andreev A. L. “Microdisplays in systems of spatial light modulation” // Quantum. electron., 2017, T. 47, No. 4, p. 294 – 302;
60. Кадомцев Б. Б. Коллективные явления в плазме, М.: Наука, 1988, 304 с.;60. Kadomtsev B. B. Collective phenomena in plasma, M.: Nauka, 1988, 304 pp.;
61. Гитлин М. С., Островский Л. А. «Модуляционное эхо в диспергирующих средах» // ЖЭТФ, 1983, Т. 85, Вып. 2, с. 487 – 499;61. Gitlin M. S., Ostrovsky L. A. “Modulation echo in dispersive media” // JETP, 1983, T. 85, Issue. 2, p. 487 – 499;
62. Dubetsky B. and Berman P. R. «Creating and probing subwavelength atomic gratings using spatially separated fields» // Physical Review A, 1994, Vol. 50, No. 5, pp. 4057-4068;62. Dubetsky B. and Berman P. R. “Creating and probing subwavelength atomic gratings using spatially separated fields” // Physical Review A, 1994, Vol. 50, No. 5, pp. 4057-4068;
63. Dubetsky B. and Berman P. R. «Atom interference using microfabricated structures» // Atom Interferometry, Edited By Paul R. Berman, Academic Press, 1997, pp. 407-468;63. Dubetsky B. and Berman PR “Atom interference using microfabricated structures” // Atom Interferometry , Edited By Paul R. Berman , Academic Press, 1997, pp. 407-468;
64. García-Rodríguez L., Alonso J. and Bernabéu E. «Grating pseudo-imaging with polychromatic and finite extension sources» // Optics Express, 2004, Vol. 12, No. 11, pp. 2529-2541; 64. García-Rodríguez L., Alonso J. and Bernabéu E. “Grating pseudo-imaging with polychromatic and finite extension sources” // Optics Express, 2004, Vol. 12, No. 11, pp. 2529-2541;
65. Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Bernabeu E. «Quasicontinuous pseudoimages in sinusoidal grating imaging using an extended light source» // Optics Communications, 2004, Vol. 236, pp. 53–58; 65. Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Bernabeu E. “Quasicontinuous pseudoimages in sinusoidal grating imaging using an extended light source” // Optics Communications, 2004, Vol. 236, pp. 53–58;
66. Ye G., Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu B. «A theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoder» // Optics Communications, 2015, Vol. 354, pp. 21-27;66. Ye G., Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu B. “A theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoder" // Optics Communications, 2015, Vol. 354, pp. 21-27;
67. Sanchez-Brea L. M., Saez-Landete J., Alonso J., Bernabeu E. «Invariant grating pseudoimaging using polychromatic light and a finite extension source» // Applied Optics, 2008, Vol. 47, No. 10, pp. 1470-1477;67. Sanchez-Brea L. M., Saez-Landete J., Alonso J., Bernabeu E. “Invariant grating pseudoimaging using polychromatic light and a finite extension source” // Applied Optics, 2008, Vol. 47, No. 10, pp. 1470-1477;
68. Olszak A., Wronkowski L. «Analysis of the Fresnel field of a double diffraction system in the case of two amplitude diffraction gratings under partially coherent illumination» // Optical Engineering, 1997, Vol. 36, No. 8, pp. 2149 - 2157;68. Olszak A., Wronkowski L. “Analysis of the Fresnel field of a double diffraction system in the case of two amplitude diffraction gratings under partially coherent illumination” // Optical Engineering, 1997, Vol. 36, No. 8, pp. 2149 - 2157;
69. Iwata K. «Interpretation of generalized grating imaging: further analysis and numerical calculation» // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 12, pp. 2939-2944;69. Iwata K. “Interpretation of generalized grating imaging: further analysis and numerical calculation” // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 12, pp. 2939-2944;
70. Case W. B., Tomandl M., Deachapunya S., and Arndt M. «Realization of optical carpets in the Talbot and Talbot-Lau configurations» // Opt. Express, 2009, Vol. 17, Issue 23, pp. 20966 -20974;70. Case, W. B., Tomandl, M., Deachapunya, S., and Arndt, M., “Implementation of optical carpets in the Talbot and Talbot-Lau configurations,” Opt. Express, 2009, Vol. 17, Issue 23, pp. 20966 -20974;
71. Tu Jinghong «Theoretical Analysis of the Lau Effect with a Sinusoidal Phase Grating» // J. Modern Optics, 1987, Vol. 34, No. 2, pp. 307-313;71. Tu Jinghong “Theoretical Analysis of the Lau Effect with a Sinusoidal Phase Grating” // J. Modern Optics, 1987, Vol. 34, No. 2, pp. 307-313;
72. Tu Jinhong «The Diffraction Near Fields and Lau Effect of a Square-wave Modulated Phase Grating» // J. of Modern Optics, 1988, Vol. 35, No.8, pp. 1399-1408; 72. Tu Jinhong “The Diffraction Near Fields and Lau Effect of a Square-wave Modulated Phase Grating” // J. of Modern Optics, 1988, Vol. 35, No.8, pp. 1399-1408;
73. Hassani K. and Sohrabi S. «Simple setup to measure the phase map of transparent objects based on incoherent self-imaging» // Optical Engineering, 2022, Vol. 61, No. 3, pp. 034102-1 - 034102-14;73. Hassani K. and Sohrabi S. “Simple setup to measure the phase map of transparent objects based on incoherent self-imaging” // Optical Engineering, 2022, Vol. 61, No. 3, pp. 034102-1 - 034102-14;
74. Patent US5812629, 22.09.1998 «Ultrahigh resolution interferometric x-ray imaging» // Clauser J. F.;74. Patent US5812629, 09.22.1998 “Ultrahigh resolution interferometric x-ray imaging” // Clauser J. F.;
75. Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Saez-Landete J. B., Bernabeu E. «Analytical model of a double grating system with partial temporal and spatial coherence» // Proceedings of SPIE, 2005, Vol. 5858, pp. 585814-1 - 585814-8.75. Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Saez-Landete J. B., Bernabeu E. “Analytical model of a double grating system with partial temporal and spatial coherence” // Proceedings of SPIE, 2005, Vol. 5858, pp. 585814-1 - 585814-8.
