[go: up one dir, main page]

WO2024181887A1 - Method and system for non-contact rangefinding and profilometry - Google Patents

Method and system for non-contact rangefinding and profilometry Download PDF

Info

Publication number
WO2024181887A1
WO2024181887A1 PCT/RU2023/050299 RU2023050299W WO2024181887A1 WO 2024181887 A1 WO2024181887 A1 WO 2024181887A1 RU 2023050299 W RU2023050299 W RU 2023050299W WO 2024181887 A1 WO2024181887 A1 WO 2024181887A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
projection device
grating
gratings
plane
projection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2023/050299
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Михаил Семенович ГИТЛИН
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2023104481A external-priority patent/RU2807409C1/en
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2024181887A1 publication Critical patent/WO2024181887A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02Details
    • G01C3/06Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08Use of electric radiation detectors
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/50Depth or shape recovery
    • G06T7/521Depth or shape recovery from laser ranging, e.g. using interferometry; from the projection of structured light

Definitions

  • the invention relates to the field of measuring technology and can be used for contactless measurement of distances to objects, coordinates of points on their surface, and also determining the shape of objects.
  • Determining the distance to the points of an object is necessary for solving many applied and scientific-technical problems.
  • Contactless methods of ranging and profilometry are used in engineering, design, and reverse engineering. They are also used in computer vision systems, virtual and augmented reality, for controlling vehicles and robotic devices, in medicine, etc.
  • There are many known methods of contactless active optical measurements of the distance to objects, the coordinates of their surface points and its shape see, for example, [1 - 5]). A significant part of these methods is based on the use of laser devices.
  • these include time-of-flight methods of ranging and profilometry, using, for example, lidars [1 - 6], as well as methods based on the use of laser triangulation, laser structured illumination, etc. (see, for example, [1 - 5, 7]).
  • the disadvantages of these methods are the complexity and high cost of laser devices, the complexity of the methods for processing the obtained data, the negative impact on the results of measurements of the speckle structure of laser radiation, re-reflection and scattering of laser beams, the danger of laser radiation for the eyes and optical devices, etc.
  • the maximum contrast of the fringe image is achieved in the areas of the object surface that coincide with the plane of focus of the projection device lens.
  • the distance to this plane is measured in advance during calibration of the device or calculated.
  • the position of the plane where the contrast of the light fringes is maximum relative to the object is changed by moving the projector or the object along the optical axis of the projector, or by changing the focal length of the projector lens.
  • the focal plane of the projector By moving the focal plane of the projector relative to the object, the surface of the object is scanned with it, the images of the projection of the light fringes onto the surface are recorded, then, by processing the obtained images, the distance to various points of the object surface, as well as its shape, are determined.
  • a measurement method and device similar to those described above are also used to perform profilometry of micro-objects using a wide-field microscope [14, 15].
  • the disadvantages of this method of optical ranging, profilometry and microscopy are the need to use a complex optical projection device, which includes a high-quality lens, the influence of the imperfection of the lens of the projection device on the accuracy and reliability of measurements, and the limited field illuminated by the projection device.
  • Optical phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of an object are known, which are based on projecting a periodic structured illumination, for example, periodic stripes of light, onto the surface of the object and recording the image of this surface (see, for example, [2, 16 - 20]).
  • Periodic illumination of the surface of an object in space is created using a projector in which an incoherent beam of light emitted by a light source is spatially modulated when passing through a transparency, the transmittance of which periodically depends on the coordinate transverse to the optical axis of the projector.
  • a lens which is installed at the output of this projector, the object is illuminated with a diverging spatially modulated beam of light.
  • the use of computer-controlled optical projectors makes it possible to dynamically control the period and phase of the spatial modulation of the intensity of light illuminating the object.
  • the projection of periodic stripes of light onto the surface of the object is recorded by an image recording device, for example, a television or photo camera.
  • the angle between the optical The projector axis and the optical axis of the image recording device are usually quite large.
  • the projection pattern of periodic light stripes onto an object is affected by the shape of its surface, in particular, the variation in the projection phase of the periodic light stripes and the shift of a given stripe depend on it.
  • the shape of the object and the distance to its points are determined by the angles at which the stripes of the periodic light structure are projected onto the surface of the object and observed [1].
  • the disadvantage of the triangulation method is the low accuracy of determining these angles and the complexity of determining the numbers of the stripes of the projected periodic light structure.
  • the projection phase of the periodic light stripes is determined by finding, for example, the spatial Fourier spectrum of the image of the object's surface or by the method of step-by-step phase shift of these light stripes [2, 19].
  • the shape of the object is determined by the measured dependence of the projection phase variation on the coordinates on the image of the object.
  • phase methods is the ambiguity of calculating the phase from the image of the projection of periodically structured light onto the surface of the object.
  • Various methods have been proposed to eliminate the ambiguity of calculating the phase of the image of periodic structured illumination projected onto the surface of an object using an optical projector with a lens (see, for example, patents [21 - 24]). Using such methods, it is possible to measure the absolute values of the coordinates of points on the surface of an object, but this requires a more complex projection system, as well as a method for processing the measurement results.
  • phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of objects using periodic structured illumination their common disadvantages are:
  • periodically structured beams incoherent light without using complex and expensive projection devices with a lens are known [25 - 33].
  • To form periodically structured beams incoherent light in these methods use a two-grating device, which includes a light source and two flat one-dimensional periodic gratings with the same direction of stripes, which are located on one side of the light source in parallel planes distant from each other.
  • the method of forming periodically structured light beams with such a two-grating device is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating.
  • This effect consists in the fact that when incoherent light, emitted by the source, sequentially passes through two flat periodic gratings, light moiré structures appear behind the grating farthest from the light source, which have a periodic spatial modulation of the light intensity.
  • a moiré structure is called a generalized pseudo-image of the grating [28, 32, 33].
  • a special case of the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating is the Lau effect [27, 28, 31, 34-36].
  • a contrast pseudo-image of the grating appears at an infinite distance from the two-grating device, and a lens located behind the grating farthest from the light source is used to form a periodic modulation of light at a finite distance.
  • the publication [37] discusses a method for determining the distance between two parallel gratings with different spatial periods based on measuring the characteristics of the light moiré structure that appears after incoherent light passes through these gratings.
  • An optical two-grating device is also known, designed to measure the magnitude of the displacement of one of the gratings, as well as the magnitude of the displacement of an object attached to it in the plane of this grating in the direction perpendicular to the direction of its stripes, the operation of which is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating (see, for example, [29, 38]).
  • Such a device for measuring the magnitude of the displacement of an object is one of the variants of a linear optical encoder.
  • a dual-grating linear encoder is not applicable for measuring the magnitude of displacement in the direction that is perpendicular to the planes of the gratings, and it cannot be used for contactless measurement of the distance to objects, the coordinates of their points and the shape of the surface.
  • Non-contact methods for measuring the shape of objects are known that use the generalized effect of forming a pseudo-image of a grating [39 - 42] or the Lau effect [43]. In these methods, the shape of an object is determined by the magnitude of the spatial variation of the phase of the projection on the surface of the object of a periodic moire structure, which is formed using a two-grating projection device.
  • the image of the surface of the object illuminated by the said projection device is recorded by the image recording device and processed by the computing device using, for example, the Fourier transform or the step phase shift method [40 - 43].
  • the triangulation measurement method can be used to determine the distance to the points of the object [39].
  • the system for implementing the profile metry method using the generalized effect of forming a pseudo image of a grating [39] is a prototype of the system proposed in the present invention.
  • the prototype system consists of a lensless projection device, as well as an image recording device and a computing device [39 - 41].
  • the projection device includes a source of incoherent light, two periodic gratings located in parallel planes distant from each other.
  • the moire structure (pseudo image of the grating), formed by the prototype projection device, is weakly localized in the direction of the optical axis of the projector, which is perpendicular to the planes of the gratings.
  • the advantage of the two-grating projection device proposed in the patent [39] is that it is simpler and cheaper than structured light projectors with a lens.
  • the profilometry method described in the patent [39] is the closest to the proposed method in terms of its technical essence and set of elements for its implementation. This method is a prototype of the proposed method.
  • the known measurement method [39 - 41] has the disadvantages of phase and triangulation methods of profilometry and rangefinding, in particular, the problematic nature of using the method to measure the shape of unsmooth surfaces, the limited width of the surface area illuminated by the projection device, and the need to calibrate the measuring system as a whole.
  • the disadvantage of the triangulation method is its low accuracy and the complexity of determining the band numbers of the periodic light structure projected onto the object.
  • the use of the phase measurement method is complicated by the ambiguity of calculating the phase of the moire structure projection onto the object and the inability to determine the distance to the object points.
  • the patent [39] suggests using an additional rangefinder, for example, a laser one.
  • the invention is based on the task of proposing a method and a system that will eliminate at least some of these disadvantages.
  • the task of this invention is to propose a method and a system that allow wide-field measurements of the absolute value of the distance to the surface points of objects, their coordinates, as well as the shape of objects, including objects with a rough surface, using periodically structured light emitted by a lensless projection device.
  • the task of this invention is also to propose a method for measuring the distance to the points of objects and their shape, the implementation of which does not cause the problem of unambiguously determining the phase value and the numbers of the bands of the projection of periodically structured light onto the object.
  • the essence of the proposed method consists in projecting a light periodic moire structure onto the surface of an object, formed using a two-grating projection device, which will also be called a two-grating projector, registering an image of the surface area of the object onto which this moire structure is projected using at least one recording device, mathematically processing the obtained images using a computing device, and determining the shape of the surface of the object based on the results of this processing.
  • at least one moire structure (a pseudo-image of a grating) is used for rangefinding and profilometry, which is sufficiently strongly localized in the longitudinal direction, which is perpendicular to the planes of the gratings installed in the projection device.
  • Such a localized moire (LM) structure is formed, for example, using the two-grating projection device described in the invention.
  • the projection of the said localized moire structure is moved along the surface of the object, the plane of greatest contrast of the moire structure is aligned with the point on the surface of the object whose coordinates need to be measured.
  • the distance to this plane from the plane of the output grating of the projection device, the distance to the specified points of the object and its longitudinal coordinate.
  • the transverse coordinates of a given point of the object are determined.
  • the shape of the object is found.
  • the proposed method in contrast to the prototype method, when determining the shape of the object and the distance to its points, it is not necessary to determine the strip number or the phase value of the projection of the moire structure and there is no need to eliminate the ambiguity of the value of this phase.
  • Another new feature of the proposed method is that, unlike the closest analogue, it can be used not only to determine the shape of the object, but also to measure the absolute value of the distance to its points and their coordinates.
  • one or more localized moire structures formed by at least one projection device can be used. The difference between the proposed method and the prototype method is also that it can be implemented with a parallel arrangement of the longitudinal axis of the projection device and the optical axis of the image recording device.
  • the proposed system contains a two-grating projection device, an image recording device and a computing device.
  • the projection device contains a source of incoherent light, first and second flat periodic gratings which are located one after the other in non-coinciding parallel planes on one side of the light source and which are illuminated by the said light source, wherein the light which has passed through the first grating falls on the second grating.
  • the width of the light source, the first and second gratings which are installed in the projection device, as well as the width of the angular spectrum of light emitted by the light source are such that at least one localized moire structure is formed.
  • the proposed system uses a device for scanning the surface of an object by the projection of the LM structure. Unlike the prototype system, where in the projection In the device, the distance between the gratings and their periods are fixed, in the proposed system, the distance between the gratings and their periods can be controlled and thus, in particular, the surface of the object can be scanned by the projection of the LM structure. In the proposed system, a device for changing the mutual orientation of the stripes of the localized moire structure and the object can also be additionally used.
  • the technical result is a simplification of the rangefinding and profilometry system, including from the standpoint of manufacturing and control, a simplification of the measurement data processing method, the absence of the problem of phase ambiguity, an increase in the width of the area available for taking measurements using a single projection device, the ability to determine the shape of unsmooth surfaces, surfaces with discontinuities and height jumps.
  • Fig. 1 schematically shows a system of optical rangefinding and profilometry, as well as an object onto which a light localized moire structure is projected.
  • Fig. 2 shows a diagram of a projection device that forms a light moire structure.
