БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОФИЛЯ Российский патент 2010 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к измерительным устройствам, использующим оптические средства измерения, и может применяться в различных отраслях промышленности, приборостроения, измерительной техники и других отраслях хозяйственной деятельности для измерения координат поверхности двумерных и трехмерных объектов.

Известны устройства для измерения профиля (2D/3D-profile sensor).

Например, сканеры марки 2D фирмы MEL MICROELECTRONIK GmbH (ФРГ), рекламные материалы в сети Интернет по адресу: www: http//melsensor.de.

Эти устройства широко представлены на рынке 2D/3D сканеров. Ведущими фирмами - производителями данных приборов являются:

- Micro Epsilon (Германия, США); www: http//micro-epsilon.com,

- Mikro Elektronik (Германия); www: http//melsensor. de,

- Thomas Global (США); www: http//thomasglobal.com.

Эти приборы, принятые за аналоги, построены на базе одноканальной приемной схемы, измеряющей с помощью приемной ПЗС-матрицы линейные параллаксы точек объекта, освященных световой зондирующей линией.

Этим приборам присущи следующие недостатки:

- временная, температурная и пр. нестабильность выходных данных;

- отсутствие помехозащищенности измерительной информации;

- низкая точность измерений, особенно при измерениях на больших (более 1 м) расстояниях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «Бесконтактный трехкоординатный измеритель» по патенту РФ № 2191348, принятый за прототип. Он содержит осветительную схему, формирующую световую зондирующую линию на поверхности объекта, и двухканальную приемную схему с одной ПЗС-матрицей.

Приемная двухканальная схема построения по дифференциальному (мостовому) принципу выполнена нерасстраиваемой за счет применения оптических элементов, стабилизирующих угловое положение оптической оси прибора.

Схема устройства-прототипа обеспечивает долговременную стабильность и помехозащищенность измеренных данных и повышенную по сравнению с аналогами точность измерений.

Основным недостатком прототипа и аналогов является разная чувствительность измерений по поперечной оси (OY) и по оси дальности (OZ). Это, в свою очередь, приводит к тому, что приборы имеют разную точность измерений при одинаковых диапазонах измерений <Y> и <Z> по осям Y и Z или разные диапазоны измерений <Y>, <Z> при одинаковой точности измерений по измерительным направлениям Y и Z.

Эти различия особенно сильно проявляются при больших расстояниях L до объекта, поскольку точность δZ измерений по оси чувствительности Z падает как , чем и объясняется отсутствие среди современных 2D/3D - сканеров приборов для L₀≥1 м с приемлемой точностью измерений по оси OZ.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений при больших расстояниях до объекта, увеличение диапазона измерений по поперечной координате (OY) и достижение малых размеров прибора по оси OY.

Это достигается тем, что в приемную проекционную схему прибора введены анаморфотные узлы, реализованные цилиндрическими фокусирующими элементами и обеспечивающие разные увеличения проекционной системы по осям Y и Z. Кроме того, в приемную проекционную схему введены телескопические системы, переносящие входные зрачки в главные плоскости проекционного объектива и тем самым резко уменьшающие размеры оптических элементов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 приведена схема прибора с телескопическими системами, построенная на сферических элементах, и с объективом - анаморфотом.

На фиг.2 приведена схема прибора с цилиндрическими телескопическими системами и сферическим проекционным объективом.

На фиг.3 представлена оптическая схема объектива - анаморфота.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит осветительный узел, формирующую зондирующую световую линию на объекте, двухканальную приемную проекционную схему, строящую два изображения освещенных точек объекта в плоскости приемной ПЗС-матрицы, информация с которой поступает на вычислитель (персональный компьютер ПК), который производит необходимые вычислительные операции и формирует цифровые значения двух координат Y и Z освещенных точек объекта.

Осветительный узел содержит лазерный диод 1, формирующие сферическую линзу 2 и цилиндрическую линзу 3, систему зеркал 4, выводящих световой поток на ось прибора и направляющих его на объект.

Оптические параметры элементов осветительной схемы подбираются таким образом, чтобы обеспечить, во-первых, длину зондирующей линии OY, равной измерительному диапазону <Y>, во-вторых, фокусировку (по оси OZ) в середину измерительного диапазона по оси OZ, то есть в плоскость Z=L₀, и в третьих, чтобы длина каустики световой линии в направлении

была равна измерительному диапазону <Z>, где - угловая апертура схемы освещения по оси ОХ. При выполнении этих условий осветительная схема обеспечивает одинаковые условия освещения всех точек объекта во всем измерительном диапазоне <Y> и <Z>, причем ширина зондирующей линии будет равна

Двухканальная приемная схема содержит Х-клинья 5 и пента-призмы 6, оптические оси которых расположены на базовом расстоянии ±В в плоскости ОХ относительно выходной осветительной оси осветителя.

Объективы 7, 9 и коллектив 8, расположенный в плоскости первичного изображения поверхности объекта, составляют телескопическую оборачивающую систему, переносящую входные зрачки приемной схемы в плоскость проекционного объектива.

Введением телескопических оборачивающих систем обеспечивается значительное уменьшение размеров элементов оптической схемы (особенно по оси OY).

Схема сканера содержит также зеркальный соединительный узел 10, направляющий световые потоки двух каналов схемы на проекционный объектив. Последний состоит из цилиндрической линзы 11, фокусирующей в плоскости ОХ, и цилиндрической линзы 12, фокусирующей в плоскости OY.

