Бесконтактный измеритель расстояний

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть применено для измерения линейных размеров и профилей объектов в машиностроении, приборостроении, в автоматических линиях по производству проката. Бесконтактный измеритель расстояний содержит двухканальную приемную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов. В устройство введен осветительный канал для формирования зондирующей световой линии на поверхности объекта, две двухкоординатные ПЗС-матрицы, расположенные на фиксированных расстояниях от объективов, по одному направлению каждой из которых измеряются координаты точек объекта вдоль зондирующей световой линии, а по перпендикулярному направлению - параллаксы. Устройство также содержит встроенный контроллер для выработки координат энергетических центров изображений на ПЗС-матрицах точек объекта, освещенных световой линией, и для вычисления по значениям этих координат значений дальностей до освещенных точек объекта. Бесконтактный измеритель расстояний может быть дополнен встроенной системой эталонных расстояний для выработки поправок на нелинейность и временную нестабильность показаний прибора. Изобретение позволяет повысить скорость и точность измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и может быть применено для измерения линейных размеров и профилей объектов в машиностроении, приборостроении, станкостроении, в автоматических линиях по производству проката, листовых материалов.

Известны многочисленные измерители расстояний как контактные, так и бесконтактные; наиболее перспективными из них являются бесконтактные приборы. К бесконтактным измерителям относятся ультразвуковые датчики расстояний (например, "Ультразвуковая техника измерения уровня, Contr. and Instrum. 1990, v. 22, N2 p.31) и светолокационные дальномеры, измеряющие время распространения световой волны до объекта и обратно (см. обзор "Зарубежные электронные тахеометры и спутниковые приемники", Геодезия и картография, N8, 1991).

Общими недостатками этих приборов являются малая абсолютная точность измерений (1мм и хуже) и возможность определения расстояний только в одной осредненной "точке" объекта, задаваемой сечением зондирующего излучения на объекте.

При необходимости измерения рельефа объекта необходимо осуществить пространственное сканирование зондирующего "луча" по объекту, что усложняет и удорожает прибор и резко увеличивает время измерений.

К классу бесконтактных измерителей относятся также оптические интерферометры, имеющие высокую абсолютную (0,1 мкм и лучше) и относительную (до 10^-6)) точность измерений. Однако, они имеют существенные недостатки: накопительный (относительный) принцип измерений и необходимость закрепления на объекте отражателя, т.е. элемента схемы измерителя. Поэтому интерферометры нельзя считать бесконтактными измерителями расстояний в строгом смысле. Они используются, в основном, в метрологических приложениях, поскольку с их помощью невозможно измерение расстояний до произвольного, тем более до движущегося объекта, а также невозможно измерение профиля объекта.

Наиболее близким аналогом предлагаемому устройству является оптический дальномер с внутренней базой (С.Г.Бабушкин и др. Оптико-механические приборы - М.: Машиностроение, 1965, стр. 306-339), принятый за прототип.

Эти дальномеры имеют две идентичные оптические приемные системы, оптические оси которых разнесены на базовое расстояние В. В приборе строятся два изображения объекта и путем их совмещения измеряется параллактический угол между ними, являющийся мерой измеряемого расстояния L = B/. Основными недостатками прототипа являются: низкая абсолютная и относительная точность измерений, вызванная малой угловой чувствительностью человеческого глаза; необходимость человека-оператора для осуществления сложного алгоритма совмещения двух изображений, субъективные ошибки оператора и низкая скорость измерений; невозможность измерения профиля объекта; большие габариты и вес прибора; отсутствие в приборе системы эталонных расстояний, что исключает абсолютную внутреннюю аттестацию измерителя.

Предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач: обеспечение параллельного измерения до большого числа точек объекта, т. е. измерение расстояния до объекта и его профиля; увеличение точности и скорости измерений; увеличение долговременной и температурной стабильности шкалы прибора.

