RU2807464C1

RU2807464C1 - Laser device for forming 3d images

Info

Publication number: RU2807464C1
Application number: RU2022131458A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Семенов; Владимир Яковлевич Савицкий; Анна Алексеевна Щербакова
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-11-15

Abstract

FIELD: control and measurement optical-mechanical equipment.

SUBSTANCE: laser device for forming a 3D image consists of an upper tube that has a thread on the outer surface at the base; it is distinguished by the fact that the following are rigidly fixed inside: a coherent light source, a scattering and converging lens, and also at the base there are protrusions with a smooth ellipsoidal surface in contact with the movable spring-loaded mirrors, the axis of which is fixedly fixed in the side wall of the cylindrical body, and in the middle of it there is a corner mirror rigidly fixed, and behind it a corner line of CCDs, the bisectors of which coincide with the axis of the body, functionally connected to the image processing unit and the computer.

EFFECT: improved 3D image quality and reduced dimensions.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительного оптико-механического оборудования и может быть использовано для контроля качества поверхности деталей и линейных размеров с высокой точностью.The invention relates to the field of control and measuring optical-mechanical equipment and can be used to control the surface quality of parts and linear dimensions with high accuracy.

Известен лазерный датчик для измерения размеров объекта, содержащий корпус, установленный в нем с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости шток с буртиком и измерительным наконечником на противоположном торце, блок измерения перемещения штока в виде лазера и оптически связанных интерферометра и отражателя, и счетчика интерференционных полос, блока получения измерительного усилия в виде аэростатической направляющей с жиклерами, разделительными полостями и источниками давления, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений и надежности робот и датчика, он снабжен механизмом перемещения штока, выполненными виде двигателя, муфты, ходового винта, выходной вал двигателя соединен с ходовым винтом через муфту, ходовой гайки с ограничителем проворота, установленной на ходовом винте, демпфера, датчиком, верхнего и нижнего конечных положений штока, установленных на корпусе и взаимодействующих с верхним и нижним торцами ходовой гайки, а отражатель закреплен на измерительном наконечнике штока, (А.с.на изобретение SU 1770737, МПК G01B 11/00 опубл. 23.10.92 г.).There is a known laser sensor for measuring the dimensions of an object, containing a housing installed in it with the possibility of reciprocating movement in a vertical plane, a rod with a collar and a measuring tip at the opposite end, a unit for measuring the movement of the rod in the form of a laser and an optically connected interferometer and reflector, and an interference counter strips, a unit for obtaining the measuring force in the form of an aerostatic guide with jets, separating cavities and pressure sources, characterized in that in order to increase the measurement accuracy and reliability of the robot and sensor, it is equipped with a mechanism for moving the rod, made in the form of a motor, coupling, lead screw, output the motor shaft is connected to the lead screw through a coupling, a lead nut with a rotation limiter installed on the lead screw, a damper, a sensor, the upper and lower end positions of the rod mounted on the housing and interacting with the upper and lower ends of the lead nut, and the reflector is fixed to the measuring tip rod, (A.S. for invention SU 1770737, IPC G01B 11/00 publ. October 23, 1992).

Недостатком данной конструкции является низкая точность измерения линейных размеров, из-за большого расстояния между измерительным наконечником и отражателем, что приводит к необходимости учитывать линейное расширение штока и наконечника при изменении температуры, а также зазора в соединении ходового винта и гайки.The disadvantage of this design is the low accuracy of measuring linear dimensions, due to the large distance between the measuring tip and the reflector, which leads to the need to take into account the linear expansion of the rod and tip with temperature changes, as well as the gap in the connection of the lead screw and the nut.

