RU2199716C2 - Method for controlling linear dimensions of spatial objects - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method involves applying structural illumination principle used in three-dimensional computer animation and other applications for recording surface shape. Probing structural illumination is formed on the object surface by illuminating the object under control with optical radiation beam spatially modulated depending on intensity. Probing illumination structure pattern distorted by surface relief of the object under control is recorded. Surface relief height of the object under control is determined by means of computer calculations from probing illumination structure distortion degree. The other two coordinates are calculated from probing illumination structure distortions arrangement on the recorded pattern. Intensity modulation is controlled on two coordinates and spectrum so that structured illumination is formed on the object surface under control, each being different from all others. It enables each relief zone to be coded in relief height and two other coordinates in unique way that enables one to give unambiguous interpretation of areas formed by through openings in object under control when processing the recorded structured illumination pattern by using computer. EFFECT: high accuracy of control. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to visualize profiles of three-dimensional objects.

Известны способ и устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются 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 и 57). A known method and device that implements the principle of "structured illumination", which are used in three-dimensional computer animation and some other applications for recording surface shapes. The method consists in sequentially scanning individual surface contours with a luminous strip and judging the controlled sizes by the degree of distortion of the image of the strip and the location of the strip in the Cartesian coordinate system (see, for example, Technical Vision of Robots. - Ed. By A. Pugh; per. . from English.- M. Mechanical Engineering, 1987, p. 56 and 57).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств являются низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования. The disadvantage of this method and its implementing devices are low accuracy and a long monitoring time associated with the presence of the operation and the scanning unit.

Известен способ и устройство, его реализующее, для 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 интесивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируются целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. 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/US 99/70303, кл. G 01 B 11/24, 23.11.2000). A known method and device that implements it, to control the linear dimensions of three-dimensional objects in three Cartesian coordinates. The method consists in the fact that a system of multi-colored stripes is projected onto the object, created by spatial modulation along one coordinate of the intensity of the probe optical radiation. The system of multi-colored stripes is periodic in nature and creates a structured flare. As a result, in a single frame, the entire part of the surface of the monitored object falling into the field of view of the photodetector and the distorted image of the structured illumination "superimposed" on the surface are recorded. Controlled sizes are judged by the degree of distortion of the image of the multiple bands and the location of the bands in the Cartesian coordinate system (see, for example, the description of the invention to patent PCT / WO 00/70303, PCT / US 99/70303, CL G 01 B 11/24, 11/23/2000).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением коэффициента отражения. The disadvantage of this method and its implementing devices is the low accuracy associated with the inability to unambiguously interpret the gaps in the image of the bands distorted by the surface topography of the controlled object, either through holes, or a low reflection coefficient.

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 обьекта (см., например, М. Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143). A known method of controlling the linear dimensions of three-dimensional objects in three Cartesian coordinates. The method consists in the fact that a system of concentric bands is projected onto the object, created by illumination with coherent radiation containing a speckle structure either in the form of a system of concentric bands or in the form of randomly arranged zones, the shape of which is uniform. The structured illumination distorted by the surface relief is detected when the radiation wavelength changes at least two times. The pseudo-hologram thus obtained contains a system of interference fringes, the distance between which at different points corresponds to the height of the relief. Appropriate processing on a computer of a set of data on the magnitude of the above distances allows one to judge the surface topography of a controlled object (see, for example, M. Franson. Speckle Optics. - M .: Mir, 1980, p. 141-143).

Недостатком известного способа является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, сквозные отверстия, таким образом, также не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести. The disadvantage of this method is the low reliability of the data obtained on the controlled surface on the surface, the reflection of which differs sharply from diffuse. In addition, through holes, therefore, also cannot be identified, since the areas of structured illumination are characterized by a high degree of similarity.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ, реализующий известное устройство для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. The closest known from its technical essence and the achieved result is a method selected as a prototype that implements a known device for controlling the linear dimensions of three-dimensional objects by three Cartesian coordinates.

