RU99122593A

RU99122593A - Блок датчика для контроля поверхности объекта и способ для осуществления этого контроля

Info

Publication number: RU99122593A
Application number: RU99122593/28A
Authority: RU
Inventors: Христиан ВОЛЛМАНН; Лутц ВЕНЕРТ; Иоахим ИХЛЕФЕЛЬД; Ральф ГРИЕСЕР
Original assignee: Баумер Оптроник Гмбх
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2001-08-20

Claims

1. Блок датчика для контроля поверхности (10', 10'') объекта (10) для определения характеристик поверхности, в состав которого входят устройство сканирования (60) и блок оптического датчика (50) для излучения светового потока (53) на устройство сканирования (60) и для приема светового потока (54), поступающего из устройства сканирования (60), со светоизлучающим модулем (51), излучающим световой поток (53), светопринимающим модулем (52), принимающем световой поток (54) и оптическим светоотклоняющим элементом (9), с помощью которого световой луч, поступающий из устройства сканирования (60), может быть разделен на два отличных друг от друга луча, проходящих по разным траекториям, из которых траектория первого луча (53) определяется первым пространственно ограниченным участком (55) падающего светового потока, а траектория второго луча (54) определяется вторым пространственно ограниченным участком (56) падающего светового потока, при этом площадь поперечного сечения первого пространственно ограниченного участка (55) меньше площадь поперечного сечения второго пространственно ограниченного участка (56); светоиспускающий модуль (51) расположен на траектории второго луча (54), при этом в состав устройства сканирования (60) входит светоотклоняющий элемент (2) с динамически изменяемым углом отклонения, который является зоной облучения блока датчика (50), отличающийся тем, что в состав устройства сканирования (60) входит вогнутое зеркало (1), в фокусе которого светоотклоняющий элемент (2) расположен таким образом, что световой поток, излучаемый блоком датчика (50) может направляться в блок датчика (50) под постоянным углом к оси симметрии (7) вогнутого зеркала (1) по линии сканирования (23, 24) объекта (10), а также световой поток, испускаемый устройством сканирования (60) и диффузно отраженный от объекта (10) может направляться в блок датчика (50) по той же траектории, что и поступающий световой поток, и тем, что вогнутое зеркало (1) расположено таким образом по отношению к поверхности (10', 10'') и светопринимающему модулю (52), что поверхность (10', 10''), может быть телецентрически спроецирована на светопринимающий модуль (52), при этом светоотклоняющий элемент (2) выполняет роль апертурной диафрагмы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светоотклоняющий элемент (9) выполнен в виде зеркала с апертурой (25) и расположен таким образом, что большая часть светового потока (53), идущего от светоизлучающего модуля (51) к светоотклоняющему элементу (9), проходит сквозь апертуру (15) на устройство сканирования (60).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светоотклоняющий элемент (9) выполнен в виде зеркала и расположен таким образом, что большая часть светового потока (53), идущего от светоизлучающего модуля (51) к светоотклоняющему элементу (9), отражается на устройство сканирования (60) зеркалом (9).

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что в состав светоизлучающего модуля (51) входят несколько источников света (3, 4), световое излучение которых имеет разную длину волны.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый источник света (3), излучает свет длиной волны 620 - 770 нм, а второй источник света (4) излучает свет длиной волны больше 770 нм.

6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в состав светопринимающего модуля (52) входит по крайней мере один светоприемник (15, 16, 20) и оптическая система (13), при этом оптическая система (13) расположена между светоотклоняющим элементом (9) и по крайней мере одним светоприемником (15, 16, 20) таким образом, что по крайней мере один светоприемник (15, 16, 20) расположен в фокальной плоскости оптической системы (13).

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в состав светопринимающего модуля (52) входят несколько светоприемников (15, 16, 20) и по крайней мере один светоделитель (14, 26), при этом с помощью хотя бы одного светоделителя (14, 26) световой поток (54), поступающий на светопринимающий модуль (52) может быть разделен между светоприемниками (15, 16, 20).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что отношение коэффициента отражения к коэффициенту пропускания по крайней мере одного свтоделителя (14, 26) зависит от длины волны.

9. Устройство по одному из пп. 6 - 8, отличающееся тем, что в его состав входит светоприемник (15), перед которым установлен пространственный фильтр (30), служащий для гашения диффузно отраженной точки прямого света, или пятна и/или светоприемник (16), перед которым установлена диафрагма для гашения световых конусов рассеяния.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что в его состав входят два светоприемника (15), перед каждым из которых установлен один пространственный фильтр (30), при этом пространственные фильтры (30) расположены под прямым углом друг к другу для того, чтобы измерять зависимость рассеянного светового потока Трэчеда от направления.

11. Устройство по одному из пп.1 - 10, отличающееся тем, что в состав светопринимающего модуля (52) входит по крайней мере одна телекамера с приборами с зарядовой связью и/или один позиционно-чувствительный светопринимающий элемент (позиционно-зависимый детектор).

12. Устройство по одному из пп.1 - 11, отличающееся тем, что светоотклоняющий элемент (2) выполнен в виде вращающегося многогранного зеркала.