Поставленные цели достигаются тем, что, во-первых, в схему прибора введен осветительный узел, формирующий узкую зондирующую световую линию на объекте. Только точки объекта, освещенные этой щелью являются объектом для приемной схемы (остальные точки объекта являются фоном) и их изображения строятся и анализируются приемной схемой.

Во-вторых, в схеме в качестве приемника-координатора применена двухкоординатная ПЗС-матрица, по одному направлению которой измеряются координаты точек объекта вдоль зондирующей световой линии, а по перпендикулярному направлению - параллаксы (т. е. расстояния до соответствующих точек объекта). Параметры оптической схемы и структура ПЗС-матриц обеспечивает большое число (10³-10⁴) параллельно измеряемых расстояний до точек объекта, а также высокую абсолютную и относительную точность измерений (до 1 мкм).

В-третьих, в схеме прибора введена система внутренних эталонных расстояний, периодическое измерение которых позволяет обеспечить долговременную и температурную стабильность выходной информации прибора.

В-четвертых, в схему прибора введен встроенный контроллер, осуществляющий определение координат энергетических центров изображений точек объекта и по определенному алгоритму вычисляющий координаты и расстояния до них, а также вырабатывающий поправки, вызванные нелинейностями измерительной шкалы и временными нестабильностями схемы.

Таким образом, введение в схему измерителя, содержащего два приемных проекционных канала с базовым расстоянием В между их объективами, осветительной системы, формирующей узкую зондирующую световую щель на объекте, и двух двухкоординатных фотоприемников типа ПЗС-матриц, работающих в режиме выработки координат изображений точек объекта, обеспечивает параллельное измерение линейных параллаксов освещенных точек объекта с высокой абсолютной и относительной точностью.

Кроме того, введение системы внутренних эталонных расстояний обеспечивает выработку поправок к выходной информации, учитывающих нелинейности измерительной шкалы и временные нестабильности схемы. Наличие в схеме встроенного контроллера обеспечивает вычислений расстояний до соответствующих точек объекта по измеренным линейным параллаксам этих точек и вырабатанным поправкам, причем алгоритм вычисления расстояний
Z_j=X_1j + X_2j,
где
X_1j и X_2j - параллаксы до j-той точки объекта, измеренные по первой и второй ПЗС-матрице.

Предлагаемое устройство поясняется фиг. 1, 2 и 3. На фиг.1 приведена принципиальная схема измерений; на фиг.2 приведен вид приемного изображения в плоскости ПЗС-матрицы; на фиг.3 представлена блок-схема прибора.

Принципиальная схема измерения (фиг.1) содержит осветительный узел, состоящий из лазерного диода 1, расположенного в фокальной плоскости объектива 2, и цилиндрической линзы 3. На выходе узла формируется узкая световая зондирующая щель в направлении оси ОУ (перпендикулярно плоскости фиг.1).

Приемная схема измерителя состоит из объективов 4 и 5, центры которых разнесены на базовое расстояние В относительно оси осветителя, и двух фотоприемных ПЗС-матриц 6 и 7, раположенных на фиксированном расстоянии S' от объективов. Оси приемных каналов наклонены на угол = arctg B/L₀ к оси осветителя, где L₀ - среднее значение измерительного диапазона, а S' определяет плоскость изображения плоскости объекта с расстоянием L₀ от прибора (плоскость ОХУ).

При расположении объекта в диапазоне расстояний L₁-L₂ на нем будет высвечена узкая световая щель по оси ОУ, и только эти освещенные точки объекта и будут восприниматься измерительной схемой (неосвещенные точки являются фоном, имеющим малую яркость). Для поверхностей объекта с диффузным или направленно рассеянным отражением в плоскости ПЗС-матриц будут построены расфокусированные изображения освещенных точек объекта. Эти изображения точек будут иметь круговое сечение, и, следовательно, энергетические центры их будут совпадать с геометрическими. (Для чисто зеркальных поверхностей объекта эти изображения будут отсутствовать, но существуют искусственные способы визуализации этих изображений путем, например, конденсации водяных паров на зеркальной поверхности).

