способ бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов

Формула изобретения

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов, заключающийся в многократном формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, каждый раз с управлением пространственной модуляцией интенсивности пучка оптического излучения, последовательной регистрации изображений искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, а двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированных изображениях, отличающийся тем, что для каждой точки контролируемого объекта определяют зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения, используют полученные калибровкой калибровочной поверхности зависимости интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения для точек калибровочной поверхности при ее различных расстояниях до поверхности, определенной как базовая, и для определения высоты рельефа поверхности контролируемого объекта определяют расстояние от базовой поверхности до точки калибровочной поверхности, в которой зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости в исследуемой точке контролируемого объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения формы поверхности сложных трехмерных объектов в машиностроении, медицине, стоматологии, судебно-медицинской экспертизе и т.д.

Известен способ, реализующий принцип сканирующей подсветки, который используется в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры 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 является низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.

Известен способ 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 подсветку. 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 подсветки. 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, РСТ / US99 / 70303, кл. G01В 11/24, 23.11.2000).

Недостатком известного способа является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных либо рельефом поверхности контролируемого объекта, либо низким значением спектрального коэффициента отражения, зависящего от материала и цвета какого-либо участка поверхности контролируемого объекта.

Известен способ контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система концентрических полос, создаваемая путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения, по меньшей мере, два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого объекта (см., например, М.Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143).

Недостатком известного способа является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного.

Известен способ контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по величине искажений изображения структуры зондирующей подсветки, а двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении (см., например, описание изобретения к патенту РСТ WO 99/58930, PCT / US99 / 106777, кл. G01В 11/24 1999 г.)

Недостатками известного способа является высокая погрешность, обусловленая тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта модулированного по одной координате транспарантом с неизменной периодической структурой оптического изучения нельзя предусмотреть либо заранее учесть искажения картины, вызванные различными отражательными свойствами поверхности и глубокими впадинами, которые невозможно идентифицировать без априорной информации о макроструктуре поверхности контролируемого объекта.

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. Способ заключается в многократном формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки, каждый раз с управлением пространственной модуляцией интенсивности пучка оптического излучения по одной координате, так, что на поверхности контролируемого объекта создается изображение структурированной подсветки в виде апериодической совокупности полос, регистрации изображений искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки, которую производят путем накопления суммарного изображения, определения положения искажений структуры подсветки в зарегистрированных изображениях по расстоянию вдоль полосы и номеру полосы, формируемому логическим суммированием двоичных чисел, кодирующих положение полос в каждой из реализации апериодической совокупности полос так, что единица соответствует наличию полосы, а нуль - отсутствию полосы (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2185598, кл. G01B 11/24, 2003 г.).

Недостатком известного способа является низкая точность определения линейных размеров, ограниченная точностью определения координат формируемой полосы на регистраторе изображения. Низкая точность определения координат полосы обусловлена сложностью детектирования полосы на участках объекта, имеющих различные отражательные свойства. Кроме того, поперечный размер полосы на регистраторе, влияющий на точность определения координат, зависит от угла между нормалью к поверхности и осью излучения структурированной подсветки.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предполагаемым 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.

Новизна предложенного способа усматривается в том, что для каждой точки контролируемого объекта определяют зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения, используют полученные калибровкой калибровочной поверхности зависимости интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения для точек калибровочной поверхности при ее различных расстояниях до поверхности, определенной как базовая, и для определения высоты рельефа поверхности контролируемого объекта, определяют расстояние от базовой поверхности до точки калибровочной поверхности, в которой зависимость интенсивности освещения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости в исследуемой точке контролируемого объекта.

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

Предложенный способ бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов 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, направленных 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 чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит источник оптического излучения 1, пространственный модулятор интенсивности 2, фоторегистратор 3, цифровой электронный блок 4, блок регистрации результатов 5. Вход цифрового электронного блока 4 соединен с выходом фоторегистратора 3, а выход соединен с управляющим входом модулятора 2.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов осуществляют следующим образом.

Интенсивность оптического излучения, выходящего из источника 1, модулируется пространственным модулятором света 2. Созданная таким образом структурируемая подсветка проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой известным образом искажает изображение структурируемой подсветки. Фоторегистратор 3 регистрирует изображение контролируемого объекта и передает на вход электронного блока 4. Электронный блок 4 преобразует сигнал с выхода фоторегистратора 3 и записывает очередное изображение структурируемой подсветки во внутреннее запоминающее устройство. Одновременно в памяти электронного блока 4 записывается изображение структурированной подстветки, созданной пространственным модулятором 2. Перечисленная выше последовательность повторяется второй раз, но при этом по сигналу с выхода цифрового электронного блока 4 модулятор 2 формирует структурированную подсветку, соответствующую второй реализации. Число повторений вышеописанного цикла и количество реализации структурированных подсветок устанавливаются в зависимости от требуемой точности определения линейных размеров контролируемого объекта и, практически, ничем не ограничены. Направления освещения и наблюдения устанавливаются различными. Профиль поверхности восстанавливается из величины искажений наблюдаемых изображений структурируемых подсветок.

Для увеличения точности контроля перед проведением измерения контролируемого объекта можно выполнять калибровку калибровочной поверхностью, на которую нанесены координатные метки. Калибровка заключается в проведении вышеописанного цикла измерений калибровочной поверхности, в результате которого во внутреннем запоминающем устройстве электронного блока 4 формируется набор изображений поверхности. Далее проводится серия аналогичных измерений для калибровочной поверхности, параллельно смещаемой по направлению от источника освещения на некоторые интервалы с сохранением результатов в электронном блоке 4. Самая удаленная поверхность определяется как базовая.

Поскольку зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения однозначно определяет высоту рельефа поверхности контролируемого объекта, а две другие координаты определяются по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированных изображениях, то для каждой точки измеренной поверхности определяется точка на базовой поверхности, в которой зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения была аналогичной.

После получения изображений контролируемого объекта для каждой точки на изображениях контролируемого объекта определяются точки на изображениях калибровочной поверхности, соответствующие различным расстояниям от измеряемой поверхности до базовой, в которых была аналогичная зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения. С помощью интерполяции определяется расстояние от базовой поверхности до поверхности, на которой в исследумой точке зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости интенсивности от номера изображения в исследуемой точке контролируемого объекта. По координатам исследуемой точки с помощью координатных меток, нанесенных на калибровочную поверхность, определяются координаты точки в двумерном пространстве, определенном калибровочной поверхностью. С помощью линейного преобразования определяются 2 декартовые координаты в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения калибровочной поверхности. Таким образом, для каждой исследуемой точки изображения определяются 3 декартовые координаты: одна в направлении перемещения калибровочной поверхности и 2 в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения калибровочной поверхности. Использование функции зависимости интенсивности освещения от номера изображения, устойчивой к ошибке определения интенсивности, обеспечивает устойчивость способа к определению поля координат контролируемого объекта. Способ позволяет определять линейные размеры трехмерных объектов независимо от отражательных свойств поверхности и наличия глубоких впадин. В результате повышается точность и достоверность контроля.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет измерять линейные размеры трехмерных объектов любой сложности, с высокой точностью, не зависящей от отражательных свойств поверхности.

Способ может с успехом использоваться в технологических процессах создания объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п.). Кроме того, способ может быть использован в различных приложениях компьютерной трехмерной графики.