  • Fig. 5 shows images of two types of flat one-dimensional amplitude gratings: a grating with a sinusoidal dependence of the amplitude transmittance on the coordinate (Fig. 5(a)) and a periodic binary raster (Fig. 5(6)).
  • Fig. 6 schematically shows a system of optical rangefinding and profilometry, in which several projection devices and several image recording devices are used.
  • the method of contactless rangefinding and profilometry and the system for implementing it will be discussed with reference to the above-mentioned figures, in which the same reference numerals designate the same elements.
  • the method can be implemented using a system, a schematic representation of which is shown in Fig. 1 (clause 16 of the claims).
  • the system includes a lensless projection device 1, at least one image recording device 2, a computing device 3, and also at least one device for moving the projection of a localized moire structure 4 formed by the projection device 1, along the surface of the controlled object 5.
  • the diagram of the projection device 1 is shown in Fig. 2 (clause 17 of the claims).
  • the projection device 1 includes a spatially extended source of incoherent light 6, which will also be called an illuminator, and two parallel flat one-dimensional (1D) periodic gratings 7 and 8.
  • the first grating 7, closest to the illuminator 6, and the second, output grating 8 are located on one side of the light source 6.
  • the stripes of these gratings have the same direction. It is preferable that the gratings 7 and 8 have a rectangular shape.
  • the luminous surface of the light source 6 faces the gratings 7 and 8.
  • the spatially extended light source 6 installed in the projection device 1 is a source of diffuse light.
  • Such a source of diffuse light can be the surface of a heated body, a fluorescent lamp, a fluorescent screen, a screen of a telephone, TV, tablet or computer monitor, the surface of an organic and inorganic light-emitting diode.
  • the source of diffuse light may also be a section of the daytime sky, the surface of a random phase transparency, for example, frosted glass, a sheet of tracing paper or tissue paper illuminated from the side opposite the gratings, etc.
  • the projection device 1 forms at least one light LM structure.
  • the localized moire structure may be formed in the geometric optics (GO) zone (clause 2 of the invention formula) or in the Fresnel diffraction zone of the projection device 1 (clause 3 of the invention formula).
  • Figs. 1 and 2 show the right orthogonal coordinate system with axes x, y and z, which is connected with the projection device 1.
  • the coordinate axis z is directed perpendicular to the planes of gratings 7 and 8, in the direction from the light source 6 to the gratings.
  • the z axis passes through its center, and is called hereinafter the optical axis of the projection device 1.
  • the y axis is directed along the direction of the stripes of gratings 7 and 8 (see Fig. 2).
  • the transmission coefficients of gratings 7 and 8 depend periodically on the x coordinate.
  • the direction of the z-axis will be referred to in the text as longitudinal, and the directions perpendicular to the z-axis will be referred to as transverse.
  • the distance in the longitudinal direction from the second grating 8 at z > will also be referred to as the distance from the projection device 1.
  • the distance between the working surface of the illuminator 6 and the plane of the first grating 7 will be denoted by L o . It can be equal to zero.
  • Fig. 1 also shows a global fixed coordinate system with axes x', y' and z •
  • a device for determining the coordinates and orientation of the projection device 1 in the global coordinate system can be additionally used in the system.
  • the range-finding and profilometry system includes at least one device intended for the movement and/or change of orientation of the LM of the structure and object 5 relative to each other.
  • thick arrows show the directions of possible translational movements and rotations of the elements of the range-finding and profilometry system and object 5 in different particular cases of implementing the method and system.
  • a device may be used which changes the distance between the projection device 1 and the object 5 by means of translational movement of the projection device 1 and/or the object 5.
  • the projection device 1 and the object 5 may be brought closer or further apart at a given speed.
  • Fig. 1 schematically shows a device 10 intended for moving and/or changing the orientation in space of the projection device 1.
  • a device may be used in the projection device 1 which controllably changes the distance between the gratings 7 and 8 in the longitudinal direction or brings the gratings 7 and 8 closer or further apart in this direction at a given speed.
  • a device for translational movement of at least one of the gratings 7 and 8 in its plane in the direction of the x coordinate which leads to a change in the phase of the quasi-periodic moire structure formed by the projection device 1 (Article 23 of the invention formula).
  • the devices that in different particular cases of the implementation of the system can implement the movement and rotation of the object 5, the movement of the gratings 7 and 8, are not shown in the figures.
  • the devices with the help of which the change in the relative position and orientation of the projection device 1 and the object 5 is carried out, as well as the change in the position of individual elements of the projection device 1 are well known and commercially available [44 - 47].
  • the rangefinding and profilometry system also contains at least one device intended for measuring the amount of change in the position and/or orientation of at least one item from the set including the object 5, the projection device 1, the gratings 7 and 8.
  • Such devices are well known and commercially available [44 - 46, 48].
  • the device for moving and/or changing the orientation of elements of a system or object 5 and the device for measuring the values of their movement, as well as the angles of their rotation can be combined in one device or be one device.
  • the image recording device 2 is intended for recording an image of at least one object 5 (see Fig. 1).
  • the image recording device 2 may be, for example, a television camera or a photo camera.
  • the image sensor 11 in the image recording device 2 is, for example, a CCD (charge-coupled device) or CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) matrix.
  • Objective 12 projects light incident on it onto image sensor 11 of image recording device 2 (see Figs. 1 and 3).
  • image recording device 2 is pre-calibrated using known methods, for example, using a checkerboard-shaped template [19, 49].
  • Image recording device 2 can be stationary or it can move translationally and rotate.
  • image recording device 2 is moved and rotate image recording device 2, as well as to determine its position and orientation.
  • at least one image recording device 2 can be rigidly connected to projection device 1, then it moves and rotates together with it.
  • the optical axis of image recording device 2 is parallel to the longitudinal axis of projection device 1.
  • the computing device 3 is intended for calculating the distance to the points of the surface of the object 5 and their coordinates, as well as the shape of the surface of the object 5 based on the images obtained by the image recording device 2.
  • the computing device 3 is, for example, a computer or a mobile computing device.
  • the computing device 3, in addition to storing and processing the information received from the image recording device 2, processes and stores the data received from other devices of the system, as well as controls the devices of the system and their elements. In particular, it can process and store data on the displacement values, movement speeds and rotation angles of the projection device 1, the image recording device 2, the object 5, the gratings 7 and 8, which are received from the devices recording these values.
  • the amplitude transmittances of the gratings 7 and 8, which are installed in the projection device 1, can generally be complex.
  • at least one grating is installed in the projection device 1, which has a real positive amplitude transmittance, which is called an amplitude grating.
  • at least one grating installed in the projection device 1 is a 1D amplitude grating with a sinusoidal dependence of the magnitude of the change in the amplitude coefficient transmission from the x-coordinate (see Fig. 5(a)) [37, 50, 51].
  • Such a grating will be called an amplitude grating with sinusoidal transmission.
  • At least one grating can be a 1D amplitude grating, which has a binary dependence of the transmission coefficient on the transverse coordinate, for example, it is periodically alternating transparent and opaque parallel rectangular stripes along the x-coordinate, which have sharp boundaries (see Fig. 5(6)) [31, 32, 41, 42, 44, 52, 53].
  • Such gratings are also called periodic binary rasters.
  • the advantage of using periodic binary rasters in a projection device is the simplicity and low cost of manufacturing these gratings, their commercial availability [44, 48, 53].
  • at least one phase grating may be used in the projection device 1, i.e.
  • At least one grating may be used in the projection device, which combines an amplitude and a phase grating [52, 55, 56].
  • Amplitude, phase and amplitude-phase gratings are produced by known photographic, holographic, lithographic, printing and other methods. Gratings of some of the mentioned types are commercially available [44, 48, 54].
  • at least one grating the characteristics of which can be changed, may be used in the projection device 1.
  • At least one of the gratings installed in the optical projection device 1 may be an amplitude binary raster, the fill factor of which and/or period can be changed.
  • a spatial light modulator may be used to form at least one of the gratings installed in the projection device 1 [57 - 59].
  • the projection device 1 in the particular case of its implementation (clause 31 of the invention formula), when the first grating 7 and the second grating 8 are 1D amplitude gratings, operates as follows.
  • the light emitted by the illuminator 6 passes first through the first grating 7, then through the second grating 8.
  • the intensity is spatially modulated, therefore, periodic bands are observed behind each of the gratings 7 and 8 light and shadow.
  • the grating is illuminated by incoherent light from an extended source or by diffuse light, the contrast of the light and shadow bands decreases with distance from the grating in the longitudinal direction.
  • the formation of a localized moire structure can be interpreted, in particular, as a shadow echo effect [60, 62, 63], which is a special case of a modulation echo [61].
  • the moire structures formed by a two-grating projection device with 1D gratings are designated by two indices (N, M) (see paragraph 4 of the formula of the invention), where N and M are natural numbers.
  • the depth of field of the moire structure (N, M) will be designated by L NM .
  • the projection device 1 in the embodiment of its implementation proposed in the invention forms light moire structures that are sufficiently strongly localized in the longitudinal direction.
  • the locality of the moire structure (N, M ⁇ ) means that its depth of field A6 W is significantly less than the distance from the projection device 1 to the plane on which the contrast of this moire structure has the greatest value AL NM « L NM .
  • the relative depth of field LM ⁇ NM should be at least less than 0.25.
  • the method for measuring the distance to at least one given point 13 of the surface of object 5 (see Fig. 1) and the coordinates of this point is carried out as follows.
  • the surface of object 5 is illuminated with light emitted by projection device 1.
  • elements are used, in particular, gratings 7 and 8, with such parameters that a at least one localized moire structure.
  • at least one of the LM structures can be used to implement the method: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) and (3,1).
  • the highest contrast value of the LM structure exceeds 0.2.
  • several LM structures can be simultaneously formed by one projection device.
  • one LM structure, the index (N,M) of which is known is projected onto the surface of the object 5.
  • at least one image recording device 2 is focused approximately on the plane of the greatest contrast of this LM structure.
  • the depth of field of the objective 12 of the image recording device 2 be at least twice as large as the depth of field of the moire structure (7V, A7); secondly, that the width of the LM structure (N, M) used for measurements, D ⁇ M (see Fig. 4 (a, b) exceeds the period of the moire structure P NM by at least twice.
  • the projection of the 4 LM ⁇ NM structure onto the surface of the object 5 has the form of a region or several regions within which light and dark stripes that are quasi-periodic in the x coordinate are observed (see Fig. 1).
  • the shape of the region on the surface of the object 5, where the projection of the 4 LM structure has a relatively high contrast, depends on the shape of the surface of the object 5 and the depth of field of the moire structure (N, M).
  • the image of the surface of object 5, illuminated by projection device 1 is recorded by image recording device 2.
  • image recording device 2 uses computing device 3, the dependence of the contrast of the quasi-periodic change in the brightness of the image of object 5 in the direction of the x-axis on the 2D coordinates in the image is determined.
  • phase shift of the moire structure that is projected onto the surface of object 5 is carried out, for example, by transverse shifting in the direction of the x-axis of the projection device 1 or, according to clause 23 of the claims, by shifting in the direction of the x-axis one of the gratings installed in it.
  • the position of the isoline of the greatest contrast of this LM structure is found.
  • the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of the LM structure is combined with this point. This is done, in particular, in the following ways:
  • the isoline of the greatest contrast of the LM structure determines the transverse coordinates of the point 13 using the measured values of the coordinates of this point on the image of the surface of the object 5 and the results of calibration of the image recording device 2 [19, 49].
  • the peculiarity of the proposed method in the particular case of its implementation for measuring the shape of an object is that the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of at least one LM structure is moved along the entire controlled or measurable part of the surface of the object 5.
  • the image of the surface of the object 5 is recorded by the image recording device 2.
  • the processing of the obtained images and control of the movement of the projection 4 of the LM structure along the surface of the object 5 are carried out using a computing device 3.
  • the determination of the coordinates of each of the plurality of points of the surface of the object 5 is carried out in the same way as in the above-described particular case of implementing the method for measuring the coordinates of one specified point 13 of the object.
  • the coordinates of the plurality of points of the surface of the object 5 located on the isoline of the greatest contrast of this LM structure are determined and stored by the computing device.
  • the proposed method makes it possible to measure the shape of unsmooth surfaces, surfaces with discontinuities and sharp changes in height, the shape and distances to several objects that do not shade each other from the light of the projection device.
  • the isoline of the greatest contrast of projection 4 of the moire structure also moves over the surface of the object.
  • the approach of the projection device 1 and object 5 can also be continuous at a constant speed V , while the time of recording one image should be much less than the value of AL W /V .
  • the image of the surface of object 5 at each step or at successive moments of time t is recorded by image recording device 2.
  • the transverse coordinates x and y of the points of the surface of object 5 located on the isoline of the greatest contrast of the projection of the LM structure at this value of Az are determined.
  • the isolines (x, Az) are calculated for different values of Az, and on the basis of this data the shape of the surface of the object Az(x, y) is calculated.
  • the index of which (N, M) is not known in advance are projected onto the surface of the object, it is necessary to distinguish between the images of the projections of the moire structures with different indices (N, M) or to determine the values of the indices (N, M) from the image that is recorded by the image recording device.
  • the images of the projections of the moire structures with different indices (N, M) can be distinguished, for example, by their periods, by the value of their contrast, by the order of their arrangement in the longitudinal direction.