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 степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении (см., например, описание изобретения к патенту РСТ/WО 99/58930, PCT/US 99/106777, кл. G 01 B 11/24, 1999 г.). The method consists in forming a probing structured illumination on the surface of the controlled object by illuminating the surface of the controlled object with a beam of optical radiation spatially modulated in intensity, registering the image of the surface of the controlled object with the sounding structure of the probing illumination, and determining the height of the surface relief of the controlled object using a digital electronic calculator by the degree of distortion images of the structure of the probe subs grid, two other coordinates - according to the position of distortion of the backlight structure in the registered image (see, for example, the description of the invention to patent PCT / WO 99/58930, PCT / US 99/106777, CL G 01 B 11/24, 1999 )

Недостатками известного способа являются высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного по одной координате транспарантом с неизменной структурой, нельзя предусмотреть либо заранее учесть искажения картины, вызванные глубокими впадинами и, тем более, сквозными отверстиями, которые невозможно идентифицировать без априорной информации о макроструктуре поверхности контролируемой поверхности. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения, поскольку в прототипе нет указаний на оптическое, с помощью объектива, проецирование изображения транспаранта на поверхность контролируемого объекта. The disadvantages of this method are the high control error and limited functionality. The high measurement error is due to the fact that when directing to the surface of a controlled object an optical study modulated along a coordinate with a banner with an invariable structure, it is impossible to foresee or take into account distortions of the picture caused by deep depressions and, especially, through holes that cannot be identified without a priori information about the macrostructure of the surface of the controlled surface. Limited functionality is due to the need to orient the controlled object at a certain distance from the radiation source, since the prototype does not indicate the optical projection of the transparency image onto the surface of the controlled object using the lens.

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля. The essence of the claimed invention is expressed in the aggregate of essential features sufficient to achieve the proposed invention with a technical result, which is expressed in improving the accuracy of control of the linear dimensions of three-dimensional objects and expanding the capabilities of the control.

Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом. The claimed combination of essential features is in direct causal connection with the achieved result.

Новизна предложенного способа усматривается в том, что управляют модуляцией пучка оптического излучения по двум координатам и спектру, создавая на поверхности контролируемого объекта изображение структурированной подсветки в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от остальных. The novelty of the proposed method is seen in the fact that they control the modulation of the optical beam in two coordinates and spectrum, creating on the surface of the controlled object an image of structured illumination in the form of a set of zones, each of which is different from the others.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно неизвестно из уровня техники. Comparison of the claimed technical solution with the prototype made it possible to establish compliance with its criterion of "novelty", since it is unknown from the prior art.

Предложенный способ 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. The proposed method is industrially applicable existing means and meets the criterion of "inventive step", because it does not explicitly follow from the prior art, while the latter does not reveal any transformations characterized by significant features distinctive from the prototype, aimed at achieving the specified technical result.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения. Thus, the proposed technical solution meets the established conditions of patentability of the invention.

Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено. No other technical solutions of a similar purpose with similar essential features have been found by the applicant.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит источник 1 оптического излучения, модулятор 2, объектив 3, фоторегистратор 4, установленный в плоскости изображения объектива 3, цифровой электронный блок 5, блок индикации регистрируемого изображения 6. Вход цифрового электронного блока 5 соединен с выходом фоторегистратора 4, а выход соединен с управляющим входом модулятора 2. The drawing shows a diagram of a device that implements the proposed method. The device comprises an optical radiation source 1, a modulator 2, a lens 3, a photorecorder 4 mounted in the image plane of the lens 3, a digital electronic unit 5, a display unit for recording the recorded image 6. The input of the digital electronic unit 5 is connected to the output of the photorecorder 4, and the output is connected to the control modulator input 2.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов осуществляют следующим образом. The method of contactless control of the linear dimensions of three-dimensional objects is as follows.