Из фиг.1 легко получаются выражения для X-координат геометрических центров этих изображений точек объекта. Для плоскости с Y=0 имеем (система OX₁Y₁ и OX₂Y₂ проведена в плоскости ПЗС-матриц согласно фиг.1):
tg = B/L, tg₀= B/L₀

где
Z=L-L₀.

Выходная зависимость (1) нелинейна по отношению к измеряемому расстоянию Z. Однако применение в схеме встроенного контроллера делает это несущественным, т.к. с его помощью все нелинейности шкалы могут быть выявлены на этапе эталонирования и скорректированы в выходном коде измерителя.

Для точек объекта с Y0 в плоскости ПЗС-матриц формируется двумерное изображение точек предмета, освещенных зондирующей щелью (фиг.2).

Из фиг.2 видно, что прямая световая линия точек объекта превращается за счет линейных параллаксов точек с Z0 в кривую линию, где каждой точке М соответствует координата Y_j= Stg_y (_y - визирная ось на точку объекта в плоскости OYZ), а X_j(Y_j)-соответствующий линейный параллакс. Измерение координаты y по ПЗС-матрице производится путем определения номера j строки, поэтому координаты изображений точек объекта будут представляться в виде пар чисел (j, x_j).

Информация об Z_j в виде отдельных значений параллаксов X₁(X₂) плохо защищена от шумовых смещений световой щели (в направлении OX) и от влияния фоновых засветок. При наличии последней измеренные параллаксы по ПЗС-матрицам (для строки номер j) будут равны

где
X_сj, X_фj - координаты энергетических центров изображений точки объекта и фона в плоскости ПЗС-матриц;
P_сj, P_фj - мощности сигнального и фонового изображений.

Выходной информацией измерителя является величина (по каждой строке матриц):

Величина Z_j не зависит от координаты X_фj. Кроме того, алгоритмы обработки информации построены так, что определение параллаксов X_1j и X_2j не зависит от мощностей P_сj, P_фj и таким образом двухканальная схема (фиг.1) с представлением выходной информации в виде (3) полностью подавляет влияние внешних световых помех, в том числе и шумовые смещения зондирующей световой щели, т. к. эти смещения являются частным случаем выражений (2), в которых P_сj=P_фj.

Общий вид выходной информации с измерителя с учетом параллельного измерения параллаксов X_1j и X_2j по каждой строке ПЗС-матриц имеет вид:

где
j - номер строки ПЗС-матриц;
Z_j - выражение Z по формуле (3).

Число М строк матриц лежит в диапазоне 500 - 10000, т.е. схема фиг.1 позволяет за период съема информации с ПЗС-матриц (0,02с) получить М некоррелированных значений дальностей до точек объекта и таким образом построить рельеф поверхности вдоль зондирующей щели.

На фиг. 3 представлена блок-схема измерителя. Схема состоит из осветительного блока, содержащего лазерный диод 1, объектив коллиматора 2 и цилиндрическую линзу 3, двух приемных объективов 4,5 и двух ПЗС-матриц 6,7, расположенных на фиксированном расстоянии S' от объективов. Измеритель содержит также блок-координатор 8, который по видеоинформации с ПЗС-матриц вырабатывает линейные параллаксы изображений освещенных точек объекта по каждой строке ПЗС-матриц, и контроллер 9, формирующий выходной код 3 измерителя.