В качестве прототипа выбран лазерный датчик для обнаружения нескольких параметров (Патент RU 2717751, G01N 15/14, G01F 3/42). Модуль содержит лазер, детектор, электропривод и оптическое устройство. Модуль лазерного датчика выполнен с возможностью управлять расстоянием между модулем лазерного датчика и областью фокусировки и обеспечивать два режима модуля лазерного датчика. Причем в первом и втором режимах область фокусировки находится на разном расстоянии. Детектор выполнен с возможностью обнаруживать сигнал интерференции самосмещения оптической волны в лазерном резонаторе. Сигнал интерференции самосмещения в первом режиме используется для обнаружения движения объекта, для управления посредством жестов, для устройства с человеко-машинным интерфейсом. Сигнал интерференции самосмещения во втором режиме используется для определения плотности или размера частиц.A laser sensor for detecting several parameters was selected as a prototype (Patent RU 2717751, G01N 15/14, G01F 3/42). The module contains a laser, detector, electric drive and optical device. The laser sensor module is configured to control the distance between the laser sensor module and the focusing area and provide two modes of the laser sensor module. Moreover, in the first and second modes, the focusing area is at different distances. The detector is configured to detect a self-displacement interference signal of an optical wave in a laser resonator. The self-displacement interference signal in the first mode is used for object motion detection, gesture control, and human-machine interface device. The self-bias interference signal in the second mode is used to determine the density or particle size.

Недостатком устройства является сложность конструкции и большие габариты.The disadvantage of the device is the complexity of the design and large dimensions.

Технический результат изобретения заключается в получении 3D-изображения проверяемой детали, а также контроля износа, упрощении конструкции и уменьшения габаритов датчика.The technical result of the invention consists in obtaining a 3D image of the part being tested, as well as monitoring wear, simplifying the design and reducing the size of the sensor.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что датчик содержит один инфракрасный полупроводниковый лазер луч которого проходит через рассеивающую и собирательную линзы, обеспечивая расширение диаметра луча лазера, который затем угловым зеркалом делится на два когерентных луча, направленных на регулируемые при помощи действия нижних выступов вращаемого верхнего корпуса на плоскость подпружиненных поворотных зеркал. Поворот зеркал позволяет изменять фокус проецируемых лучей, соответственно можно плавно изменять расстояние до измеряемой поверхности. Использование двух когерентных лучей для измерения поверхностей, направленных под одинаковыми углами с противоположных направлений, позволяет видеть объемное изображение поверхности предмета, которое отображается в угловой линейке прибора с зарядовой связью (ПЗС), а с нее считываемая информация поступает в блок обработки изображения и компьютер.The essence of the proposed device is that the sensor contains one infrared semiconductor laser, the beam of which passes through the diverging and collecting lenses, providing an expansion of the diameter of the laser beam, which is then divided into two coherent beams by an angular mirror, directed to the adjustable ones using the action of the lower protrusions of the rotating upper housing onto the plane of the spring-loaded rotating mirrors. Rotating the mirrors allows you to change the focus of the projected rays; accordingly, you can smoothly change the distance to the measured surface. Using two coherent beams to measure surfaces directed at the same angles from opposite directions allows you to see a three-dimensional image of the surface of an object, which is displayed in the angular bar of a charge-coupled device (CCD), and the information read from it goes to the image processing unit and computer.

Схематично лазерное устройство для формирования 3D изображения показано на фиг. 1.The laser device for forming a 3D image is shown schematically in FIG. 1.

