СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2002 года по МПК G01B11/24 

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

Известны способ и устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные участки поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат (см. , например. Техническое зрение роботов. - под. ред. А. Пью.; пер. с англ. - М., Машиностроение, 1987, с.56-57).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.

Известен способ и устройство, его реализующее, для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных полос, создаваемая путем пространственной модуляции вдоль одной координаты интенсивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. О контролируемых размерах судят по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 00/ 70303, PCT/US99/ 70303, кл. G 01 B 11/24, 23.11.2000).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением спектрального коэффициента отражения, зависящего от цвета какого-либо участка поверхности контролируемого объекта. Если же контролируемый объект представляет собою совокупность локальных компонент, например множество лопаток турбины, восстановление топологии такого объекта и последующий контроль линейных размеров указанным способом невозможен.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам за счет формирования отдельных проекций объекта восстановления томограммы и последующей обработки полученной томограммы на ЭВМ. Известный способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов заключается в многократном освещении поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения под разными ракурсами, регистрации плоских изображений освещенных участков поверхности при каждом изменении ракурса освещения, восстановлении топологии поверхности контролируемого объекта путем обратного проецирования изображений освещенных участков поверхности и суммирования обратных проекций с учетом поворота каждой проекции на угол, соответствующий каждому ракурсу освещения (см., например, Г.Г. Левин, Г.Н. Вишняков. Оптическая томография. - М. : Радио и связь, 1989, - 224 с.: ил., стр.10-12). Недостатками известного способа является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта равномерно распределенного по сечению пучка оптического изучения, искажения картины, вызванные неглубокими локальными впадинами и выпуклостями, размеры которых меньше сечения пучка, не регистрируются и их невозможно идентифицировать без априорной информации о микроструктуре поверхности контролируемой поверхности.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом, поскольку эффект достигается за счет применения предлагаемой последовательности действий, каждое из которых взаимосвязано с остальными.

Новизна предложенного способа усматривается в том, что освещение поверхности контролируемого объекта осуществляют зондирующей структурированной подсветкой, управляя пространственной модуляцией пучка оптического излучения, регистрацию плоских изображений освещенных участков поверхности производят по направлению, отличному от нормального, и судят о контролируемых размерах с учетом восстановленной топологии совместно с определением высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки на восстановленной топологии поверхности контролируемого объекта.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно неизвестно из уровня техники.

Предложенный способ является промышленно применимым существующими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленными на достижение указанного технического результата.

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

Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит источник 1 оптического излучения, модулятор 2, объектив 3, фоторегистратор 4, установленный в плоскости изображения объектива 3, цифровой электронный блок 5, блок индикации регистрируемого изображения 6. Вход цифрового электронного блок 5 соединен с выходом фоторегистратора 4, а выход соединен с управляющим входом модулятора 2.

На фиг. 2 изображена схема регистрации плоских проекций изображений объекта при трех положениях источника подсветки и регистрирующей части устройства.

На фиг.3 изображена схема восстановления томограммы по плоским проекциям изображений объекта, полученным при трех положениях источника подсветки и регистрирующей части устройства.

На фиг.4 приведен пример изображения одной из проекций изображения контролируемого объекта с зарегистрированной искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта изображения структурой зондирующей подсветки в виде, например, системы полос. Величина ΔY пропорциональна высоте рельефа относительно топологии поверхности.

На фиг.5 приведен пример изображения второй из проекций изображения контролируемого объекта.

На фиг.6 приведен пример восстановленного изображения трехмерного контролируемого объекта.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов осуществляют следующим образом.

Пучок оптического излучения, выходящий из источника 1, модулируется по одной координате пространственно-временным модулятором света 2. Созданная таким образом структурируемая подсветка в виде системы полос проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой известным образом искажает изображение структурируемой подсветки, сформированной с помощью модулятора 2. Объектив 3 проецирует возникающую на контролируемой поверхности картину на чувствительную площадку фоторегистратора 4. Электронный блок 5 преобразует сигнал с выхода фоторегистратора 4 и записывает очередное изображение структурируемой подсветки во внутреннее запоминающее устройство.

Оператор может наблюдать регистрируемую картину на экране блока 6 и, меняя режим работы блока 5, управлять характером модуляции пучка оптического излучения.

Как вариант реализации, изменение характера модуляции может осуществляться автоматически до достижения возможности регистрации всех зон структурированной подсветки, кроме тех, которые проецировались в отверстия. Описанная процедура повторятся несколько раз при различных ракурсах подсветки и регистрации, как показано, например, на фиг.2. Обработка результатов регистрации проводится в два этапа. На первом этапе восстанавливается макроструктура, топология поверхности, путем восстановления томограммы за счет обратного проецирования изображений освещенных участков поверхности и суммирования обратных проекций с учетом поворота каждой проекции на угол, соответствующий каждому ракурсу освещения, как показано на фиг.3. При последующей обработке из внутреннего запоминающего устройства цифрового электронного блока 5 выбирается запись искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки, в которой каждая пара координат и значение соответствующей этой паре координат высоты рельефа закодированы искажениями структуры зондирующей подсветки. В этом случае области, в которых отсутствует изображение искаженной структуры зондирующей подсветки, однозначно идентифицируются как области, соответствующие сквозным отверстиям. Изменение положения зон пропорционально высоте рельефа, а местоположение возникших изменений соответствует двум другим координатам.

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

Источники информации
1. М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143.

2. Техническое зрение роботов. - под. ред. А. Пью.; пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1987, с. 56-57.

3. Г.Г.Левин, Г.Н. Вишняков. Оптическая томография. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.: ил., стр.10-12).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. Способ заключается в многократном формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности под разными ракурсами, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении. Технический результат: повышение точности. 6 ил.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов, заключающийся в многократном освещении поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения под разными ракурсами, регистрации плоских изображений освещенных участков поверхности при каждом изменении ракурса освещения, восстановлении топологии поверхности контролируемого объекта путем обратного проецирования изображений освещенных участков поверхности и суммирования обратных проекций с учетом поворота каждой проекции на угол, соответствующий каждому ракурсу освещения, отличающийся тем, что освещение поверхности контролируемого объекта осуществляют зондированной структурированной подсветкой, управляя пространственной модуляцией пучка оптического излучения, регистрацию плоских изображений освещенных участков поверхности производят по направлению, отличному от нормального, и судят о контролируемых размерах с учетом восстановленной топологии совместно с определением высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении.