СПОСОБ И УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2005 года по МПК G01B11/02 G01B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным оптическим средствам измерения геометрических размеров различных объектов.

Известен способ бесконтактного оптического измерения размеров объектов, называемый также теневым, который заключается в размещении исследуемого объекта между лазером и многоэлементным фотоприемником, развертке лазерного излучения в пучок параллельных лучей в зоне расположения объекта и определении размера объекта по величине тени, отбрасываемой им на фотоприемник. Устройства, реализующие известный способ, - лазерные теневые измерители - состоят из источника лазерного излучения, системы линз, формирующей из первоначального луча путем оптической развертки пучок параллельных лучей, и многоэлементного фотоприемника, подключенного к блоку обработки информации. Количество незасвеченных пикселов на фотоприемнике на линейке ПЗС определяет размер объекта (1, 2).

Использование оптической развертки позволяет применить для непрерывного считывания информации многоэлементный фотоприемник на линейке ПЗС и осуществить съем информации в течение одного кадра, длительность которого регулируется в широких пределах, вплоть до 0,1 мкс. Это обстоятельство дает возможность использовать лазерные теневые измерители для измерения параметров объектов, движущихся с большой скоростью.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран способ бесконтактного оптического измерения размеров объектов, заключающийся в размещении исследуемого объекта между лазером и фотоприемником, оптической развертке лазерного излучения в пучок параллельных лучей в зоне расположения объекта и определении размера объекта по величине тени от объекта на фотоприемнике. Устройство, реализующее известный способ, состоит из источника лазерного излучения, линзовой системы оптической развертки, многоэлементной фотодиодной линейки, схемы обработки информации и компьютера (3).

Недостатки известного способа и устройства, с помощью которого реализуется способ, обусловлены следующим. Точность измерения при использовании известного способа зависит, прежде всего, от точности определения границ контура исследуемого объекта. Дифракционные эффекты приводят к тому, что переход от света к тени на поверхности фотоприемника характеризуется определенной протяженностью, которая для используемых на практике фотоприемников на линейке ПЗС составляет, как правило, несколько пикселов. Размытость границы между светом и тенью снижает точность определения размеров объекта, причем влияние этого фактора будет тем больше, чем меньше размер объекта.

Как было показано выше, размер объекта определяется количеством незасвеченных (затемненных) пикселов на линейке ПЗС. Затемненным считается пиксел, видеосигнал с которого меньше определенного порога.

Можно показать, что размер детали будет определяться количеством пикселов, на которых напряжение U_t больше порогового U_пор

,

где Е_max - максимальная мощность лазерного излучения;

r - текущий радиус лазерного пучка на линейке ПЗС;

r_о - радиус лазерного пучка в точке с плотностью мощности излучения в е² раз меньшей, по сравнению с интенсивностью в центре;

Т_экс - время экспозиции;

RC - параметр, характерный для конкретной линейки ПЗС.

Из выражения (1) следует, что размер объекта зависит как от мощности лазерного излучения, так и от времени экспозиции.

За время экспозиции число пикселов, на которых U_t≥U_пор, будет определяться мощностью лазерного излучения, так как освещенность каждого пиксела и, следовательно, скорость нарастания заряда на нем зависит от мощности лазерного излучения. Как следствие, определяемый размер объекта будет зависеть от величины мощности лазерного излучения. Поэтому в известном лазерном измерителе при флуктуациях мощности точность определения размера объекта снижается.

Задача, решаемая изобретением, - повышение точности измерений.

