RU45520U1

RU45520U1 - LASER TRIANGULATION METER

Info

Publication number: RU45520U1
Application number: RU2004138464/22U
Authority: RU
Inventors: А.З. Венедиктов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ"
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2005-05-10

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим средствам измерения геометрических размеров различных объектов.The utility model relates to measuring technique, namely, to non-contact optical means for measuring the geometric dimensions of various objects.

Использование полезной модели позволяет повысить точность измерений.Using a utility model allows to increase the accuracy of measurements.

Лазерный триангуляционный измеритель включает лазер 1 и приемную систему, состоящую из апертурных диафрагм 2 и 3, объектива 4 и фотоприемника 5. Форма отверстий в диафрагмах 2 и 3 выбирается аналогичной форме зондирующего лазерного пятна на объекте 6, причем размер отверстия в диафрагме 2 выбирается больше размера отверстия в диафрагме 3. Диафрагмы 2 и 3 расположены, соответственно, на расстоянии 2/3L и 1/3L от объекта, где L - расстояние между объектом 6 и объективом 4. Величина числовой апертуры объектива 4 со стороны фотоприемника выбирается не менее 0,5.The laser triangulation meter includes a laser 1 and a receiving system consisting of aperture diaphragms 2 and 3, a lens 4 and a photodetector 5. The shape of the holes in the diaphragms 2 and 3 is chosen similar to the shape of the probe laser spot on the object 6, and the hole size in the diaphragm 2 is selected larger than the size the holes in the diaphragm 3. The diaphragms 2 and 3 are located, respectively, at a distance of 2 / 3L and 1 / 3L from the object, where L is the distance between the object 6 and the lens 4. The numerical aperture of the lens 4 from the photodetector side is selected at least 0.5.

Description

Одна из основных проблем при измерении геометрических размеров шероховатых поверхностей посредством лазерной триангуляции заключается в появлении измерительных ошибок, связанных с нарушениями параксиальности и эффектами вторичного отражения от различных локальных неровностей поверхности. При падении зондирующего пучка на исследуемую поверхность свет зеркально переотражается от плоских микрофацет, моделирующих поверхностную шероховатость, к соседним микрофацетам. В результате приемник регистрирует кроме «истинного» сигнала и множественные вторичные переотражения, причем достаточно часто вторичные отражения содержат зеркальную компоненту, интенсивность которой больше сигнала от исследуемого участка объекта [1]. Кроме того, отклонение общего вектора отражения от оптической оси приемника и вторичные переотражения могут приводить к тому, что положение максимума кривой распределения светового сигнала будет асимметричным, что, в свою очередь, будет обуславливать изменение положения центроиды изображения пятна.One of the main problems when measuring the geometric dimensions of rough surfaces using laser triangulation is the appearance of measurement errors associated with paraxiality disorders and secondary reflection effects from various local surface irregularities. When a probe beam falls on the test surface, the light is specularly reflected from the flat microfacet modeling the surface roughness to the adjacent microfacet. As a result, in addition to the “true” signal, the receiver also registers multiple secondary reflections, and quite often secondary reflections contain a mirror component, the intensity of which is greater than the signal from the studied part of the object [1]. In addition, the deviation of the total reflection vector from the optical axis of the receiver and secondary re-reflections can lead to the fact that the position of the maximum distribution curve of the light signal is asymmetric, which, in turn, will cause a change in the position of the centroid of the image of the spot.

Одним из способов снижения влияния на точность измерений эффекта вторичного отражения является сужение угла обзора объектива в приемной системе лазерного триангуляционного измерителя, так как свет, распространяющийся в широком телесном угле, может быть причиной появления эффектов вторичного отражения. С этой целью в приемную систему триангуляционного измерителя вводят диафрагму с фиксированной или варьируемой апертурой, имеющей, например, круговую или прямоугольную форму [2].One way to reduce the effect of secondary reflection on the measurement accuracy is to narrow the viewing angle of the lens in the receiving system of the laser triangulation meter, since light propagating in a wide solid angle can cause secondary reflection effects. For this purpose, a diaphragm with a fixed or variable aperture having, for example, a circular or rectangular shape is introduced into the receiving system of a triangulation meter [2].