  • the size of the surface area of object 5, within which its shape is measured can be increased if, after scanning the part of the surface accessible for measurements, object 5 is rotated by a known angle, for example, around an axis perpendicular to the z axis. This will allow the projection device 1 to illuminate a previously inaccessible section of the surface of object 5 and then scan it with at least one LM structure 4. It is also possible to increase the size of the surface area of object 5, within which its shape is measured, if, after measuring the profile of one part of the object, move the projector 1 and, if necessary, the image recording devices around the object, and then scan another part of the object surface with at least one LM structure.
  • the size of the area of the object surface available for measuring its profile, as well as the speed of such measurements, can be increased by using several projection devices and several image recording devices (see Fig. 6). Scanning the surface of the object with the LM structures formed by each of the projection devices is carried out, for example, by progressively moving the projection devices in their longitudinal direction, or by changing the distance between the gratings in the projection devices and/or by rotating the object with the help of the turntable 15. It is preferable that the areas of the object surface available for observation by the image recording devices overlap. Using the computing device 3, the profiles of different sections of the object surface are calculated, as described above, and then they can be combined by known methods into a single panoramic 3D picture of the surface profile of the object.
  • the working surface of the illuminator 6 is spatially homogeneous, i.e. its luminosity, as well as the angular and frequency spectrum of the light emitted by its elements, are constant within the working aperture of the illuminator surface;
  • the angle in x is the angle between the direction in in which the light propagates, and in the longitudinal direction (see Figs. 3 and 4).
  • Such an angular distribution of the diffuse light intensity can be formed, for example, if the working surface of the illuminator 6 is a one-dimensional random phase transparency onto which a plane wave of incoherent light falls from the side opposite the gratings, and the 1D bands along which the optical length of the light path through the transparency is constant are directed parallel to the y axis.
  • the half-width in the y const plane of the angular spectrum of the light emitted by the working surface of the illuminator 6, at a level of r 2 from the maximum value of the function (6», , 0) will be designated as 6C, ; according to clause 31 of the formula of the invention, amplitude gratings 7 and 8 are installed in the projection device 1; according to clause 32 of the formula of the invention, gratings 7 and 8 are thin, i.e.
  • the working surface of illuminator 6 has the shape of a rectangle, the plane of which is parallel to the planes of gratings 7 and 8, and its sides are parallel to the x and y axes (Fig. 2).
  • the width of the working aperture of illuminator 6 is equal to H x (see Fig. 3 and Fig. 4 (a, b)), its height is equal to H (see Fig.
  • gratings 7 and 8 have the shape of rectangles, the sides of which are parallel to the x and y axes.
  • the widths of the working aperture of gratings 7 and 8 are equal to lx and D 2x , respectively (see Fig. 3 and Fig. 4 (a, b)), and the heights are equal to D ly and D 2y , respectively (see Fig. 2).
  • the centers of the working surface of the illuminator 6, as well as the first grating 7 and the second grating 8 are located on the optical axis of the projection device, i.e.
  • the geometric optics approximation is applicable to describe the characteristics of the moire structures formed by the two-grating projector 1.
  • the characteristics of the moire structures do not depend on the wavelength of light, therefore, a source of both monochromatic and non-monochromatic light, in particular, a source of broadband light, for example, white light, can be used as an illuminator in the projection device.
  • ⁇ ) ⁇ -[1 + cos( ⁇ 1 x + ⁇ // 1 )] for ⁇ X ⁇ ⁇ D J 2 ' ⁇ ⁇ D ly/ 2 '
  • a RU is the phase of the amplitude transmittance of the first grating 7 and the second grating 8, respectively.
  • gratings 7 and 8 are surrounded by opaque frames on the outside along the perimeter (not shown in the figures), so the transmittance of the first grating 7 7 (x, y) is zero at
  • the depth of field L NM of the moire structure (N,M) is equal to the full width at half maximum (FWHM) of the function W NM ( z NM ), where Az NM z Z NM ⁇
  • the angular size of the illuminator is less than the width of the angular spectrum of the light emitted by it (see Fig. 4(a)), i.e. 6 xm > 6 SX , and also when the brightness of the illuminator does not depend on the angle in x for
  • the contrast and depth of field of LM structures depend on the transverse coordinate x.
  • D NM CM. Fig. 4 (a, b)
  • the width of the central region D NM can be estimated by the formula (see Fig. 4 (a, b))
  • D NM > P NM .
  • the absolute error in determining the distance from the projection device to a given point of object 5 is proportional to the depth of field of the moire structure and usually does not exceed the value of L NM ⁇
  • LM structures with a small depth of field for example, according to ⁇ 15 of the formula of the invention, it is proposed to use LM structures in which the relative depth of field in the central region is less than three percent.
  • the half-width of the angular spectrum of light emitted by small incoherent elements of the illuminator surface, 0 ⁇ , is equal to 30°.
  • the projection device 1 with such parameters forms two moire structures with a contrast greater than 0.2: these are moire structures (1,1) and (1,2).
  • the distance between the lattices L is less than the distance equal to 33 cm, therefore the influence of light diffraction on the characteristics of moire structures (1,1) and (1,2) can be neglected.
  • the width of the central region of LM structure (1,1) is equal to ⁇ n ⁇ 54 cm.
  • the depth of field of moire structure (1,1) in its central region is equal to ⁇ ⁇ 1 « ⁇ n « 2 mm.
  • the width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to ⁇ 12 « 69 cm.
  • the depth of field of this moire structure AL ⁇ in its central region is equal to AL ⁇ ® ⁇ 12 ® 0.7 mm.
  • the relative depth of field of the moire structures (1,1) and (1,2) is approximately equal to 1%.
  • formulas (13), (15), (19) and (20) provide only an approximate estimate of the depth of field of the moire structure (N, M) and the width of its central region.
  • a projection device 1 is used in it, in which at least one amplitude grating with a periodic non-sinusoidal dependence of the transmittance on the x coordinate is installed.
  • the projection device 1 in which at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission is installed, it is possible to form moire structures (N, M), in which the maximum values of the integer indices N and M are not limited to the value two [27, 64, 66, 70].
  • the number of moire structures formed by such a projection device can be greater than in the particular case when two amplitude gratings with sinusoidal transmission are used.
  • the distances from the projection device 1 to the plane where the contrast of these moire structures has the greatest value are calculated using formula (1), their periods are calculated using formula (2).
  • the depth of field of the LM structures can be estimated using formula (20).
  • a periodic binary raster (see Fig. 5 (b)) can be used as an amplitude grating with non-sinusoidal transmission (Article 27 of the invention formula).
  • the filling factor of the binary raster is equal to ap i , where p t is the grating period, a, is the width of its transparent stripes, and index I denotes the grating number in projection device 1.
  • the first grating 7 and the second grating 8 in projection device 1 are Ronchi gratings
  • relatively contrasting moire structures (1.1), (1.3), and (3.1) can arise in the field of geometric optics.
  • the condition for their occurrence is Mr > Np 2 , where N and M are equal to 1 or 3.
  • the greatest contrast of the moire structure (1.1) at p > p 2 is approximately the same as when using two amplitude gratings with sinusoidal transmission C n (z n ) ⁇ 0.9.
  • the greatest the contrast value of the moire structures (1,3) and (3,1) is approximately 0.3.
  • the remaining moire structures (N,M), formed by the projection device with two Ronchi gratings have a contrast of less than 0.2 in the geometric optics zone.
  • the number of relatively contrast moire structures can be significantly greater than three.
  • the second grating is a Ronchi grating or a grating with sinusoidal transmission at p x > 4 2
  • contrast moire structures (1,4), (1,3), (1,2), (1,1), (2,1), (3,1) and (4,1) will be formed (with a contrast
  • the installation in the projection device of at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission allows better adaptation of the proposed method to the conditions of a specific rangefinding and profilometry task.
  • a large number of relatively contrasting LM structures are formed by the projection device, for example, their number is greater than three, it is possible to expand the range and accuracy, as well as to reduce the time of measuring distances, coordinates and shapes of objects.
  • the advantage of using a projection device in which at least one binary grating is installed is also the ability to control the characteristics of the LM structures, for example, their number and contrast, by changing the period and/or the fill factor of the grating.
  • one or more localized moire structures are used to implement the rangefinding and profilometry method.
  • the diagram of the system for implementing the method according to clause 3 of the invention formula is the same as the diagram of the system for implementing the method according to clause 2 of the invention formula, when the controlled objects are located in the GO zone of the projection device. It is shown in Fig. 1.
  • the parameters of the projection device 1 and its elements, in particular, the types and periods of gratings 7 and 8, the distances between them are such that the LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone of the projection device.
  • the parameters of the projection device 1 and its elements, in particular, the types and periods of gratings 7 and 8, the distances between them are such that the LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone of the projection device.
  • not only amplitude gratings but also phase gratings [69, 71, 72], as well as amplitude-phase gratings [55, 56] can be used as the first and/or second grating.
  • a two-grating device which forms moiré structures (pseudo-images of the grating) in the Fresnel diffraction zone is called a Talbot-Lau interferometer in a number of publications [55, 70, 73].
  • Some properties of moiré structures formed by a two-grating device (Talbot-Lau interferometer) in the Fresnel diffraction zone are considered in publications [28-30, 39, 64, 65, 69, 74, 75].
  • the width of the central regions of the LM structures and their depth of field in the central region in the Fresnel diffraction zone can be estimated using formulas (19) and (20).
  • condition (5) which is necessary for the applicability of the GO approximation
  • other conditions must be met that impose restrictions on the parameters of the projection device.
  • we will determine the conditions under which contrast LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone, in the particular case when two amplitude gratings with sinusoidal transmission are used in the projection device according to clause 35 of the formula of the invention. We will assume that > 2p 2 .
  • the contrast of the moiré structures (1,1) and (2,1) in the Fresnel diffraction region depends, in particular, on the distance between the gratings D and the length Lj. (2) (see [32, 33, 65, 67, 68]).
  • the projection device 1 uses an illuminator that is located near the first grating ( L o « 0 ) and that emits monochromatic incoherent light with a wavelength of L ! , and the condition is also satisfied .
  • the contrast is also satisfied .
  • the contrast of the moiré structures (1,1) and (2,1) formed by the projection device 1 in the Fresnel diffraction zone, when gratings 7 and 8 are illuminated with non-monochromatic light, will be less than their contrast in the case when the gratings are illuminated with monochromatic light.
  • the decrease in the contrast of the moiré structures will not be very significant if the light emitted by the illuminator has a spectral half-width in wavelength limited by the condition , for example, in the case of AL less than 1
  • the distance between the amplitude gratings with sinusoidal transmission installed in the projection device be within the ranges from (i, - 0, 2) Lj. (YaD) to (ij + 0, 2) 1 ⁇ ( YaO ), and the illuminator installed in the projection device emits light with a spectral half-width by wavelength ⁇ Y less than 0 YaD1 ⁇ 1.
  • the distance between the first and second amplitude gratings with sinusoidal transmission be within the ranges from (and the illuminator emits light with the half-width of the spectrum at wavelength LA is less than 0 ⁇ Play ⁇ 1 .
  • the value of Cjj exceeds 0.6.
  • the angular size of half the aperture of the illuminator 0 sx is equal to 48°. It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the working surface of the illuminator 6, 0 sx > 6 ⁇ transaction .
  • the relative depth of field of the LM of the structure (1.1) is equal to ⁇ ! - 0.34 10' 2 .
  • the width of the central region of the LM of the structure (1.1) is equal to approximately D u « 67 cm.
  • the greatest contrast value of the moire structure (1.2) is approximately equal to 0.23.
  • the angular size of half the working aperture of the illuminator 0 sx in this case is equal to 40°. It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the illuminator surface, 0 SX > ⁇ .
  • D 12 62 CM
  • its relative depth of field is equal to
  • a projection device with parameters at which the LM structure according to claim 3 of the invention formula is formed in its Fresnel diffraction zone is preferably used for rangefinding and profilometry in cases where there is a need to minimize the period and relative depth of field of the LM structure, provided that the plane of greatest contrast of the LM structure is located at a given distance from the projection device.
  • An advantage of implementing the method according to claim 3 of the invention formula may also be that in this case it is possible to form and use for rangefinding and profilometry an LM structure with a given, for example, optimal for measurements, spatial period, which is removed from the projection device at a relatively large distance, which is at least greater than the distance from the projection device to the boundary of its GO zone.
  • 3 formulas of the invention are related, in particular, to restrictions for LM structures (N,M) with an odd value of the index M on the width of the frequency spectrum of light, as well as on the range of variation of the distances between gratings and/or their periods.
  • Patent US 10557939, 02/11/2020 “Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise” // Campbell SR, Eichenholz JM, Weed MD; Patent US20150055853, 02.26.2015 “Method and system for providing three-dimensional and range inter-planar estimation” // Gordon E., Zalevsky Z., Duadi H.; Patent US20120140243A1, 06/07/2012 “Non-contact surface characterization using modulated illumination” // Colonna de Lega XM; Takeda M., Aoki T., Miyamoto Y., Tanaka H., Gu R., Zhang Z.
  • Patent US4657394 14.04.1987 «Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours» // Halioua M.; Patent US20140253929, 11.09.2014 «Apparatus and method for 3D surface measurement» // Huang L., Ng CS, Koh HJ, Asundi AK ; Patent RU2232373C1, 10.07.2004 “Method of optical measurement of the surface shape of a three-dimensional object (variants)” // Levin G. G., Vishnyakov G. N., Loshchilov K. E.; Guzhov V. I. Methods for measuring the SD profile of objects.
  • Patent US5289264, 22.02.1994 «Method and apparatus for ascertaining the absolute coordinates of an object» // Steinbichler H.; Patent US5612786, 18.03.1997 «Contour measurement system» // Huber ED, Williams RA, Shough DM, Kwon OY, Welling RL; Patent US20100299103 Al, 25.11.2010 "Three dimensional shape measurement apparatus, three dimensional shape measurement method, and computer program” // Yoshikawa H.; Patent RU2148793, 10.05.2000 “Method for measuring the shape and spatial position of the surface of objects” // Filippov E. . I., Neiland A. B., Boyko V. V., Babichev G.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of measuring equipment, and to profilometers and rangefinders. A system for implementing a rangefinding and profilometry method includes at least one image recording device, a computing device, and a projection device containing a spatially extended source of incoherent light and first and second planar periodic gratings arranged in parallel planes on one side of the light source and illuminated by said light source, the second grating being hit by light passing through the first grating, wherein the system makes use of at least one device for moving the highest contrast contour line of a projection of a localized moire structure formed by the projection device along a surface of at least one object. The technical result is that of simplifying the rangefinding and profilometry system.