Коэффициент анаморфизма схемы K_A=f_x/f_y,

где f_x и f_y - фокусные расстояния элементов 11 и 12 соответственно.

В плоскости изображений проекционного объектива расположена двухкоординатная ПЗС-матрица 13. Измерительная информация прибора, прошедшая первичную обработку по USB-каналу, поступает на персональный компьютер (ПК) или другой вычислитель, осуществляющий все необходимые вычислительные операции и формирующий на выходе цифровые коды координат Y и Z освещенных точек объекта.

На фиг.2 приведена модификация оптической схемы прибора. В этой схеме анаморфотный элемент выполнен в виде анаморфотной телескопической системы, реализуемой цилиндрическими фокусирующими элементами 7' и 9' с совмещенными фокальными плоскостями и цилиндрическим коллективом 8' в плоскости первичного изображения объекта. В этом случае проекционный объектив 11 является сферическим (изоморфным). Остальные элементы схемы фиг.2 аналогичны элементам схемы фиг.1.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Световой поток лазерного диода 1, пройдя линзы 2 и 3, зеркала 4, направляется на измеряемый объект и в виде узкой световой линии вдоль оси OY освещает точки поверхности объекта. Диффузная часть отраженного от объекта света попадает на входные зрачки двухканальной приемной схемы прибора. Клинья 5, имеющие угол отклонения φ_х, выбираются такими, чтобы центр L₀ измерительного диапазона по оси дальности Z совпадал с центрами измерительных диапазонов фотодетектора 13.

Далее сигнальные световые потоки проходят пента-призмы 6 и линзы телескопической системы 7 и 9, фокальные плоскости которых совпадают.

В плоскости первичного изображения объекта расположен коллектив 8 с фокусным расстоянием .

В этом случае при f₇=f₉ изображение оправы объектива 7 будет сформировано в плоскости объектива 9 и тем самым обеспечено прохождение без виньетирования световых потоков от всех точек объекта, освещенных зондирующей линией. Далее сигнальные световые потоки с помощью соединительной призмы 10, имеющей зеркальные катеты, направляются на объектив-анаморфот (11 и 12), который строит два изображения освещенных точек объекта в плоскости приемной двухкоординатной ПЗС-матрицы 13 (фиг.3).

Оптическая схема объектива-анаморфота приведена на фиг.3. Фокусные расстояния цилиндрического элемента 11 - f_x, а элемента 12 - f_y

t_x,>f_y.

Таким образом, изображение объекта квадратной формы (со стороной а) объективом-анаморфотом будет преобразовано в прямоугольник со сторонами

где - коэффициент анаморфизма.

Поскольку погрешность измерений Δу и Δz сканера очевидно равна (для сферического приемного объектива) в соответствии с устройством-прототипом (см. патент РФ № 2191348)

Δy=dy'V

где dx' и dy' - погрешности измерений энергетического центра изображений освещенных точек объекта по осям х' и у' в плоскости фотодетектора 13, при этом

dx'=dy'

- увеличение приемной схемы прибора.

Для объектива-анаморфота

и

Поэтому выражения (1) перепишутся в виде

Δy=dy'V_y

и таким образом между точностями может быть получено любое соотношение.

Для случая одинаковой точности измерений по осям у и z, то есть

Δy=Δz

получается условие

Таким образом, с введением объектива-анаморфота в схему прибора обеспечивается одинаковая точность измерений по осям Y и Z практически при любых расстояниях до объекта.

Методы и средства обработки информации, полученной на выходе приемной ПЗС - матрицы, аналогичны тем, что применяются в аналогах и прототипе.

В настоящее время разработан, изготовлен и прошел испытания экспериментальный образец ЛП-2 для обмера геометрии горячего проката, построенный по схеме фиг.1.

Бесконтактный измеритель профиля содержит осветительную схему, формирующую зондирующую световую линию на объекте, ПЗС-матрицу, двухканальную приемную проекционную схему и вычислительный блок. Двухканальная приемная проекционная схема строит два изображения точек объекта в плоскости ПЗС-матрицы и содержит пента-призмы, оптические оси которых расположены на базовом расстоянии, телескопические системы с коллективом в плоскости первичного изображения объекта и соединительный узел. Соединительный узел направляет световые потоки двух каналов на проекционный объектив-анаморфот, состоящий из двух цилиндрических фокусирующих элементов с ортогональными плоскостями фокусировки и совмещенными плоскостями изображений. Телескопические системы могут быть выполнены из цилиндрических фокусирующих элементов. Анаморфотные узлы обеспечивают выравнивание чувствительности по поперечной и продольной координатам. Технический результат - повышение точности измерений при больших расстояниях до объекта, увеличение диапазона измерений по поперечной, координате и уменьшение размеров прибора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Бесконтактный измеритель профиля, содержащий осветительную схему, формирующую зондирующую световую линию на объекте, ПЗС-матрицу, двухканальную приемную проекционную схему, строящую два изображения освещенных точек объекта в плоскости приемной ПЗС-матрицы, вычислительный блок, отличающийся тем, что двухканальная приемная проекционная схема содержит пента-призмы, оптические оси которых расположены на базовом расстоянии, телескопические системы с коллективом в плоскости первичного изображения объекта и соединительный узел, направляющий световые потоки двух каналов приемной проекционной схемы на проекционный объектив-анаморфот, состоящий из двух цилиндрических фокусирующих элементов с ортогональными плоскостями фокусировки и совмещенными плоскостями изображений.

2. Бесконтактный измеритель профиля по п.1, отличающийся тем, что телескопические системы выполнены из цилиндрических фокусирующих элементов.