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран лазерный триангуляционный измеритель, содержащий источник излучения -лазер и приемную систему, включающую две линзы, между которыми размещена щелевая диафрагма, и фотоприемник [3]. Диафрагма располагается в фокусе первой, ближайшей к измеряемому объекту линзы и размер ее щели подбирается в соответствии с размером зондирующего пятна на поверхности объекта. Отраженное от поверхности объекта световое излучение фокусируется первой линзой в плоскость щели и сформированное таким образом промежуточное изображение затем фокусируется в плоскость объектива, который, в свою очередь, фокусирует световое пятно на фотоприемник.As a prototype of the claimed technical solution, a laser triangulation meter was selected that contains a radiation source — a laser and a receiving system that includes two lenses between which a slit diaphragm is located, and a photodetector [3]. The diaphragm is located in the focus of the first lens closest to the measured object and the size of its slit is selected in accordance with the size of the probe spot on the surface of the object. The light radiation reflected from the surface of the object is focused by the first lens into the plane of the slit and the intermediate image thus formed is then focused into the plane of the lens, which in turn focuses the light spot on the photodetector.

Такое выполнение приемной системы не позволяет полностью избавиться от рефлексов, возникающих в результате эффектов вторичного отражения или рассеяния, хотя и уменьшает их влияние на определение центра изображения пятна на фотоприемнике и, соответственно, повышает точность измерения лазерного триангуляционного измерителя.This embodiment of the receiving system does not completely eliminate the reflections resulting from the effects of secondary reflection or scattering, although it reduces their influence on determining the center of the image of the spot on the photodetector and, accordingly, increases the measurement accuracy of the laser triangulation meter.

Недостатки указанного лазерного триангуляционного измерителя обусловлены следующим. При отражении светового излучения от шероховатой поверхности пятно изображения на фотоприемнике окружено ореолом, обусловленным Ламбертовским характером отражения светового излучения. Кроме того, ориентация общего вектора отражения, как правило, не совпадает с направлением оптической оси приемной системы. Использование в этих условиях для подавления эффектов вторичного отражения дополнительной линзы и диафрагмы в приемной системе триангуляционного измерителя, неэффективно, что, в конечном итоге, ведет к погрешности определения центра изображения пятна на фотоприемнике и снижению точности измерений.The disadvantages of this laser triangulation meter due to the following. When light radiation is reflected from a rough surface, the image spot on the photodetector is surrounded by a halo caused by the Lambertian nature of light radiation reflection. In addition, the orientation of the common reflection vector, as a rule, does not coincide with the direction of the optical axis of the receiving system. The use of an additional lens and aperture in the receiving system of a triangulation meter under these conditions is ineffective, which ultimately leads to an error in determining the center of the image of the spot on the photodetector and a decrease in the measurement accuracy.

Задача, решаемая полезной моделью - повышение точности измерений.The problem solved by the utility model is to increase the accuracy of measurements.

Указанная задача решается том, что в лазерном триангуляционном измерителе, содержащем источник излучения и приемную систему, включающую первую апертурную диафрагму, объектив и фотоприемник, приемная система снабжена, по крайней мере, второй апертурной диафрагмой, расположенной между первой диафрагмой и измеряемым объектом, а величина числовой апертуры объектива со стороны фотоприемника выбирается равной не менее 0,5. Форма отверстий в диафрагмах выбирается аналогичной форме зондирующего лазерного пятна на объекте; размер отверстия во второй диафрагме выбирается больше размера отверстия в первой диафрагме, при этом первая и вторая диафрагмы расположены, соответственно, на расстоянии 2/3 L и 1/3 L от объекта, где L - расстояние между объектом и объективом.This problem is solved in that in a laser triangulation meter containing a radiation source and a receiving system including a first aperture diaphragm, a lens and a photodetector, the receiving system is equipped with at least a second aperture diaphragm located between the first diaphragm and the measured object, and the value is numerical the aperture of the lens from the side of the photodetector is selected equal to at least 0.5. The shape of the holes in the diaphragms is chosen similar to the shape of the probe laser spot on the object; the size of the hole in the second diaphragm is selected larger than the size of the hole in the first diaphragm, while the first and second diaphragms are located at a distance of 2/3 L and 1/3 L from the object, where L is the distance between the object and the lens.

Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображен лазерный триангуляционный измеритель.The utility model is illustrated in the drawing. Figure 1 schematically shows a laser triangulation meter.