Description

НАЗВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ NAME OF INVENTION

Способ и система бесконтактной дальнометрии и профилометрииMethod and system of non-contact ranging and profilometry

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ AREA OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения расстояний до объектов, координат точек их поверхности, а также определения формы объектов. The invention relates to the field of measuring technology and can be used for contactless measurement of distances to objects, coordinates of points on their surface, and also determining the shape of objects.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ PRIOR ART

Определение расстояния до точек объекта (дальнометрия), измерение их координат, а также формы поверхности объекта (профилометрия) необходимо для решения многих прикладных и научно-технических задач. Бесконтактные методы дальнометрии и профилометрии применяются при конструировании, в дизайне, реверс- инжиниринге. Они также используются в системах компьютерного зрения, виртуальной и дополненной реальности, для управления транспортными средствами и робототехническими устройствами, в медицине и т.д. Известно множество способов бесконтактных активных оптических измерений расстояния до объектов, координат точек их поверхности и ее формы (см., например, [1 - 5]). Значительная часть этих способов основана на использовании лазерных устройств. В частности, к ним относятся времяпролетные способы дальнометрии и профилометрии, использующие, например, лидары [1 - 6], а также способы, основанные на использовании лазерной триангуляции, лазерной структурированной подсветки и т.д. (см., например, [1 - 5, 7]). Недостатками этих способов является сложность и высокая стоимость лазерных устройств, сложность методов обработки полученных данных, отрицательное влияние на результаты измерений спекл-структуры лазерного излучения, переотражения и рассеяния лазерных лучей, опасность лазерного излучения для глаз и оптических устройств и т.д. Determining the distance to the points of an object (ranging), measuring their coordinates, as well as the shape of the object's surface (profilometry) is necessary for solving many applied and scientific-technical problems. Contactless methods of ranging and profilometry are used in engineering, design, and reverse engineering. They are also used in computer vision systems, virtual and augmented reality, for controlling vehicles and robotic devices, in medicine, etc. There are many known methods of contactless active optical measurements of the distance to objects, the coordinates of their surface points and its shape (see, for example, [1 - 5]). A significant part of these methods is based on the use of laser devices. In particular, these include time-of-flight methods of ranging and profilometry, using, for example, lidars [1 - 6], as well as methods based on the use of laser triangulation, laser structured illumination, etc. (see, for example, [1 - 5, 7]). The disadvantages of these methods are the complexity and high cost of laser devices, the complexity of the methods for processing the obtained data, the negative impact on the results of measurements of the speckle structure of laser radiation, re-reflection and scattering of laser beams, the danger of laser radiation for the eyes and optical devices, etc.

Известны способы активной оптической дальнометрии и профилометрии, в которых не используются лазерные источники света. Известен способ определения формы объекта, основанный на измерении резкости фокусировки на поверхность объекта изображения плоских периодических транспарантов, которые установлены в оптическом проекторе и освещаются некогерентным светом [8 - 13]. Периодические полосы света фокусируются на поверхность объекта с помощью объектива, установленного на выходе оптического проекционного устройства. Контраст проекции световых полос на поверхность определяется вычислительным устройством по изображению объекта, регистрируемому устройством регистрации изображений, например, телекамерой. Оптические оси проектора и устройства регистрации изображений обычно совпадают. Максимальный контраст изображения полос достигается в областях поверхности объекта, совпадающих с плоскостью фокусировки объектива проекционного устройства. Расстояние до этой плоскости измеряется заранее при калибровке устройства или рассчитывается. Положение плоскости, где контраст световых полос максимален, относительно объекта изменяют путем перемещения проектора или объекта вдоль оптической оси проектора, либо путем изменения фокальной длины объектива проектора. Перемещая фокальную плоскость проектора относительно объекта, сканируют ею поверхность объекта, регистрируют изображения проекции полос света на поверхность, затем, обрабатывая полученные изображения, определяют расстояние до различных точек поверхности объекта, а также его форму. Способ измерений и устройство, аналогичные вышеописанным, используются также для осуществления профилометрии микрообъектов с помощью широкопольного микроскопа [14, 15]. Недостатками этого способа оптической дальнометрии, профилометрии и микроскопии является необходимость использования сложного оптического проекционного устройства, включающего в себя высококачественный объектив, влияние несовершенства объектива проекционного устройства на точность и надежность измерений, ограниченность поля, освещаемого проекционным устройством. There are known methods of active optical ranging and profilometry that do not use laser light sources. There is a known method of determining the shape of an object based on measuring the sharpness of focusing on the surface of the object of the image of flat periodic transparencies that are installed in an optical projector and illuminated by incoherent light [8 - 13]. Periodic stripes of light are focused on the surface of the object using a lens installed at the output of the optical projection device. The contrast of the projection of the light stripes on the surface is determined by a computing device based on the image of the object recorded by an image recording device, such as a television camera. Optical axes of the projector and the recording device images usually coincide. The maximum contrast of the fringe image is achieved in the areas of the object surface that coincide with the plane of focus of the projection device lens. The distance to this plane is measured in advance during calibration of the device or calculated. The position of the plane where the contrast of the light fringes is maximum relative to the object is changed by moving the projector or the object along the optical axis of the projector, or by changing the focal length of the projector lens. By moving the focal plane of the projector relative to the object, the surface of the object is scanned with it, the images of the projection of the light fringes onto the surface are recorded, then, by processing the obtained images, the distance to various points of the object surface, as well as its shape, are determined. A measurement method and device similar to those described above are also used to perform profilometry of micro-objects using a wide-field microscope [14, 15]. The disadvantages of this method of optical ranging, profilometry and microscopy are the need to use a complex optical projection device, which includes a high-quality lens, the influence of the imperfection of the lens of the projection device on the accuracy and reliability of measurements, and the limited field illuminated by the projection device.

Известны оптические фазовые и триангуляционные способы измерения 3D формы объекта, которые основаны на проецировании на поверхность объекта периодической структурированной подсветки, например, периодических полос света, и регистрации изображения этой поверхности (см., например, [2, 16 - 20]). Периодическую в пространстве освещенность поверхности объекта создают с помощью проектора, в котором некогерентный пучок света, излучаемый источником света, пространственно модулируется при прохождении через транспарант, коэффициент пропускания которого периодически зависит от координаты, поперечной к оптической оси проектора. С помощью объектива, который установлен на выходе этого проектора, объект освещается расходящимся пространственно модулированным пучком света. Использование управляемых компьютером оптических проекторов, например, с жидкокристаллическими транспарантами или другими пространственными модуляторами света, позволяет динамически управлять периодом и фазой пространственной модуляции интенсивности света, освещающего объект. Проекцию периодических полос света на поверхности объекта регистрируют устройством регистрации изображений, например, теле- или фотокамерой. Угол между оптической осью проектора и оптической осью устройства регистрации изображений обычно достаточно большой. На картину проекции периодических полос света на объект влияет форма его поверхности, в частности, от нее зависит вариация фазы проекции периодических полос света и смещение заданной полосы. При использовании триангуляционного способа форма объекта и расстояние до его точек определяется по углам, под которыми проектируются на поверхность объекта и наблюдаются полосы периодической световой структуры [1]. Недостатком триангуляционного способа является невысокая точность определения этих углов и сложность определения номеров полос проецируемой периодической световой структуры. При использовании фазового способа измерений фаза проекции периодических полос света определяется путем нахождения, например, пространственного Фурье спектра изображения поверхности объекта или методом пошагового сдвига фазы этих световых полос [2, 19]. По измеренной зависимости вариации фазы проекции от координат на изображении объекта определяется его форма. Недостатком фазовых способов является неоднозначность вычисления фазы по изображению проекции периодически структурированного света на поверхность объекта. Были предложены различные способы устранения неоднозначности вычисления фазы изображения периодической структурированной подсветки, проецируемой на поверхность объекта с помощью оптического проектора с объективом (см., например, патенты [21 - 24]). Используя такие способы, можно измерять абсолютные значения координат точек поверхности объекта, но для этого требуется усложнение проекционной системы, а также методики обработки результатов измерений. Кроме указанных выше специфических недостатков фазовых и триангуляционных способов измерения 3D формы объектов с использованием периодического структурированного освещения их общими недостатками являются: Optical phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of an object are known, which are based on projecting a periodic structured illumination, for example, periodic stripes of light, onto the surface of the object and recording the image of this surface (see, for example, [2, 16 - 20]). Periodic illumination of the surface of an object in space is created using a projector in which an incoherent beam of light emitted by a light source is spatially modulated when passing through a transparency, the transmittance of which periodically depends on the coordinate transverse to the optical axis of the projector. Using a lens, which is installed at the output of this projector, the object is illuminated with a diverging spatially modulated beam of light. The use of computer-controlled optical projectors, for example, with liquid crystal transparencies or other spatial light modulators, makes it possible to dynamically control the period and phase of the spatial modulation of the intensity of light illuminating the object. The projection of periodic stripes of light onto the surface of the object is recorded by an image recording device, for example, a television or photo camera. The angle between the optical The projector axis and the optical axis of the image recording device are usually quite large. The projection pattern of periodic light stripes onto an object is affected by the shape of its surface, in particular, the variation in the projection phase of the periodic light stripes and the shift of a given stripe depend on it. When using the triangulation method, the shape of the object and the distance to its points are determined by the angles at which the stripes of the periodic light structure are projected onto the surface of the object and observed [1]. The disadvantage of the triangulation method is the low accuracy of determining these angles and the complexity of determining the numbers of the stripes of the projected periodic light structure. When using the phase measurement method, the projection phase of the periodic light stripes is determined by finding, for example, the spatial Fourier spectrum of the image of the object's surface or by the method of step-by-step phase shift of these light stripes [2, 19]. The shape of the object is determined by the measured dependence of the projection phase variation on the coordinates on the image of the object. The disadvantage of phase methods is the ambiguity of calculating the phase from the image of the projection of periodically structured light onto the surface of the object. Various methods have been proposed to eliminate the ambiguity of calculating the phase of the image of periodic structured illumination projected onto the surface of an object using an optical projector with a lens (see, for example, patents [21 - 24]). Using such methods, it is possible to measure the absolute values of the coordinates of points on the surface of an object, but this requires a more complex projection system, as well as a method for processing the measurement results. In addition to the above-mentioned specific disadvantages of phase and triangulation methods for measuring the 3D shape of objects using periodic structured illumination, their common disadvantages are:

• Сложность и высокая стоимость оптического проектора с объективом, • Complexity and high cost of an optical projector with a lens,

• Ограниченность поперечного размера области поверхности, освещаемой одним проектором, • Limited transverse size of the surface area illuminated by one projector,

• Трудность измерения формы негладких поверхностей, поверхностей с разрывами или скачками высоты, • Difficulty in measuring the shape of uneven surfaces, surfaces with discontinuities or height jumps,

• Необходимость калибровки измерительной системы в целом. • The need to calibrate the measuring system as a whole.