Схема измерителя содержит систему внутреннего эталонирования. Эта система состоит из полупрозрачного зеркала 10 и набора светоизлучающих диодов 11, жестко закрепленных в корпусе прибора на фиксированных расстояниях от зеркала 10. (Для создания больших эталонных расстояний перед диодами 11 жестко в корпусе крепятся линзы, строящие изображения этих диодов на больших расстояниях от зеркала 10). Это зеркало строит изображение светоизлучающих областей диодов 11' в пространстве объекта, и таким образом создается серия светящихся "точек" на фиксированных расстояниях от прибора, причем стабильность этих расстояний равна стабильности корпуса измерителя.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Световая зондирующая линия направляется на поверхность объекта. Отраженный от объекта световой поток создает в плоскости приемных ПЗС-матриц (6 и 7) систему двумерных изображений освещенных точек объекта, которые преобразуются в выходные видеосигналы. Эти синалы поступают на блок 8, который вырабатывает с каждой из двух ПЗС-матриц набор координат X_j, X_j энергетических центров световых пятен по каждой строке с номером j. Номером j кодируется Y-координата точки объекта, а X_j - параллакс этой точки. Цифровые коды номера j и X_j поступают на контроллер 9, который вырабатывает величину растояния до объекта Z_j=X_1j + X_2j,
где
X_1j и X_2j - параллаксы j-той точки, измеренные по первой и второй ПЗС-матрицам.

В памяти контроллера хранятся значения параметров прибора, поправки на нелинейности, по которым вычисляется выходной ход в виде выражения (4).

Светодиоды 11 системы эталонных расстояний от команд контроллера эпизодически загораются, и их изображения поступают на вход измерителя. Снятые текущие значения эталонных расстояний сравниваются с соответствующими значениями, снятыми при начальном эталонировании прибора и хранящимися в памяти контроллера, и тем самым вырабатываются поправки _j(t) на временную нестабильность показаний прибора. Эти поправки корректируют выходной код (4). Выходная информация прибора может быть использована в цифровой форме для вычислений или графических отображений с помощью собственного или внешних вычислителей.

Предлагаемая схема измерителя может быть применена для построения приборов различной модификации. Приведем расчетные значения основных параметров этих приборов. При расчетах принято: применяемые ПЗС-матрицы имеют размерность 10000 х 10000 элементов, размер элемента 5 х 5 мкм и вычисление координаты энергетического центра светового пятна производится с точностью 1/10 размера элемента (т.е.) за время 1 с. На самом деле существуют алгоритмы определения X с точностью до 10^-2 от размера элемента, но эти алгоритмы требуют больших времен измерения.

Прибор модификации A: при B=150 мм; S'=30 мм; измерительный диапазон прибора равен 200 - 400 мм и точность измерения расстояний Z = 2,5 мкм. Число параллельно измеряемых расстояний - 10⁴. Габариты прибора 200 х 100 х 70 мм.

Прибор модификации B: при B=250 мм; измерительный диапазон прибора равен 1 - 4 м и точность измерения расстояния Z = 0,03 мм. Число параллельно измеряемых расстояний - 10⁴. Время измерений - 1с. Габариты прибора 300 х 150 х 100 мм.

Прибор модификации C: при B=300 мм; измерительный диапазон прибора равен 5 -15 м и точность измерения расстояний Z = 0,3 мм. Число параллельно измеряемых расстояний - 10⁴. Время измерений - 1с. Габариты прибора 350 х 200 х 150 мм.

Формула изобретения

1. Бесконтактный измеритель расстояний, содержащий двухканальную приемную проекционную систему с базовым расстоянием между объективами каналов, отличающийся тем, что в устройство введен осветительный канал для формирования зондирующей световой линии на поверхности объекта, две двухкоординатные ПЗС-матрицы, расположенные на фиксированных расстояниях от объективов, по одному направлению каждой из которых измеряются координаты точек объекта вдоль зондирующей световой линии, а по перпендикулярному направлению - параллаксы, и встроенный контроллер для выработки координат энергетических центров изображений на ПЗС-матрицах точек объекта, освещенных световой линией, а для вычисления по значениям этих координат значений дальностей до освещенных точек объекта.

2. Измеритель расстояний по п.1, отличающийся тем, что содержит встроенную систему эталонных расстояний для выработки поправок на нелинейность и временную нестабильность показаний прибора, состоящую из светоизлучающих диодов и светоделительного элемента, формирующего изображения светоизлучающих областей диодов в пространстве объекта, причем светоделительный элемент и диоды жестко закреплены в корпусе прибора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3