Лазерный триангуляционный измеритель включает лазер 1 и приемную систему, состоящую из апертурных диафрагм 2 и 3, объектива 4 и фотоприемника 5. Форма отверстий в диафрагмах 2 и 3 выбирается аналогичной форме зондирующего лазерного пятна на объекте 6 (круг, эллипс, прямоугольник), причем размер отверстия в диафрагме 2 выбирается больше размера отверстия в диафрагме 3, т.е. отверстие в диафрагме 2 имеет больший радиус или большую ширину щели. В предпочтительном варианте полезной модели диафрагмы 2 и 3 расположены, соответственно, на расстоянии 2/3 L и 1/3 L от объекта, где L - расстояние между объектом 6 и объективом 4. Величина числовой апертуры объектива 4 со стороны фотоприемника выбирается не менее 0,5.The laser triangulation meter includes a laser 1 and a receiving system consisting of aperture diaphragms 2 and 3, a lens 4 and a photodetector 5. The shape of the holes in the diaphragms 2 and 3 is chosen similar to the shape of the probe laser spot on object 6 (circle, ellipse, rectangle), and the size the holes in the diaphragm 2 is selected larger than the size of the holes in the diaphragm 3, i.e. the hole in the diaphragm 2 has a larger radius or wide slit width. In a preferred embodiment of the utility model, the apertures 2 and 3 are located, respectively, at a distance of 2/3 L and 1/3 L from the object, where L is the distance between the object 6 and the lens 4. The numerical aperture of the lens 4 from the photodetector side is selected at least 0 ,5.

Заявляемый измеритель работает следующим образом. Лазер 1 формирует на поверхности объекта 6, имеющего шероховатую поверхность, зондирующее световое пятно. Диафрагма 2 отсекает ореол, окружающий отраженное пятно, и обусловленный Ламбертовским характером отражения и The inventive meter operates as follows. Laser 1 forms on the surface of an object 6 having a rough surface probing a light spot. Aperture 2 cuts off the halo surrounding the reflected spot, and due to the Lambertian character of reflection and

случайными переотражениями на микрофацетах шероховатой поверхности, и общий фон отражения, за исключением светового отраженного потока по контуру пятна. Диафрагма 3 пропускает поток отражения по точному контуру пятна, срезая часть светового отраженного потока, приходящуюся на область отклонения от оптической оси приемной системы. Поэтому апертурное отверстие диафрагмы 3 выбирается несколько меньше по сравнению с размером переносимого пятна в данной точке оптической оси. Использование объектива 4 с большой величиной числовой апертуры со стороны фотоприемника 5, выбираемой не менее 0,5, обеспечивает достаточный уровень светового сигнала на фотоприемнике 5.random reflections on microfacets of a rough surface, and the general reflection background, with the exception of the reflected light flux along the contour of the spot. The diaphragm 3 passes the reflection flux along the exact contour of the spot, cutting off part of the light reflected flux per region of deviation from the optical axis of the receiving system. Therefore, the aperture opening of the diaphragm 3 is selected slightly smaller compared to the size of the transferred spot at a given point of the optical axis. The use of a lens 4 with a large value of the numerical aperture from the side of the photodetector 5, selectable at least 0.5, provides a sufficient level of light signal on the photodetector 5.

Заявляемое решение приемной оптической системы лазерного триангуляционного измерителя позволяет значительно снизить влияние несовпадения общего вектора отражения с оптической осью приемной системы и эффектов вторичного отражения и рассеяния на определение центра изображения пятна на фотоприемнике и, соответственно, повысить точность измерения лазерного триангуляционного измерителя.The claimed solution of the receiving optical system of the laser triangulation meter can significantly reduce the effect of the mismatch of the total reflection vector with the optical axis of the receiving system and the effects of secondary reflection and scattering on determining the center of the image of the spot on the photodetector and, accordingly, increasing the measurement accuracy of the laser triangulation meter.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. J. dark and E. Tmcco. Polarization-based peak detection in laser triangulation range sensors. Proceedings ofSPIE, Vol. 2599, 1996, pp.81-92.1. J. dark and E. Tmcco. Polarization-based peak detection in laser triangulation range sensors. Proceedings ofSPIE, Vol. 2599, 1996, pp. 81-92.

2. Патент США №5024529, НКИ 356/376, 1991 г.2. US patent No. 5024529, NKI 356/376, 1991

3. Патент США №5815272, НКИ 356/375, 1998 г., ( прототип ).3. US patent No. 5815272, NKI 356/375, 1998, (prototype).

Claims

1. Laser triangulation meter containing a radiation source and a receiving system including a first aperture diaphragm, a lens and a photodetector, characterized in that the receiving system is equipped with at least a second aperture diaphragm located between the first diaphragm and the measured object, and the size of the numerical aperture the lens on the side of the photodetector is selected at least 0.5.

2. The laser triangulation meter according to claim 1, characterized in that the shape of the holes in the diaphragms is selected similar to the shape of the probe laser spot on the object.

3. The laser triangulation meter according to claim 1, characterized in that the size of the hole in the second diaphragm is selected larger than the size of the hole in the first diaphragm.

4. The laser triangulation meter according to claim 1, characterized in that the first and second diaphragms are located, respectively, at a distance of 2 / 3L and 1 / 3L from the object, where L is the distance between the object and the lens.