Известны способы формирования периодических структурированных пучков некогерентного света без использования сложных и дорогих проекционных устройств с объективом [25 - 33]. Для формирования периодически структурированных пучков некогерентного света в этих способах используют двухрешеточное устройство, включающее в себя источник света и две плоские одномерные периодические решетки с одинаковым направлением полос, которые расположены с одной стороны от источника света в параллельных удаленных друг от друга плоскостях. Способ формирования периодически структурированных пучков света таким двухрешеточным устройством основан на обобщенном эффекте формирования псевдоизображения решетки. Этот эффект состоит в том, что при последовательном прохождении некогерентным светом, излучаемым источником, через две плоские периодические решетки за дальней от источника света решеткой возникают световые муаровые структуры, которые имеют периодическую пространственную модуляцию интенсивности света. Такую муаровую структуру называют обобщенным псевдоизображением решетки [28, 32, 33]. Частным случаем обобщенного эффекта формирования псевдоизображения решетки является эффект Лау [27, 28, 31, 34 - 36]. В этом частном случае контрастное псевдоизображение решетки возникает на бесконечном удалении от двухрешеточного устройства, а для формирования периодической модуляции света на конечном расстоянии используется линза, которая располагается за дальней от источника света решеткой. В публикации [37] рассмотрен способ определения расстояния между двумя параллельными решетками с разными пространственными периодами, основанный на измерении характеристик световой муаровой структуры, которая возникает после прохождения некогерентным светом этих решеток. Известно также оптическое двухрешеточное устройство, предназначенное для измерения величины перемещения одной из решеток, а также величины перемещения прикрепленного к ней объекта в плоскости этой решетки в направлении, перпендикулярном направлению ее полос, в основе функционирования которого лежит обобщенный эффект формирования псевдоизображения решетки (см., например, [29, 38]). Такое устройство для измерения величины перемещения объекта является одним из вариантов линейного оптического энкодера. Двухрешеточный линейный энкодер не применим для измерения величины перемещения в направлении, которое перпендикулярно плоскостям решеток, и он не может быть использован для бесконтактного измерения расстояния до объектов, координат их точек и формы поверхности. Известны бесконтактные способы измерения формы объектов, которые используют обобщенный эффект формирования псевдоизображения решетки [39 - 42] или эффект Лау [43]. В этих способах форма объекта определяется по величине пространственной вариации фазы проекции на поверхности объекта периодической муаровой структуры, которая формируется с помощью двухрешеточного проекционного устройства. Изображение поверхности объекта, освещенного упомянутым проекционным устройством, регистрируется устройством регистрации изображений и обрабатывается вычислительным устройством с использованием, например, преобразования Фурье или метода пошагового фазового сдвига [40 - 43]. Для определения расстояния до точек объекта может быть применен триангуляционный метод измерений [39]. Система для реализации способа профил ометрии с помощью обобщенного эффекта формирования псевдоизображения решетки [39] является прототипом системы, предлагаемой в настоящем изобретении. Система-прототип состоит из безобъективного проекционного устройства, а также из устройства регистрации изображений и вычислительного устройства [39 - 41]. Проекционное устройство включает в себя источник некогерентного света, две периодические решетки, расположенные в параллельных удаленных друг от друга плоскостях. Муаровая структура (псевдоизображение решетки), формируемая проекционным устройством- прототипом, слабо локализована в направлении оптической оси проектора, которая перпендикулярна плоскостям решеток. Достоинство двухрешеточного проекционного устройства, предложенного в патенте [39], в том, что оно проще и дешевле, чем проекторы структурированного света с объективом. Способ профилометрии, который описан в патенте [39], наиболее близкий к предлагаемому способу по технической сущности и совокупности элементов для его реализации. Этот способ является прототипом предлагаемого способа. Известному способу измерения [39 - 41], присущи недостатки фазовых и триангуляционных методов профилометрии и дальнометрии, в частности, проблематичность применения способа для измерения формы негладких поверхностей, ограниченность ширины области поверхности, освещаемой проекционным устройством, необходимость калибровки измерительной системы в целом. Кроме того, минусом триангуляционного способа является его невысокая точность и сложность определения номеров полос периодической световой структуры, проецируемой на объект. Применение фазового способа измерений осложняется неоднозначностью вычисления фазы проекции муаровой структуры на объект и отсутствием возможности определения расстояния до точек объекта. В частности, для определения расстояния от проекционного устройства, на котором нужно располагать объект, в патенте [39] предполагается использование дополнительного дальномера, например, лазерного. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Methods for forming periodic structured beams of incoherent light without using complex and expensive projection devices with a lens are known [25 - 33]. To form periodically structured beams incoherent light in these methods use a two-grating device, which includes a light source and two flat one-dimensional periodic gratings with the same direction of stripes, which are located on one side of the light source in parallel planes distant from each other. The method of forming periodically structured light beams with such a two-grating device is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating. This effect consists in the fact that when incoherent light, emitted by the source, sequentially passes through two flat periodic gratings, light moiré structures appear behind the grating farthest from the light source, which have a periodic spatial modulation of the light intensity. Such a moiré structure is called a generalized pseudo-image of the grating [28, 32, 33]. A special case of the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating is the Lau effect [27, 28, 31, 34-36]. In this particular case, a contrast pseudo-image of the grating appears at an infinite distance from the two-grating device, and a lens located behind the grating farthest from the light source is used to form a periodic modulation of light at a finite distance. The publication [37] discusses a method for determining the distance between two parallel gratings with different spatial periods based on measuring the characteristics of the light moiré structure that appears after incoherent light passes through these gratings. An optical two-grating device is also known, designed to measure the magnitude of the displacement of one of the gratings, as well as the magnitude of the displacement of an object attached to it in the plane of this grating in the direction perpendicular to the direction of its stripes, the operation of which is based on the generalized effect of forming a pseudo-image of the grating (see, for example, [29, 38]). Such a device for measuring the magnitude of the displacement of an object is one of the variants of a linear optical encoder. A dual-grating linear encoder is not applicable for measuring the magnitude of displacement in the direction that is perpendicular to the planes of the gratings, and it cannot be used for contactless measurement of the distance to objects, the coordinates of their points and the shape of the surface. Non-contact methods for measuring the shape of objects are known that use the generalized effect of forming a pseudo-image of a grating [39 - 42] or the Lau effect [43]. In these methods, the shape of an object is determined by the magnitude of the spatial variation of the phase of the projection on the surface of the object of a periodic moire structure, which is formed using a two-grating projection device. The image of the surface of the object illuminated by the said projection device is recorded by the image recording device and processed by the computing device using, for example, the Fourier transform or the step phase shift method [40 - 43]. The triangulation measurement method can be used to determine the distance to the points of the object [39]. The system for implementing the profile metry method using the generalized effect of forming a pseudo image of a grating [39] is a prototype of the system proposed in the present invention. The prototype system consists of a lensless projection device, as well as an image recording device and a computing device [39 - 41]. The projection device includes a source of incoherent light, two periodic gratings located in parallel planes distant from each other. The moire structure (pseudo image of the grating), formed by the prototype projection device, is weakly localized in the direction of the optical axis of the projector, which is perpendicular to the planes of the gratings. The advantage of the two-grating projection device proposed in the patent [39] is that it is simpler and cheaper than structured light projectors with a lens. The profilometry method described in the patent [39] is the closest to the proposed method in terms of its technical essence and set of elements for its implementation. This method is a prototype of the proposed method. The known measurement method [39 - 41] has the disadvantages of phase and triangulation methods of profilometry and rangefinding, in particular, the problematic nature of using the method to measure the shape of unsmooth surfaces, the limited width of the surface area illuminated by the projection device, and the need to calibrate the measuring system as a whole. In addition, the disadvantage of the triangulation method is its low accuracy and the complexity of determining the band numbers of the periodic light structure projected onto the object. The use of the phase measurement method is complicated by the ambiguity of calculating the phase of the moire structure projection onto the object and the inability to determine the distance to the object points. In particular, to determine the distance from the projection device at which the object needs to be positioned, the patent [39] suggests using an additional rangefinder, for example, a laser one. DISCLOSURE OF INVENTION

Принимая во внимание недостатки способов и систем дальнометрии и профилометрии, описанных в разделе Предшествующий уровень техники, в основе изобретения лежит задача предложить способ и систему, которые позволят устранить по крайней мере часть этих недостатков. В частности, задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и систему, которые позволяют проводить широкопольные измерения абсолютного значения расстояния до точек поверхности объектов, их координат, а также форму объектов, в том числе объектов с негладкой поверхностью, используя периодически структурированный свет, излучаемый безобъективным проекционным устройством. Задача данного изобретения также состоит в том, чтобы предложить способ измерения расстояния до точек объектов и их формы, при реализации которого не возникает проблемы однозначного определения значения фазы и номеров полос проекции на объект периодически структурированного света. Taking into account the disadvantages of the rangefinding and profilometry methods and systems described in the Prior Art section, the invention is based on the task of proposing a method and a system that will eliminate at least some of these disadvantages. In particular, the task of this invention is to propose a method and a system that allow wide-field measurements of the absolute value of the distance to the surface points of objects, their coordinates, as well as the shape of objects, including objects with a rough surface, using periodically structured light emitted by a lensless projection device. The task of this invention is also to propose a method for measuring the distance to the points of objects and their shape, the implementation of which does not cause the problem of unambiguously determining the phase value and the numbers of the bands of the projection of periodically structured light onto the object.

Сущность предлагаемого способа так же, как и способа, который является прототипом, заключается в проецировании на поверхность объекта световой периодической муаровой структуры, формируемой с помощью двухрешеточного проекционного устройства, которое также будем называть двухрешеточным проектором, регистрации с помощью по меньшей мере одного регистрирующего устройства изображения участка поверхности объекта, на который спроецирована эта муаровая структура, математической обработке вычислительным устройством полученных изображений и определении на основе результатов этой обработки формы поверхности объекта. Новым в предложенном способе является то, что для дальнометрии и профилометрии используется по меньшей мере одна муаровая структура (псевдоизображение решетки), которая достаточно сильно локализована в продольном направлении, которое перпендикулярно плоскостям решеток, установленных в проекционном устройстве. Такая локализованная муаровая (ЛМ) структура формируется, например, с помощью описанного в изобретении двухрешеточного проекционного устройства. Проекцию упомянутой локализованной муаровой структуры перемещают по поверхности объекта, совмещают плоскость наибольшего контраста муаровой структуры с точкой на поверхности объекта, координаты которой нужно измерить. Используя известное значение расстояния до этой плоскости от плоскости выходной решетки проекционного устройства, определяют расстояние до заданной точки объекта и ее продольную координату. Используя эти данные, а также изображение объекта и результаты калибровки устройства регистрации изображений, определяют поперечные координаты заданной точки объекта. Сканируя поверхность объекта проекцией упомянутой локализованной муаровой структуры, регистрируя и математически обрабатывая изображения объекта, полученные при разном положении проекции ЛМ структуры, находят форму объекта. В предлагаемом способе в отличие от способа-прототипа при определении формы объекта и расстояния до его точек не требуется определения номера полосы или значения фазы проекции муаровой структуры и не возникает необходимость устранения неоднозначности величины этой фазы. Новым в предложенном способе является также то, что в отличие от ближайшего аналога он может быть использован не только для определения формы объекта, но и измерения абсолютной величины расстояния до его точек и их координат. Для реализации предлагаемого способа может быть использована как одна, так и большее число локализованных муаровых структур, формируемых по меньшей мере одним проекционным устройством. Отличие предлагаемого способа от способа-прототипа также в том, что он может быть реализован при параллельном расположении продольной оси проекционного устройства и оптической оси устройства регистрации изображений. The essence of the proposed method, as well as the method that is the prototype, consists in projecting a light periodic moire structure onto the surface of an object, formed using a two-grating projection device, which will also be called a two-grating projector, registering an image of the surface area of the object onto which this moire structure is projected using at least one recording device, mathematically processing the obtained images using a computing device, and determining the shape of the surface of the object based on the results of this processing. What is new in the proposed method is that at least one moire structure (a pseudo-image of a grating) is used for rangefinding and profilometry, which is sufficiently strongly localized in the longitudinal direction, which is perpendicular to the planes of the gratings installed in the projection device. Such a localized moire (LM) structure is formed, for example, using the two-grating projection device described in the invention. The projection of the said localized moire structure is moved along the surface of the object, the plane of greatest contrast of the moire structure is aligned with the point on the surface of the object whose coordinates need to be measured. Using the known value of the distance to this plane from the plane of the output grating of the projection device, the distance to the specified points of the object and its longitudinal coordinate. Using these data, as well as the image of the object and the results of calibration of the image recording device, the transverse coordinates of a given point of the object are determined. By scanning the surface of the object with the projection of the said localized moire structure, recording and mathematically processing the images of the object obtained at different positions of the projection of the LM structure, the shape of the object is found. In the proposed method, in contrast to the prototype method, when determining the shape of the object and the distance to its points, it is not necessary to determine the strip number or the phase value of the projection of the moire structure and there is no need to eliminate the ambiguity of the value of this phase. Another new feature of the proposed method is that, unlike the closest analogue, it can be used not only to determine the shape of the object, but also to measure the absolute value of the distance to its points and their coordinates. To implement the proposed method, one or more localized moire structures formed by at least one projection device can be used. The difference between the proposed method and the prototype method is also that it can be implemented with a parallel arrangement of the longitudinal axis of the projection device and the optical axis of the image recording device.