Лазерное устройство для формирования 3D изображения состоит из верхнего тубуса 3, имеющего на внешней поверхности у основания резьбу 2, отличающейся тем, что внутри жестко закреплены источник когерентного света 4, рассеивающая 5, собирающая 6 линзы, а также у основания имеются выступы 7 с плавной эллипсоидной поверхностью контактирующие с подвижными подпружиненными 11 зеркалами 8 ось 10 которых неподвижно закреплена в боковой стенке цилиндрического корпуса 1, а в середине его жестко закреплены угловое зеркало 13, а за ним угловая линейка прибора с зарядовой связью (ПЗС) биссектрисы которых совпадают с осью корпуса 1, функционально связанная с блоком обработки изображения 14 и компьютером 15.A laser device for forming a 3D image consists of an upper tube 3, which has a thread 2 on the outer surface at the base, characterized in that a coherent light source 4, a scattering lens 5, a collecting lens 6 are rigidly fixed inside, and also at the base there are protrusions 7 with a smooth ellipsoidal surface in contact with movable spring-loaded 11 mirrors 8, the axis 10 of which is fixedly fixed in the side wall of the cylindrical housing 1, and in the middle of it there is a corner mirror 13 rigidly fixed, and behind it the angular ruler of a charge-coupled device (CCD) whose bisectors coincide with the axis of the housing 1, functionally connected to the image processing unit 14 and the computer 15.

Работает устройство следующим образом. Образец контролируемой поверхности детали устанавливается под корпус 1 в плоскости А. Включается осветитель (лазер). Световой луч источника света 4 падает на рассеивающую 5 и собирающую 6 линзы, а затем на угловое зеркало 13, где разделяется на два когерентных луча, которые отображаются в подвижных зеркалах 8 и фокусируются на поверхности детали в плоскости А. Отраженные лучи принимаются угловой линейкой ПЗС 12, а затем сигнал поступает на разъем 9, блок обработки изображения 14 и компьютер 15, где формируется 3D изображение. Закручивая тубус 3 по резьбе 2, выступы 7 воздействуют на поверхность подпружиненных 11 подвижных зеркал 8, изменяя их угол относительно падающих от углового зеркала 13 лучей. Соответственно меняется положение фокусного расстояния лучей, которое перемещается в плоскость В. В этом случае получим 3D - картинку в плоскости В. Интенсивность света в угловой линейке будет зависеть от расстояния от измеряемой детали до корпуса 1 лазерного датчика с 3d-изображением.The device works as follows. A sample of the tested surface of the part is installed under housing 1 in plane A. The illuminator (laser) is turned on. The light beam of the light source 4 falls on the scattering 5 and collecting 6 lenses, and then on the corner mirror 13, where it is divided into two coherent beams, which are displayed in the movable mirrors 8 and focused on the surface of the part in plane A. The reflected rays are received by the angular ruler of the CCD 12 , and then the signal goes to connector 9, image processing unit 14 and computer 15, where a 3D image is formed. By twisting the tube 3 along the thread 2, the protrusions 7 act on the surface of the spring-loaded 11 movable mirrors 8, changing their angle relative to the rays incident from the corner mirror 13. Accordingly, the position of the focal length of the rays changes, which moves to the B plane. In this case, we obtain a 3D image in the B plane. The light intensity in the angular ruler will depend on the distance from the part being measured to the body 1 of the laser sensor with a 3D image.

Применение лазерного датчика обеспечивает получение качественного 3D-изображения поверхности детали для качественного анализа ее состояния, а также позволяет измерять расстояние до поверхности детали, изменять масштаб спектра, автоматизировать процесс обработки полученного спектра, а малые габариты позволяют использовать при контроле сложных поверхностей.The use of a laser sensor provides a high-quality 3D image of the surface of a part for a qualitative analysis of its condition, and also allows you to measure the distance to the surface of the part, change the scale of the spectrum, automate the process of processing the resulting spectrum, and its small dimensions allow it to be used when inspecting complex surfaces.

Claims

A laser device for forming a 3D image consists of an upper tube that has a thread on the outer surface at the base, characterized in that a coherent light source, a scattering and converging lens are rigidly fixed inside, and also at the base there are protrusions with a smooth ellipsoidal surface in contact with movable spring-loaded mirrors, the axis of which is fixedly fixed in the side wall of the cylindrical body, and in the middle of it there is a corner mirror rigidly fixed, and behind it a corner line of a charge-coupled device (CCD), the bisectors of which coincide with the axis of the body, functionally connected to the image processing unit and the computer.