Устройство для лазерного сканирования

 

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для трехмерного сканирования профиля различных объектов, например, при создании компьютерной модели (прототипа) изделия. Технический результат от использования полезной модели - повышении точности определения трехмерного профиля сканируемого объекта. Устройство для лазерного сканирования включает источник зондирующего лазерного излучения 4, первый канал измерения отраженного от объекта 2 излучения, содержащий зеркало 6, объектив 7 и фотоприемник 8; второй канал измерения отраженного от объекта 2 излучения, содержащий зеркало 9, объектив 10 и фотоприемник 11, блок обработки информации 5, связанный с фотоприемниками 8 и 11, и лазерные маркеры 12 и 13. Первый канал измерения и источник лазерного излучения 4 расположены в первой плоскости триангуляции, а второй канал измерения и источник лазерного излучения 4 расположены во второй плоскости триангуляции, при этом первая и вторая плоскости триангуляции являются взаимно ортогональными.

2 илл.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для трехмерного сканирования профиля различных объектов, например, при создании компьютерной модели (прототипа) изделия.

В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано устройство для лазерного сканирования, включающее источник зондирующего лазерного излучения, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, и блок обработки информации. Каждый канал измерения содержит объектив и фотоприемник, при этом упомянутые каналы расположены в пространстве симметрично относительно источника лазерного излучения и противоположно друг относительно друга таким образом, что первый фотоприемник и источник лазерного излучения лежат в первой плоскости триангуляции, второй фотоприемник и источник лазерного излучения лежат во второй плоскости триангуляции, и обе упомянутые плоскости триангуляции принадлежат одной общей плоскости. Измерение расстояния до объекта и, соответственно, определение его трехмерного профиля производится с помощью триангуляционного метода при перемещении сканирующего лазерного луча в двух направлениях по поверхности объекта, причем отраженные от поверхности объекта сигналы принимаются одновременно двумя фотоприемниками (Trucco. E. and Fisher R.B. Acquisition of consistent range data using local calibration // Proceeding IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, pp.3410 - 3415, 1994).

Недостаток ближайшего аналога заключается в следующем.

При сканировании ряда поверхностей (например, металлических) в поле обзора фотоприемника возникают нежелательные вторичные зеркальные переотражения (фиг.1), обусловленные наличием на поверхности объекта локальной структуры (впадины, углубления, неровности рельефа и т.п.), ориентированной, как правило, в одном направлении - перпендикулярно или параллельно плоскости триангуляции (плоскости чертежа фиг.1). В этом случае фотоприемник 3 регистрирует два сигнала, один из которых - отраженный от объекта 2 в результате сканирования объекта 2 лазерным лучом 1 в точке А - является «истинным», а другой - отраженный в точке В - «ложным». Один фотоприемник не может выделить из двух сигналов «истинный сигнал», и точность измерения расстояния до объекта и, соответственно, точность определения его трехмерного профиля снижается.

Устройство - ближайший аналог содержит два фотоприемника, но их оппозитное (противоположное) расположение в одной плоскости, содержащей две плоскости триангуляции, не позволяет отделить «ложный» сигнал от «истинного» в случае возникновения вторичных зеркальных переотражений от сканируемой поверхности. Как следствие, снижается точность измерения расстояния до объекта и точность определения его трехмерного профиля.

Технический результат полезной модели заключается в повышении точности определения трехмерного профиля объекта.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерного сканирования, содержащем источник лазерного излучения, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, каждый их которых включает (последовательно расположенные) объектив и фотоприемник, и блок обработки информации, связанный с упомянутыми каналами измерения, при этом источник лазерного излучения и первый канал измерения расположены в первой плоскости триангуляции, а второй канал измерения и источник лазерного излучения расположены во второй плоскости триангуляции, первый и второй каналы измерения снабжены зеркалами, размещенными перед объективами, и ориентированы в пространстве относительно источника лазерного излучения с возможностью измерения отраженного от объекта излучения во взаимно ортогональных первой и второй плоскостях триангуляции.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для лазерного сканирования снабжено первым и вторым лазерными маркерами, расположенными на заданном расстоянии от сканируемого объекта и ориентированными в пространстве с возможностью формирования лазерных лучей, параллельных лучу, формируемому источником зондирующего лазерного излучения, при этом первый лазерный маркер расположен в первой плоскости триангуляции, а второй лазерный маркер расположен во второй плоскости триангуляции.

Указанный технический результат достигается также тем, что лазерные маркеры выполнены в виде лазерных диодов.

Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 иллюстрируется возникновение вторичных зеркальных переотражений, на фиг.2 схематически изображено заявляемое устройство.