Предлагаемая система так же, как и система, которая является ее прототипом, содержит двухрешеточное проекционное устройство, устройство регистрации изображений и вычислительное устройство. Проекционное устройство содержит источник некогерентного света, первую и вторую плоские периодические решетки, которые расположены друг за другом в несовпадающих параллельных плоскостях с одной стороны от источника света, и которые освещаются упомянутым источником света, причем на вторую решетку падает свет, прошедший через первую решетку. Новым является то, что ширина источника света, первой и второй решеток, которые установлены в проекционном устройстве, а также ширина углового спектра света, излучаемая источником света, таковы, что формируется по меньшей мере одна локализованная муаровая структура. Увеличение ширины рабочей апертуры источника света и решеток, установленных в проекционном устройстве, позволяет увеличивать ширину непрерывной области, в пределах которой возможно проведение измерений с наименьшей ошибкой. Отличие от прототипа состоит также в том, что в предлагаемой системе применено устройство для осуществления сканирования поверхности объекта проекцией ЛМ структуры. В отличии от системы-прототипа, где в проекционном устройстве расстояние между решетками и их периоды фиксированы, в предлагаемой системе расстояние между решетками и их периоды можно управляемо изменять, и таким образом, в частности, осуществлять сканирование поверхности объекта проекцией ЛМ структуры. В предлагаемой системе также могут быть дополнительно применено устройство для изменения взаимной ориентации полос локализованной муаровой структуры и объекта. The proposed system, as well as the system which is its prototype, contains a two-grating projection device, an image recording device and a computing device. The projection device contains a source of incoherent light, first and second flat periodic gratings which are located one after the other in non-coinciding parallel planes on one side of the light source and which are illuminated by the said light source, wherein the light which has passed through the first grating falls on the second grating. What is new is that the width of the light source, the first and second gratings which are installed in the projection device, as well as the width of the angular spectrum of light emitted by the light source, are such that at least one localized moire structure is formed. Increasing the width of the working aperture of the light source and the gratings installed in the projection device allows increasing the width of the continuous region within which it is possible to carry out measurements with the least error. The difference from the prototype also consists in the fact that the proposed system uses a device for scanning the surface of an object by the projection of the LM structure. Unlike the prototype system, where in the projection In the device, the distance between the gratings and their periods are fixed, in the proposed system, the distance between the gratings and their periods can be controlled and thus, in particular, the surface of the object can be scanned by the projection of the LM structure. In the proposed system, a device for changing the mutual orientation of the stripes of the localized moire structure and the object can also be additionally used.

Технический результат - упрощение системы дальнометрии и профилометрии, в том числе с позиций изготовления и управления, упрощение методики обработки данных измерений, отсутствие проблемы фазовой неоднозначности, увеличение ширины области, доступной для проведения измерений с помощью одного проекционного устройства, возможность определения формы негладких поверхностей, поверхностей с разрывами и скачками высоты. The technical result is a simplification of the rangefinding and profilometry system, including from the standpoint of manufacturing and control, a simplification of the measurement data processing method, the absence of the problem of phase ambiguity, an increase in the width of the area available for taking measurements using a single projection device, the ability to determine the shape of unsmooth surfaces, surfaces with discontinuities and height jumps.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами. The essence of the invention is explained by the following figures.

На фиг. 1 схематично изображена система оптической дальномерии и профилометрии, а также объект, на который спроецирована световая локализованная муаровая структура. Fig. 1 schematically shows a system of optical rangefinding and profilometry, as well as an object onto which a light localized moire structure is projected.

На фиг. 2 приведена схема проекционного устройства, которое формирует световую муаровую структуру. Fig. 2 shows a diagram of a projection device that forms a light moire structure.

На фиг. 3 схематично изображена проекция на плоскость у = 0 элементов проекционного устройства, устройства регистрации изображений, а также локализованной муаровой структуры с отображением позиционных и угловых соотношений между элементами устройств, световыми лучами и пространственными областями ЛМ структуры. Fig. 3 schematically shows the projection onto the plane y = 0 of the elements of the projection device, the image recording device, and also the localized moire structure with the display of the positional and angular relationships between the elements of the devices, the light beams, and the spatial regions of the LM structure.

На фиг. 4 (а, б) схематично изображена проекция на плоскость у = 0 элементов проекционного устройства и локализованной муаровой структуры с отображением позиционных и угловых соотношений между элементами устройства, световыми лучами и пространственными областями ЛМ структуры при 0^ > 0sx (фиг. 4(a)) и при 0хт < ^sx (Фиг- 4(6)), где 6SX - угловой размер половины рабочей апертуры осветителя, 0хт - полуширина углового спектра света, излучаемого осветителем. In Fig. 4 (a, b) a projection onto the plane y = 0 of the elements of the projection device and the localized moire structure is schematically shown with the display of the positional and angular relationships between the elements of the device, the light beams and the spatial regions of the LM structure for 0 sx > 0 sx (Fig. 4(a)) and for 0 xm < sx ( Fig . 4(b)), where 6 sx is the angular size of half the working aperture of the illuminator, 0 xm is the half-width of the angular spectrum of light emitted by the illuminator.

На фиг. 5 приведены изображения двух типов плоских одномерных амплитудных решеток: решетки с синусоидальной зависимостью амплитудного коэффициента пропускания от координаты (фиг. 5(a)) и периодического бинарного растра (фиг. 5(6)). На фиг. 6 схематично изображена система оптической дальномерии и профилометрии, в которой используются несколько проекционных устройств и несколько устройств регистрации изображений. Fig. 5 shows images of two types of flat one-dimensional amplitude gratings: a grating with a sinusoidal dependence of the amplitude transmittance on the coordinate (Fig. 5(a)) and a periodic binary raster (Fig. 5(6)). Fig. 6 schematically shows a system of optical rangefinding and profilometry, in which several projection devices and several image recording devices are used.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Способ бесконтактной дальномерии и профилометрии и система для его осуществления будут обсуждены со ссылками на вышеупомянутые фигуры, на которых одноименные ссылочные позиции обозначают одни и те же элементы. Способ может быть реализован с помощью системы, схематическое изображение которой приведено на фиг. 1 (и. 16 формулы изобретения). Система включает в себя безобъективное проекционное устройство 1, по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2, вычислительное устройство 3, а также по меньшей мере одно устройство для осуществления перемещения проекции локализованной муаровой структуры 4, формируемой проекционным устройством 1, по поверхности контролируемого объекта 5. Схема проекционного устройства 1 показана на фиг. 2 (и. 17 формулы изобретения). Проекционное устройство 1 по и. 17 формулы изобретения включает в себя пространственно протяженный источник некогерентного света 6, который также будем называть осветителем, и две параллельные плоские одномерные (1D) периодические решетки 7 и 8. Первая, ближняя к осветителю 6, решетка 7 и вторая, выходная, решетка 8 расположены с одной стороны от источника света 6. Полосы этих решеток имеют одинаковое направление. Предпочтительно, чтобы решетки 7 и 8 имели прямоугольную форму. Светящаяся поверхность источника света 6 обращена к решеткам 7 и 8. В частном случае, по и. 18 формулы изобретения, пространственно протяженный источник света 6, установленный в проекционном устройстве 1, является источником диффузного света. Таким источником диффузного света, например, может являться поверхность нагретого тела, люминесцентная лампа, люминесцентный экран, экран телефона, телевизора, планшета или компьютерного монитора, поверхность органического и неорганического светоизлучающего диода. Источником диффузного света также может являться участок дневного неба, поверхность случайного фазового транспаранта, например, матового стекла, листа кальки или папиросной бумаги, освещаемая с противоположной от решеток стороны, и т.п. Проекционное устройство 1 формирует по меньшей мере одну световую ЛМ структуру. Локализованная муаровая структура может формироваться в зоне геометрической оптики (ГО) (п. 2 формулы изобретения) или в зоне дифракции Френеля проекционного устройства 1 (п. 3 формулы изобретения). Условное изображение распределения интенсивности света у ЛМ структуры в плоскости, параллельной плоскостям решеток (см. фиг. 2) или в плоскости, перпендикулярной направлению их штрихов (см. фиг. 3 и 4 (а, б)), обозначается на фигурах цифрой 9. На фиг. 1 и 2 изображена правая ортогональная система координат с осями х, у и z, которая связана с проекционным устройством 1. Ось координат z направлена перпендикулярно плоскостям решеток 7 и 8, в направлении от источника света 6 к решетам. Если вторая решетка 8 имеет прямоугольную форму, то ось z проходит через ее центр, и называется далее по тексту оптической осью проекционного устройства 1. Ось у направлена вдоль направления полос решеток 7 и 8 (см. фиг. 2). Коэффициенты пропускания решеток 7 и 8 зависят периодически от координаты х. Направление оси z далее по тексту будем называть продольным, направления, перпендикулярные оси z, будем называть поперечными. Будем называть размеры объекта 5, рабочих апертур источника света 6, решеток 7 и 8 в направлении оси х - их шириной, в направлении оси у - высотой, в направлении оси z - длиной или толщиной. Плоскость = 0 совпадает с плоскостью первой решетки 7. Вторая, выходная решетка 8 расположена в плоскости = т.е. плоскости первой и второй решеток удалены друг от друга на расстояние L, 0 . Расстояние в продольном направлении от второй решетки 8 при z > будем также называть расстоянием от проекционного устройства 1. В частном случае, когда рабочая поверхность осветителя 6 является плоской и она расположена параллельно плоскостям решеток, расстояние между рабочей поверхностью осветителя 6 и плоскостью первой решетки 7 будем обозначать Lo. Оно может быть равно нулю. Координата центра рабочей поверхности осветителя по оси у равна у = ys . На фиг. 1 также изображена глобальная неподвижная система координат с осями х' , у' и z • В частном случае (и. 19 формулы изобретения) в системе может быть дополнительно использовано устройство для определения координат и ориентации проекционного устройства 1 в глобальной системе координат. The method of contactless rangefinding and profilometry and the system for implementing it will be discussed with reference to the above-mentioned figures, in which the same reference numerals designate the same elements. The method can be implemented using a system, a schematic representation of which is shown in Fig. 1 (clause 16 of the claims). The system includes a lensless projection device 1, at least one image recording device 2, a computing device 3, and also at least one device for moving the projection of a localized moire structure 4 formed by the projection device 1, along the surface of the controlled object 5. The diagram of the projection device 1 is shown in Fig. 2 (clause 17 of the claims). The projection device 1 according to clause 17 of the invention formula includes a spatially extended source of incoherent light 6, which will also be called an illuminator, and two parallel flat one-dimensional (1D) periodic gratings 7 and 8. The first grating 7, closest to the illuminator 6, and the second, output grating 8 are located on one side of the light source 6. The stripes of these gratings have the same direction. It is preferable that the gratings 7 and 8 have a rectangular shape. The luminous surface of the light source 6 faces the gratings 7 and 8. In a particular case, according to and. 18 of the invention formula, the spatially extended light source 6 installed in the projection device 1 is a source of diffuse light. Such a source of diffuse light, for example, can be the surface of a heated body, a fluorescent lamp, a fluorescent screen, a screen of a telephone, TV, tablet or computer monitor, the surface of an organic and inorganic light-emitting diode. The source of diffuse light may also be a section of the daytime sky, the surface of a random phase transparency, for example, frosted glass, a sheet of tracing paper or tissue paper illuminated from the side opposite the gratings, etc. The projection device 1 forms at least one light LM structure. The localized moire structure may be formed in the geometric optics (GO) zone (clause 2 of the invention formula) or in the Fresnel diffraction zone of the projection device 1 (clause 3 of the invention formula). The conventional the image of the light intensity distribution at the LM structure in a plane parallel to the planes of the gratings (see Fig. 2) or in a plane perpendicular to the direction of their grooves (see Figs. 3 and 4 (a, b)), is designated in the figures by the number 9. Figs. 1 and 2 show the right orthogonal coordinate system with axes x, y and z, which is connected with the projection device 1. The coordinate axis z is directed perpendicular to the planes of gratings 7 and 8, in the direction from the light source 6 to the gratings. If the second grating 8 has a rectangular shape, then the z axis passes through its center, and is called hereinafter the optical axis of the projection device 1. The y axis is directed along the direction of the stripes of gratings 7 and 8 (see Fig. 2). The transmission coefficients of gratings 7 and 8 depend periodically on the x coordinate. The direction of the z-axis will be referred to in the text as longitudinal, and the directions perpendicular to the z-axis will be referred to as transverse. We will refer to the dimensions of the object 5, the working apertures of the light source 6, and the gratings 7 and 8 in the direction of the x-axis as their width, in the direction of the y-axis as their height, and in the direction of the z-axis as their length or thickness. The plane = 0 coincides with the plane of the first grating 7. The second, output grating 8 is located in the plane =, i.e., the planes of the first and second gratings are separated from each other by a distance L, 0 . The distance in the longitudinal direction from the second grating 8 at z > will also be referred to as the distance from the projection device 1. In the particular case where the working surface of the illuminator 6 is flat and is located parallel to the planes of the gratings, the distance between the working surface of the illuminator 6 and the plane of the first grating 7 will be denoted by L o . It can be equal to zero. The coordinate of the center of the working surface of the illuminator along the y-axis is equal to y = y s . In Fig. 1 also shows a global fixed coordinate system with axes x', y' and z • In a particular case (clause 19 of the invention formula), a device for determining the coordinates and orientation of the projection device 1 in the global coordinate system can be additionally used in the system.