Пучок оптического излучения, выходящий из источника 1, модулируется по двум координатам и спектру пространственно-временным модулятором света 2. Созданная таким образом структурируемая подсветка проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой известным образом искажает изображение структурируемой подсветки, сформированной с помощью модулятора 2. Объектив 3 проецирует возникающую на контролируемой поверхности картину на чувствительную площадку фоторегистратора 4. Электронный блок 5 преобразует сигнал с выхода фоторегистратора 4 и записывает результат во внутреннее запоминающее устройство. Оператор может наблюдать регистрируемую картину на экране блока 6 и, меняя режим работы блока 5, управлять характером модуляции пучка оптического излучения. Как вариант реализации, изменение характера модуляции может осуществляться автоматически до достижения возможности регистрации всех зон сруктурированной подсветки, кроме тех, которые спроецировались в отверстия. The beam of optical radiation emerging from the source 1 is modulated in two coordinates and spectrum by a spatio-temporal light modulator 2. The structured illumination created in this way is projected onto the surface of the controlled object, the relief of which in a known manner distorts the image of the structured illumination formed using modulator 2. Lens 3 projects the pattern that appears on the controlled surface onto the sensitive area of the photorecorder 4. The electronic unit 5 converts the signal from the phot DVR 4 and writes the result to the internal storage device. The operator can observe the recorded picture on the screen of unit 6 and, changing the operating mode of unit 5, control the modulation pattern of the optical beam. As an implementation option, a change in the nature of the modulation can be carried out automatically until it is possible to register all areas of the structured backlight, except those projected into the holes.

При последующей обработке из внутреннего запоминающего устройства цифрового электронного блока 5 выбирается запись искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки, в которой каждая пара координат и значение соответствующей этой паре координат высоты рельефа закодированы уникальным образом, поскольку каждая зона структурированной подсветки отлична от остальных при управлении модуляцией пучка оптического зондирующего излучения по двум координатам и спектру. В этом случае области, в которых отсутствует изображение искаженной структуры зондирующей подсветки, однозначно идентифицируются как области, соответствующие сквозным отверстиям. Изменение положения зон пропорционально высоте рельефа, а местоположение возникших изменений соответствует двум другим координатам. In the subsequent processing, from the internal storage device of the digital electronic unit 5, a recording of the sounding structure of the sensing illumination distorted by the relief of the surface of the controlled object is selected, in which each pair of coordinates and the value of the height of the relief corresponding to this pair of coordinates are encoded in a unique way, since each area of the structured illumination is different from the others when controlling modulation beam of optical sounding radiation in two coordinates and spectrum. In this case, areas in which there is no image of the distorted structure of the probe backlight are uniquely identified as areas corresponding to the through holes. The change in the position of the zones is proportional to the height of the relief, and the location of the changes that occur corresponds to two other coordinates.

Данное предложение может с успехом использоваться в технологических процессах формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п.). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики. This proposal can be successfully used in technological processes of forming objects of complex shape (turbine blades, etc.). In addition, it can be used in various computer 3D graphics applications.

Claims (1)

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов, заключающийся 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 высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении, отличающийся тем, что управляют модуляцией пучка оптического излучения по двум координатам и спектру, создавая на поверхности контролируемого объекта изображение структурированной подсветки в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от остальных. A method of contactless control of the linear dimensions of three-dimensional objects, which consists in forming a probing structured illumination on the surface of the controlled object by illuminating the surface of the controlled object with a beam of optical radiation spatially modulated in intensity, recording an image of the structure of the probing illumination distorted by the surface relief of the controlled object and determining the surface height of the controlled object from degree of image distortion probing illumination, two other coordinates - according to the position of distortion of the illumination structure in the registered image, characterized in that they control the modulation of the optical radiation beam in two coordinates and spectrum, creating a structured illumination image on the surface of the controlled object in the form of a set of zones, each of which is different from the rest.