13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что вогнутое зеркало (1) является сегментом, в частности полоской, с параллельными краями, вырезанным из параболоида.

14. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что для получения трехмерного профиля с помощью триангуляции по крайней мере один световой луч, испущенный блоком датчика (50) может быть направлен на объект (10), а световой поток диффузно отраженный от объекта (10) под постоянным углом (θ) к падающему лучу может быть направлен назад на блок датчика таким образом, что траектории падающего и направленного назад лучей совпадают в плоскости, параллельной поверхности объекта (10').

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что для получения трехмерного телецентрического профиля с помощью триангуляции в состав блока датчика (50) входит высокоскоростной позиционно-чувствительный светопринимающий элемент (позиционно-чувствительный датчик) (20) для измерения профиля поверхности (10', 10'') путем освещения поверхности объекта (10') диффузно отраженным световым потоком, направленным по нормали к данной поверхности, с помощью телецентрического проецирования.

16. Устройство по одному из пп.1 - 15, отличающееся тем, что объект (10) может передвигаться относительно блока датчика (50).

17. Способ контроля поверхности (10', 10'') объекта (10) для определения характеристик поверхности, посредством которого световой поток от блока датчика (50) передается на сканирующее устройство (60), а излучаемый световой поток (6) направляется на светоотклоняющий элемент (2) с динамически изменяемым углом отклонения и отклоняется на нем, отличающийся тем, что световой поток, отклоненный на светоотклоняющем элементе (2) фокусируется на объекте с помощью вогнутого зеркала (1), в фокусе которого размещается светоотклоняющий элемент (2), направляется под постоянным углом к оси симметрии (7) вогнутого зеркала (1) по линии сканирования (23, 24) объекта, а световой поток диффузно отраженный от объекта (10) направляется обратно на блок датчика (50) по той же траектории, что и излученный световой поток и тем, что поверхность объекта (10', 10'') телецентрически проецируется на блок датчика (50) с помощью вогнутого зеркала (1), при этом светоотклоняющий элемент (2) работает как апертурная диафрагма.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что для получения трехмерного профиля с помощью триангуляции по крайней мере один луч света, посылаемый блоком датчика (50) направляется на объект (10), а световой луч диффузно отраженный от объекта (10) под постоянным углом (9) к падающему лучу направляется обратно на блок датчика (50) таким образом, что траектории падающего и обратного лучей совпадают в плоскости, параллельной поверхности объекта (10').

19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что с помощью специальных пространственных фильтров (30) прямо отраженная световая точка, или пятно, гасится и оценивается только изображение оставшегося светового конуса.

20. Способ по одному из пп.17 - 19, отличающийся тем, что различные характеристики поверхности измеряются в реальном масштабе времени, в предпочтительном варианте с использованием компьютера.

21. Способ по одному из пп.17 - 20, отличающийся тем, что световой поток, падающий на блок датчика (50), разделяется между несколькими каналами, каждый из которых оценивается отдельно от других.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что части светового потока разной длины волны, попадающие на блок датчика, отделяются друг от друга, при этом по этим частям светового потока с высокой частотой следования осуществляется мгновенная регистрация различных характеристик поверхности, к которым относятся профиль поверхности в трехмерном канале (20), отражательная способность в канале света красного спектра (16), а также эффект Трэчеда в рассеивающем канале (15).

23. Способ по п.21 или 22, отличающийся тем, что световой поток, падающий на блок датчика (50) (в предпочтительном варианте изобретения - красная часть спектра), разделяется на первую и вторую части и эти две части светового потока направляются на два светоприемника (15, 16) и тем, что в случае первой части светового потока прямого излучения изображение световых конусов, полученное от эффекта рассеяния, гасится, оценивается изображение диффузно отраженной световой точки прямого излучения, или светового пятна, и/или тем, что в случае второй части светового потока с помощью специальных пространственных фильтров (30) диффузно отраженная световая точка прямого излучения, или световое пятно, гасится и оценивается только изображение оставшихся световых конусов.

24. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что части светового потока разной длины волны, падающие на блок датчика (50), отделяются друг от друга, при этом с помощью позиционно-чувствительного светопринимающего элемента (позиционно-чувствительный детектор) (20) по данным первой части светового потока с помощью триангуляции измеряется трехмерная информация, а с помощью электрооптических чувствительных элементов (16, 17) (предпочтительно в реальном масштабе времени) по данным второй части светового потока измеряется интенсивность его распределения по объекту (10), а также поверхностные характеристики (эффект рассеяния).

25. Способ по одному из пп.17 - 24, отличающийся тем, что световой поток, падающий на блок датчика (50), используется для визуализации зависимых от плотности поверхностных аномалий, и с помощью четырехсекторного процесса как функция положения регистрируется в реальном масштабе времени в виде (S_x + S_y)/S и в виде арктангенса направления (S_x/S_y), и если необходимо также в виде функции высоты профиля в сочетании с процессом триангуляции в трехмерном канале, пространственное разрешение которого ограничено только фокусирующей способностью лазерного излучения.

26. Способ по одному из пп.17 - 25, отличающийся тем, что объект (10) передвигается относительно блока датчика (50).