Система дальномерии и профилометрии включает в себя по меньшей мере одно устройство, предназначенное для осуществления перемещения и/или изменения ориентации ЛМ структуры и объекта 5 относительно друг друга. На фиг. 1 и фиг. 2 толстыми стрелками показаны направления возможных поступательных перемещений и вращения элементов системы дальномерии и профилометрии и объекта 5 в разных частных случаях реализации способа и системы. В частном случае (и. 20 формулы изобретения) может быть использовано устройство, которое изменяет расстояние между проекционным устройством 1 и объектом 5 путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 и/или объекта 5. В частности, сближение или удаление проекционного устройства 1 и объекта 5 может осуществляться с заданной скоростью. В частном случае (и. 21 формулы изобретения) для изменения взаимного положения ЛМ структуры и объекта 5, могут использоваться устройства для поворота проекционного устройства 1 и/или объекта 5. В качестве примера на фиг. 1 схематически показано устройство 10, предназначенное для перемещения и/или изменения ориентации в пространстве проекционного устройства 1. В частном случае реализации системы (и. 22 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может использоваться устройство, которое контролируемо изменяет расстояние между решетками 7 и 8 в продольном направлении или осуществляет сближение или удаление решеток 7 и 8 в этом направлении с заданной скоростью. Дополнительно может иметься устройство для поступательного перемещения по меньшей мере одной из решеток 7 и 8 в ее плоскости в направлении координаты х, что приводит к изменению фазы квазипериодической муаровой структуры, формируемой проекционным устройством 1 (и. 23 формулы изобретения). Устройства, которые в разных частных случаях реализации системы могут осуществлять перемещение и вращение объекта 5, перемещение решеток 7 и 8, на фигурах не показаны. Устройства, с помощью которых осуществляется изменение взаимного положения и ориентации проекционного устройства 1 и объекта 5, также изменение положения отдельных элементов проекционного устройства 1 общеизвестны и коммерчески доступны [44 - 47]. Система дальнометрии и профилометрии также содержит по меньшей мере одно устройство, предназначенное для измерения величины изменения положения и/или ориентации по меньшей мере одного предмета из набора, включающего объект 5, проекционное устройство 1, решетки 7 и 8. Такие устройства общеизвестны и коммерчески доступны [44 - 46, 48]. В частном случае устройство для осуществления перемещения и/или изменения ориентации элементов системы или объекта 5 и устройство измерения величин их перемещения, а также углов их поворота могут быть объединены в одном устройстве или являться одним устройством. The range-finding and profilometry system includes at least one device intended for the movement and/or change of orientation of the LM of the structure and object 5 relative to each other. In Fig. 1 and Fig. 2, thick arrows show the directions of possible translational movements and rotations of the elements of the range-finding and profilometry system and object 5 in different particular cases of implementing the method and system. In the particular case (and. 20 of formula (a) a device may be used which changes the distance between the projection device 1 and the object 5 by means of translational movement of the projection device 1 and/or the object 5. In particular, the projection device 1 and the object 5 may be brought closer or further apart at a given speed. In a particular case (clause 21 of the claims), devices for rotating the projection device 1 and/or the object 5 may be used to change the relative position of the LM of the structure and the object 5. As an example, Fig. 1 schematically shows a device 10 intended for moving and/or changing the orientation in space of the projection device 1. In a particular case of implementing the system (clause 22 of the claims), a device may be used in the projection device 1 which controllably changes the distance between the gratings 7 and 8 in the longitudinal direction or brings the gratings 7 and 8 closer or further apart in this direction at a given speed. Additionally, there may be a device for translational movement of at least one of the gratings 7 and 8 in its plane in the direction of the x coordinate, which leads to a change in the phase of the quasi-periodic moire structure formed by the projection device 1 (Article 23 of the invention formula). The devices that in different particular cases of the implementation of the system can implement the movement and rotation of the object 5, the movement of the gratings 7 and 8, are not shown in the figures. The devices with the help of which the change in the relative position and orientation of the projection device 1 and the object 5 is carried out, as well as the change in the position of individual elements of the projection device 1 are well known and commercially available [44 - 47]. The rangefinding and profilometry system also contains at least one device intended for measuring the amount of change in the position and/or orientation of at least one item from the set including the object 5, the projection device 1, the gratings 7 and 8. Such devices are well known and commercially available [44 - 46, 48]. In a particular case, the device for moving and/or changing the orientation of elements of a system or object 5 and the device for measuring the values of their movement, as well as the angles of their rotation, can be combined in one device or be one device.

Устройство регистрации изображений 2 предназначено для регистрации изображения по меньшей мере одно объекта 5 (см. фиг. 1). Устройством регистрации изображений 2 может являться, например, телекамера или фотокамера. Датчиком изображений 11 в устройстве регистрации изображений 2 служит, например, ПЗС (прибор с зарядовой связью) или КМОП (комплементарная структура металл-оксид- полупроводник) матрица. Объектив 12 проецирует падающий на него свет на датчик изображений 11 устройства регистрации изображений 2 (см. фиг. 1 и 3). Предпочтительно предварительно провести калибровку устройства регистрации изображений 2 известными методами, например, с помощью шаблона в виде шахматной доски [19, 49]. Устройство регистрации изображений 2 может быть неподвижным или оно может перемещаться поступательно и вращаться. Для перемещения и вращения устройства регистрации изображений 2, а также определения его положения и ориентации используются общеизвестные устройства (на фигурах не показаны). В частном случае, по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2 может быть жестко связанно с проекционным устройством 1, тогда оно перемещается и поворачивается вместе с ним. В частном случае (и. 24 формулы изобретения) оптическая ось устройства регистрации изображений 2 параллельна продольной оси проекционного устройства 1. The image recording device 2 is intended for recording an image of at least one object 5 (see Fig. 1). The image recording device 2 may be, for example, a television camera or a photo camera. The image sensor 11 in the image recording device 2 is, for example, a CCD (charge-coupled device) or CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) matrix. Objective 12 projects light incident on it onto image sensor 11 of image recording device 2 (see Figs. 1 and 3). Preferably, image recording device 2 is pre-calibrated using known methods, for example, using a checkerboard-shaped template [19, 49]. Image recording device 2 can be stationary or it can move translationally and rotate. Well-known devices (not shown in the figures) are used to move and rotate image recording device 2, as well as to determine its position and orientation. In a particular case, at least one image recording device 2 can be rigidly connected to projection device 1, then it moves and rotates together with it. In a particular case (clause 24 of the invention formula), the optical axis of image recording device 2 is parallel to the longitudinal axis of projection device 1.

Вычислительное устройство 3 предназначено для расчета расстояния до точек поверхности объекта 5 и их координат, а также формы поверхности объекта 5 на основе изображений, полученных устройством регистрации изображений 2. Вычислительное устройство 3 представляет собой, например, компьютер или мобильное вычислительное устройство. Вычислительное устройство 3 кроме хранения и обработки информации, полученной от устройства регистрации изображений 2, осуществляет обработку и хранение данных, полученных от других устройств системы, а также управление устройствами системы и их элементами. В частности, оно может осуществлять обработку и хранение данных о величинах перемещения, скоростях движения и углах поворота проекционного устройства 1, устройства регистрации изображений 2, объекта 5, решеток 7 и 8, которые поступают с устройств, регистрирующих эти величины. The computing device 3 is intended for calculating the distance to the points of the surface of the object 5 and their coordinates, as well as the shape of the surface of the object 5 based on the images obtained by the image recording device 2. The computing device 3 is, for example, a computer or a mobile computing device. The computing device 3, in addition to storing and processing the information received from the image recording device 2, processes and stores the data received from other devices of the system, as well as controls the devices of the system and their elements. In particular, it can process and store data on the displacement values, movement speeds and rotation angles of the projection device 1, the image recording device 2, the object 5, the gratings 7 and 8, which are received from the devices recording these values.

Амплитудные коэффициенты пропускания решеток 7 и 8, которые установлены в проекционном устройстве 1, в общем случае могут быть комплексными. В частном случаем реализации системы (и. 25 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 установлена по меньшей мере одна решетка, имеющая действительный положительный амплитудный коэффициент пропускания, которая называется амплитудной решеткой. В частном случае (и. 26 формулы изобретения) по меньшей мере одна решетка, установленная в проекционном устройстве 1, является 1D амплитудной решеткой с синусоидальной зависимостью величины изменения амплитудного коэффициента пропускания от координаты х (см. фиг. 5(a)) [37, 50, 51]. Такую решетку будем называть амплитудной решеткой с синусоидальным пропусканием. В другом частном случае (п. 27 формулы изобретения) по меньшей мере одна решетка может быть 1D амплитудной решеткой, которая имеет бинарную зависимость коэффициента пропускания от поперечной координаты, например, представляет собой периодически чередующиеся вдоль координаты х прозрачные и непрозрачные параллельные прямоугольные полосы, которые имеют резкие границы (см. фиг. 5(6)) [31, 32, 41, 42, 44, 52, 53]. Такие решетки также называются периодическими бинарными растрами. Достоинством использования в проекционном устройстве периодических бинарных растров является простота и невысокая стоимость изготовления этих решеток, их коммерческая доступность [44, 48, 53]. В другом частном случае (и. 28 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может использоваться по меньшей мере одна фазовая решетка, т.е. решетка с периодической зависимостью фазы амплитудного коэффициента пропускания от поперечной координаты и постоянным модулем этого коэффициента [52, 54]. В качестве еще одной альтернативы в проекционном устройстве можно использовать по меньшей мере одну решетку, объединяющую в себе амплитудную и фазовую решетку [52, 55, 56]. Амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые решетки изготавливаются известными фотографическими, голографическими, литографическими, печатными и другими методами. Решетки некоторых упомянутых типов коммерчески доступны [44, 48, 54]. В частном случае (и. 29 формулы изобретения) в проекционном устройстве 1 может быть использована по меньшей мере одна решетка, характеристики которой можно изменять. Например, по меньшей мере одной из решеток, установленных в оптическом проекционном устройстве 1, может быть амплитудный бинарный растр, у которого коэффициент заполнения и/или период можно изменять. В частном случае (и. 30 формулы изобретения) для формирования по меньшей мере одной из решеток, установленных в проекционном устройстве 1, может быть использован пространственный модулятор света [57 - 59]. The amplitude transmittances of the gratings 7 and 8, which are installed in the projection device 1, can generally be complex. In a particular case of the implementation of the system (clause 25 of the invention formula), at least one grating is installed in the projection device 1, which has a real positive amplitude transmittance, which is called an amplitude grating. In a particular case (clause 26 of the invention formula), at least one grating installed in the projection device 1 is a 1D amplitude grating with a sinusoidal dependence of the magnitude of the change in the amplitude coefficient transmission from the x-coordinate (see Fig. 5(a)) [37, 50, 51]. Such a grating will be called an amplitude grating with sinusoidal transmission. In another particular case (clause 27 of the formula of the invention), at least one grating can be a 1D amplitude grating, which has a binary dependence of the transmission coefficient on the transverse coordinate, for example, it is periodically alternating transparent and opaque parallel rectangular stripes along the x-coordinate, which have sharp boundaries (see Fig. 5(6)) [31, 32, 41, 42, 44, 52, 53]. Such gratings are also called periodic binary rasters. The advantage of using periodic binary rasters in a projection device is the simplicity and low cost of manufacturing these gratings, their commercial availability [44, 48, 53]. In another particular case (clause 28 of the formula of the invention), at least one phase grating may be used in the projection device 1, i.e. a grating with a periodic dependence of the phase of the amplitude transmittance coefficient on the transverse coordinate and a constant modulus of this coefficient [52, 54]. As yet another alternative, at least one grating may be used in the projection device, which combines an amplitude and a phase grating [52, 55, 56]. Amplitude, phase and amplitude-phase gratings are produced by known photographic, holographic, lithographic, printing and other methods. Gratings of some of the mentioned types are commercially available [44, 48, 54]. In a particular case (clause 29 of the formula of the invention), at least one grating, the characteristics of which can be changed, may be used in the projection device 1. For example, at least one of the gratings installed in the optical projection device 1 may be an amplitude binary raster, the fill factor of which and/or period can be changed. In a particular case (clause 30 of the invention formula), a spatial light modulator may be used to form at least one of the gratings installed in the projection device 1 [57 - 59].