Указанная задача решается тем, что в способе бесконтактного оптического измерения размеров объектов, заключающемся в размещении объекта между источником лазерного излучения и фотоприемником, оптической развертке лазерного излучения в пучок параллельных лучей в зоне расположения объекта и определении размера объекта по величине тени от объекта на фотоприемнике, измеряют мощность лазерного излучения Р, сравнивают ее с заданным уровнем Р_о и по величине (Р_о-Р) осуществляют корректировку времени экспозиции фотоприемника. Устройство для осуществления способа, содержащее источник лазерного луча, средства оптической развертки лазерного луча, фотоприемник, подключенный к первому входу блока обработки информации, и объект, расположенный между источником лазерного луча и фотоприемником, снабжено светоделителем, размещенным между источником лазерного луча и средствами оптической развертки, и фотоприемным пороговым устройством, выход которого подсоединен ко второму входу блока обработки информации. Средства оптической развертки лазерного луча выполнены в виде цилиндрических линз, а светоделитель - в виде полупрозрачной пластины.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где схематически изображено устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ. Оно включает лазер 1, светоделительную полупрозрачную пластину 2, средства оптической развертки лазерного луча, состоящие из короткофокусной цилиндрической линзы 3 и выходной цилиндрической линзы 4, коллимирующую линзу 5, фотоприемник на линейке ПЗС 6, соединенный с первым входом блока обработки информации 7, и фотоприемное пороговое устройство 8, подключенное ко второму входу блока 7 и представляющее собой фотоприемник со схемой сравнения. Светоделительная пластина 2 и фотоприемное пороговое устройство 8 образуют канал корректировки времени экспозиции. Светоделительная пластина 2 расположена под углом к траектории луча лазера 1 для того, чтобы обеспечить отвод части мощности излучения на фотоприемное пороговое устройство 8. Измеряемый объект 9 размещается между линзами 4 и 5.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Излучение лазера 1 попадает на светоделительную пластину 2. Часть излучения отклоняется пластиной 2 на фотоприемное пороговое устройство 8, а остальная часть проходит в оптическую систему линз 3 и 4, осуществляющих развертку излучения в пучок параллельных лучей. В результате исследуемый объект 9 засвечивается плоским лучом и на фотоприемнике 6 формируется изображение объекта, соответствующее тени, отбрасываемой объектом 9 на поверхность фотоприемника 6. В блоке 7 происходит обработка сигнала изображения и определение размера объекта 9. В пороговом устройстве 8 осуществляется сравнение части мощности лазерного излучения, поступившей на устройство 8, с пороговой величиной, соответствующей заданной мощности излучения. Если величина мощности отлична от заданной, на выходе порогового устройства 8 будет формироваться разностный сигнал, поступающий на второй вход блока 7. В соответствии с величиной поступившего сигнала блок 7 осуществляет корректировку времени экспозиции фотоприемника 6. Если фактическая мощность лазерного излучения больше заданной, блок 7 уменьшает время экспозиции, если меньше - увеличивает.

Как следствие, регулировка времени заряда пикселов даже в условиях флуктуации мощности лазерного излучения обеспечивает высокую точность измерений.

Таким образом, заявляемые способ и устройство за счет корректировки времени экспозиции в зависимости от мощности лазерного излучения обеспечивают - по сравнению с устройством-прототипом - повышение точности измерения размеров объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.З.Венедиктов, В.Н.Демкин, Д.С.Доков, А.В.Комаров. Применение лазерных методов для контроля параметров автосцепки и пружин. Новые технологии - железнодорожному транспорту. Сборник научных статей с международным участием, часть 4. Омск 2000, с.232-233.

2. V.N.Demrin, D.S.Dokov, V.N.Tereshkin, A.Z.Venediktov. Optical control of geometrical dimensions for railway cars automatic coupling. Third Internat. Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering. Proceedings of SPAS, Vol. 3. 7-11 June 1999, St. Petersburg, p. А17.

3. В.В.Анциферов, М.В.Муравьев. Бесконтактный лазерный измеритель геометрических размеров роликов подшипников. Новые технологии - железнодорожному транспорту. Сборник научных статей с международным участием, часть 4. Омск 2000, с.210-213 (прототип).

В способе бесконтактного оптического измерения размещают объект между источником лазерного излучения и фотоприемником, измеряют мощность лазерного излучения Р, сравнивают ее с заданным уровнем Р₀, осуществляют оптическую развертку лазерного излучения в пучок параллельных лучей в зоне нахождения объекта и определяют размер объекта по величине тени от объекта на фотоприемнике, корректируя время экспозиции фотоприемника по величине разности (Р₀-Р). Устройство для осуществления способа включает лазер, светоделительную пластину, короткофокусную цилиндрическую линзу, выходную цилиндрическую линзу, коллимирующую линзу, ПЗС, блок обработки информации, фотоприемное пороговое устройство. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ бесконтактного измерения размеров объектов, заключающийся в размещении объекта между источником лазерного излучения и фотоприемником, оптической развертке лазерного излучения в пучок параллельных лучей в зоне расположения объекта, и определении размера объекта по величине тени от объекта на фотоприемнике, отличающийся тем, что измеряют мощность лазерного излучения Р, сравнивают ее с заданным уровнем Р_о и по величине (Р_о-Р) осуществляют корректировку времени экспозиции фотоприемника.2. Устройство для бесконтактного оптического измерения размеров объектов, содержащее источник лазерного луча, средства оптической развертки лазерного луча, фотоприемник, подключенный к первому входу блока обработки информации, и объект, расположенный между средствами оптической развертки лазерного луча и фотоприемником, отличающееся тем, что оно снабжено светоделителем, размещенным между источником оптического излучения и средствами оптической развертки и оптически связанным с фотоприемным пороговым устройством, выход которого подсоединен ко второму входу блока обработки информации.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средства оптической развертки лазерного луча выполнены в виде цилиндрических линз.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что светоделитель выполнен в виде полупрозрачной пластины.