Устройство для лазерного сканирования включает источник зондирующего лазерного излучения 4, два канала измерения отраженного от объекта 2 излучения и блок обработки информации 5, выполненный в виде процессора. Первый канал измерения содержит последовательно расположенные зеркало 6, объектив 7 и фотоприемник 8, а второй канал измерения содержит последовательно расположенные зеркало 9, объектив 10 и фотоприемник 11. Выходы фотоприемников 8 и 11 подсоединены к блоку обработки информации 5. Первый канал измерения и источник зондирующего лазерного излучения 4 расположены в первой плоскости триангуляции (или, говоря иначе, оптическая ось O 1 первого канала измерения и направление зондирующего лазерного луча 1, сканирующего поверхность объекта 3, лежат в первой плоскости триангуляции), а второй канал измерения и источник зондирующего лазерного излучения 4 расположены во второй плоскости триангуляции (или, говоря иначе, оптическая ось O2 второго канала измерения и направление лазерного луча 1, сканирующего поверхность объекта 2, лежат во второй плоскости триангуляции), при этом первая и вторая плоскости триангуляции являются взаимно ортогональными, т.е. угол между оптическими осями O1 и О2 равен 90°.

Заявляемое устройство также содержит первый лазерный маркер 12, расположенный в первой плоскости триангуляции, и второй лазерный маркер 13, расположенный во второй плоскости триангуляции. Маркеры 12 и 13 расположены на заданном (заранее известном) расстоянии от поверхности сканируемого объекта 2, при этом маркеры 12 и 13 ориентированы в пространстве таким образом, что формируемые ими лучи 14 и 15 параллельны лучу 1, формируемому источником зондирующего лазерного излучения 4 (и, как следствие - параллельны друг другу). Маркеры 12 и 13 могут быть выполнены, например, в виде лазерных диодов.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При помощи лазерных маркеров 12 и 13 производится масштабирование объекта 2 для каждого канала измерения, т.е. определяется положение отраженного луча на фотоприемниках 8 и 11 для известных расстояний между лазерными маркерами 12 и 13 и объектом 2. Поскольку лучи 14 и 15, формируемые маркерами 12 и 13, параллельны лучу 1, данные, полученные на этапе масштабирования, остаются корректными в процессе сканирования луча 1 по поверхности объекта 2.

Далее лазерный луч 1 сканирует в двух взаимно перпендикулярных направлениях по поверхности объекта 2 для получения информации об его трехмерном профиле. Отраженные от объекта 2 сигналы посредством зеркал 6 и 9 направляются вдоль оптических осей O1 и О2 через объективы 7 и 10 в фотоприемники 8 и 11, соответственно, т.е. отраженные сигналы регистрируются одновременно в двух взаимно ортогональных плоскостях-плоскостях триангуляции. При существовании вторичных зеркальных переотражений один из фотоприемников - например фотоприемник 8 -зарегистрирует два сигнала - «истинный» и «ложный», а другой фотоприемник - например фотоприемник 11 - зарегистрирует только один «истинный» сигнал, что связано с указанной выше преимущественной ориентацией локальной структуры на поверхности объекта в одном направлении. Блок 5 производит обработку полученных с фотоприемников 8 и 11 сигналов и выделяет сигнал, зарегистрированный обоими фотоприемниками, который и является «истинным» сигналом, несущим корректную информацию о расстоянии до объекта. Как следствие, повышается точность измерения расстояния до исследуемой области объекта и более точно определяется трехмерный профиль объекта. Применение лазерных маркеров обеспечивает возможность корректировки масштаба изображения с целью поддержания его постоянным, и, как следствие - также способствует повышению точности определения трехмерного профиля объекта.

Заявляемое устройство может найти применениях в различных областях, где требуется высокая точность измерения трехмерного профиля различных изделий, в частности, при создании компьютерной модели (прототипа) изделий.

1. Устройство для лазерного сканирования, содержащее источник зондирующего лазерного излучения, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, каждый их которых включает последовательно расположенные объектив и фотоприемник, и блок обработки информации, связанный с упомянутыми каналами измерения, при этом источник зондирующего лазерного излучения и первый канал измерения расположены в первой плоскости триангуляции, а второй канал измерения и источник зондирующего лазерного излучения расположены во второй плоскости триангуляции, отличающееся тем, что первый и второй каналы измерения снабжены зеркалами, размещенными перед объективами, и ориентированы в пространстве относительно источника зондирующего лазерного излучения с возможностью измерения отраженного от объекта излучения во взаимно ортогональных первой и второй плоскостях триангуляции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым лазерными маркерами, расположенными на заданном расстоянии от сканируемого объекта и ориентированными в пространстве с возможностью формирования лазерных лучей, параллельных лучу, формируемому источником зондирующего лазерного излучения, при этом первый лазерный маркер расположен в первой плоскости триангуляции, а второй лазерный маркер расположен во второй плоскости триангуляции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что лазерные маркеры выполнены в виде лазерных диодов.



 

Наверх