Claims (39)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2023/050299 WO2024181887A1 (en) | 2023-02-28 | 2023-12-19 | Method and system for non-contact rangefinding and profilometry |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2807409C1 true RU2807409C1 (en) | 2023-11-14 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2267087C1 (en) * | 2004-06-09 | 2005-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет | Device for determining topology of surface |
JP2008232643A (en) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Develo Solutions Kk | Apparatus and method for measuring solid form |
RU2583852C2 (en) * | 2014-07-11 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) | Graph-projection moire method of measurement |
RU178298U1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-03-29 | Богдан Валентинович Соколенко | Profiler |
US10508903B2 (en) * | 2015-12-22 | 2019-12-17 | Ckd Corporation | Three-dimensional measurement device |
US11375124B2 (en) * | 2019-02-25 | 2022-06-28 | Advanced Semiconductor Engineering, Inc. | Optical measurement equipment and method for measuring warpage of a workpiece |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2267087C1 (en) * | 2004-06-09 | 2005-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет | Device for determining topology of surface |
JP2008232643A (en) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Develo Solutions Kk | Apparatus and method for measuring solid form |
RU2583852C2 (en) * | 2014-07-11 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) | Graph-projection moire method of measurement |
US10508903B2 (en) * | 2015-12-22 | 2019-12-17 | Ckd Corporation | Three-dimensional measurement device |
RU178298U1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-03-29 | Богдан Валентинович Соколенко | Profiler |
US11375124B2 (en) * | 2019-02-25 | 2022-06-28 | Advanced Semiconductor Engineering, Inc. | Optical measurement equipment and method for measuring warpage of a workpiece |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Heist et al. | GOBO projection for 3D measurements at highest frame rates: a performance analysis | |
EP2183545B1 (en) | Phase analysis measurement apparatus and method | |
KR100729290B1 (en) | Phase profilometry system with telecentric projector | |
EP2905575B1 (en) | Image sequence and evaluation method, system and computer program for structured illumination microscopy for measuring a 3D height map | |
US9267790B2 (en) | Measuring device of measurement object, calculating device, measurement method, and method for producing item | |
CN110618537B (en) | Coated lens device and three-dimensional reconstruction imaging system applying same | |
Engel | 3D optical measurement techniques | |
Huntley | Optical shape measurement technology: past, present, and future | |
Heikkinen et al. | Remote surface motion measurements using defocused speckle imaging | |
KR20040001590A (en) | Phase-shifting profilometry system using scanning and measuring method thereof | |
RU2807409C1 (en) | Method and system of non-contact ranging and profilometry | |
CN108413872B (en) | Three-dimensional size precision measurement method based on Fabry-Perot multi-beam interference | |
JP2015094756A (en) | Measurement instrument and method of manufacturing article | |
KR101333299B1 (en) | 3D Shape Mesurement Mehod and Device by using Amplitude of Projection Grating | |
WO2024181887A1 (en) | Method and system for non-contact rangefinding and profilometry | |
KR20040071531A (en) | Three-dimensional image measuring apparatus and method thereof | |
Jin et al. | The online measurement of optical distortion for glass defect based on the grating projection method | |
JP2528921B2 (en) | Distance measurement by diffraction | |
EP2634558A2 (en) | Shape measurement device and shape measurement method | |
Heikkinen et al. | Self-calibrated defocused speckle imaging for remote surface motion measurements | |
Hassani et al. | Surface profilometry using the incoherent self-imaging technique in reflection mode | |
JP4357002B2 (en) | Method and apparatus for measuring the direction of an object | |
Maeda et al. | Birefringence compensation for single-shot 3D profilometry using a full-Stokes imaging polarimeter | |
Tepichin-Rodriguez et al. | Talbot effect based tunable setup for the measurement of stepped surfaces: plane and spherical wavefront illumination | |
JP4298105B2 (en) | Interference fringe measurement analysis method |