Проекционное устройство 1 в частном случае его реализации (и. 31 формулы изобретения), когда первая решетка 7 и вторая решетка 8 являются 1D амплитудными решетками, работает следующим образом. Свет, излучаемый осветителем 6, проходит сначала через первую решетку 7, затем через вторую решетку 8. При прохождении света через амплитудную решетку, происходит пространственная модуляция его интенсивности, поэтому за каждой из решеток 7 и 8 наблюдаются периодические полосы света и тени. При освещении решетки некогерентным светом от протяженного источника или диффузным светом контраст полос света и тени уменьшается по мере удаления от решетки в продольном направлении. Это происходит потому, что при широком угловом спектре света, падающего на решетку, полосы света и тени, которые возникают после прохождения через нее плоских световых волн, распространяющихся под разными углами к ее поверхности, «перемешиваются» на некотором расстоянии за решеткой. На достаточно большом расстоянии от решетки интенсивность света становится почти постоянной в пространстве. Однако существуют плоскости, параллельные плоскостям решеток 7 и 8 и удаленные от них в продольном направлении на известные расстояния, в окрестности которых проекционное устройство 1 может сформировать световые муаровые структуры, представляющие собой периодические в пространстве области света и тени [25 - 28, 31 - 33, 60 - 63]. Проекция этих световых муаровых структур на плоскость, параллельную плоскостям решеток, имеет вид периодических светлых и темных полос, которые направлены вдоль оси у (см. фиг. 2). Формирование локализованной муаровой структуры может быть интерпретировано, в частности, как эффект теневого эха [60, 62, 63], которое является частным случаем модуляционного эха [61]. Муаровые структуры, формируемые двухрешеточным проекционным устройством с 1D решетками, обозначаются двумя индексами (N,M) (см. п. 4 формулы изобретения), где N и М - натуральные числа. Расстояние от плоскости выходной решетки 8 проекционного устройства 1 до плоскости, где контраст муаровой структуры (N,M) максимален, вычисляют по формуле

Figure imgf000016_0001
где RNM = Mp. Np2 > 1 , р1 и p2 - пространственные периоды первой и второй решетки соответственно [27, 31, 33, 64, 65]. Координата плоскости, где контраст муаровой структуры (N,M) имеет наибольшую величину, равна z = zNM (см. фиг. 1, фиг. 3 и фиг. The projection device 1 in the particular case of its implementation (clause 31 of the invention formula), when the first grating 7 and the second grating 8 are 1D amplitude gratings, operates as follows. The light emitted by the illuminator 6 passes first through the first grating 7, then through the second grating 8. When the light passes through the amplitude grating, its intensity is spatially modulated, therefore, periodic bands are observed behind each of the gratings 7 and 8 light and shadow. When the grating is illuminated by incoherent light from an extended source or by diffuse light, the contrast of the light and shadow bands decreases with distance from the grating in the longitudinal direction. This occurs because, with a wide angular spectrum of light falling on the grating, the light and shadow bands that arise after plane light waves propagating at different angles to its surface pass through it “mix” at some distance behind the grating. At a sufficiently large distance from the grating, the light intensity becomes almost constant in space. However, there are planes parallel to the planes of gratings 7 and 8 and located from them in the longitudinal direction at known distances, in the vicinity of which projection device 1 can form light moire structures that are periodic in space regions of light and shadow [25–28, 31–33, 60–63]. The projection of these light moire structures onto a plane parallel to the planes of the gratings has the form of periodic light and dark stripes that are directed along the y axis (see Fig. 2). The formation of a localized moire structure can be interpreted, in particular, as a shadow echo effect [60, 62, 63], which is a special case of a modulation echo [61]. The moire structures formed by a two-grating projection device with 1D gratings are designated by two indices (N, M) (see paragraph 4 of the formula of the invention), where N and M are natural numbers. The distance from the plane of the output grating 8 of the projection device 1 to the plane where the contrast of the moire structure (N, M) is maximum is calculated using the formula
Figure imgf000016_0001
where R NM = Mp. Np 2 > 1 , p 1 and p 2 are the spatial periods of the first and second gratings, respectively [27, 31, 33, 64, 65]. The coordinate of the plane where the contrast of the moire structure (N, M) has the greatest value is z = z NM (see Fig. 1, Fig. 3 and Fig.

4 (а, б)), где zNU = Ц +LNM = —

Figure imgf000016_0002
• Зависимость интенсивности света от координаты х 1 NM вблизи плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (N,M) z = zNM описывается периодической функцией, пространственный период PNM которой вычисляют по формуле [27, 31, 33, 64, 65]
Figure imgf000016_0003
Контраст муаровой структуры (N,M) вычисляют по формуле
Figure imgf000017_0001
где и I . - максимальное и минимальное значение интенсивности света в плоскости z = const [64, 66]. Расстояние в направлении оси х между точками, в которых определяются величины /тах и Zmin , равно где п - натуральное число,
Figure imgf000017_0002
включая ноль. Пространственное распределение интенсивности света в плоскости у = О недалеко от линии z = zNM условно изображено на фиг. 3 и 4 и обозначено цифрой 9. Глубину резкости муаровой структуры (N,M) будем обозначать LNM . Глубина резкости ALVW равна удвоенному значению длины, при удалении на которую в продольном направлении от плоскости z = zNM контраст муаровой структуры (N,M) уменьшается в два раза по сравнению со значением ее контраста в плоскости z = zNM . Проекционное устройство 1 в варианте его реализации, предлагаемом в изобретении, формирует световые муаровые структуры, которые достаточно сильно локализованы в продольном направлении. Локальность муаровой структуры (N,M~) означает, что ее глубина резкости A6W значительно меньше расстояния от проекционного устройства 1 до плоскости, на которой контраст этой муаровой структуры имеет наибольшее значение ALNM « LNM . Конкретно будем полагать, что у локализованной муаровой структуры (N,M) относительная глубина резкости ЛМ ^NM должна быть по крайней мере меньше 0,25. 4 (a, b)), where z NU = Ц +L NM = —
Figure imgf000016_0002
• The dependence of the light intensity on the coordinate x 1 NM near the plane of greatest contrast of the moire structure (N,M) z = z NM is described by a periodic function, the spatial period P NM of which is calculated using the formula [27, 31, 33, 64, 65]
Figure imgf000016_0003
The contrast of the moire structure (N,M) is calculated using the formula
Figure imgf000017_0001
where I and I are the maximum and minimum values of light intensity in the plane z = const [64, 66]. The distance in the direction of the x-axis between the points at which the quantities I max and Z min are determined is where n is a natural number,
Figure imgf000017_0002
including zero. The spatial distribution of the light intensity in the plane y = 0 near the line z = z NM is conventionally depicted in Figs. 3 and 4 and designated by the number 9. The depth of field of the moire structure (N, M) will be designated by L NM . The depth of field AL VW is equal to the doubled value of the length at which, when removed in the longitudinal direction from the plane z = z NM , the contrast of the moire structure (N, M) decreases by half compared to the value of its contrast in the plane z = z NM . The projection device 1 in the embodiment of its implementation proposed in the invention forms light moire structures that are sufficiently strongly localized in the longitudinal direction. The locality of the moire structure (N, M~) means that its depth of field A6 W is significantly less than the distance from the projection device 1 to the plane on which the contrast of this moire structure has the greatest value AL NM « L NM . Specifically, we will assume that for a localized moire structure (N,M) the relative depth of field LM ^ NM should be at least less than 0.25.

^NM ^NM

Анализ характеристик муаровых структур, формируемых проекционным устройством в разных частных случаях реализации этого устройства, рассмотрение условий, при которых могут формироваться локализованные муаровые структуры, оценка точности предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии, а также ряда других его характеристик будут проведены после описания частных случаев реализации способа. An analysis of the characteristics of moire structures formed by a projection device in various particular cases of the implementation of this device, consideration of the conditions under which localized moire structures can be formed, an assessment of the accuracy of the proposed method of rangefinding and profilometry, as well as a number of its other characteristics will be carried out after a description of particular cases of the implementation of the method.

Способ в частном случае его реализации для измерения расстояния до по крайней мере одной заданной точки 13 поверхности объекта 5 (см. фиг. 1) и координат этой точки осуществляется следующим образом. Поверхность объекта 5 освещают светом, излучаемым проекционным устройством 1. В проекционном устройстве 1 используют элементы, в частности, решетки 7 и 8, с такими параметрами, чтобы возникала по меньшей мере одна локализованная муаровая структура. В частности, по п. 5 формулы изобретения для реализации способа может быть использована по меньшей мере одна из ЛМ структур: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) и (3,1). Предпочтительно использовать для измерений ЛМ структуры с достаточно высоким контрастом, например, по и. 6 формулы изобретения наибольшее значение контраста ЛМ структуры превышает величину 0,2. По и. 7 формулы изобретения одним проекционным устройством может одновременно формироваться несколько ЛМ структур. Для упрощения дальнейшего описания способа дальнометрии и профилометрии будем считать, что, если не указано обратное, на поверхность объекта 5 проецируют одну ЛМ структуру, индекс (N,M) которой известен. Обычно по меньшей мере одно устройство регистрации изображений 2 фокусируют приблизительно на плоскость наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Предпочтительно, во-первых, чтобы глубина резкости объектива 12 устройства регистрации изображений 2 была по крайней мере в два раза больше, чем глубина резкости муаровой структуры (7V,A7); во-вторых, чтобы ширина ЛМ структуры (N,M), используемой для измерений, D^M (см. фиг. 4 (а, б) превосходила период муаровой структуры PNM по меньшей мере в два раза. Если ширина проекции на плоскость = const контролируемой части поверхности объекта 5 значительно больше, чем период PNM используемой ЛМ структуры, а также тангенс угла между поверхностью объекта и плоскостью z = zNM в областях их пересечения меньше, чем

Figure imgf000018_0001
, то проекция 4 ЛМ ^NM структуры на поверхность объекта 5 имеет вид области или нескольких областей, в пределах которых наблюдаются квазипериодические по координате х светлые и темные полосы (см. фиг. 1). Форма области на поверхности объекта 5, где проекция 4 ЛМ структуры имеет относительно высокий контраст, зависит от формы поверхности объекта 5 и глубины резкости муаровой структуры (N,M). Плоскость z = zNM , где контраст муаровой структуры (N,M) является наибольшим, пересекается с поверхностью объекта 5 по плоской линии, которую будем называть изолинией наибольшего контраста ЛМ структуры. Например, с плоскими поверхностями плоскость z = zNM пересекается по отрезкам прямых линий (они показаны штрих-пунктирными линиями 14 на фиг. 1), со сферическими поверхностями - по кругу или по дуге окружности. Изображение поверхности объекта 5, освещаемой проекционным устройством 1, регистрируют устройством регистрации изображений 2. Используя вычислительное устройство 3, определяют зависимость контраста квазипериодического в направлении оси х изменения яркости изображения объекта 5 от 2D координат на изображении. Для вычисления контраста используют известные математические методы обработки изображений. В частности, может быть использован Фурье или вейвлет анализ изображений, интерполяция пространственного распределения изменения яркости изображения периодической или квазипериодической функцией, например, синусоидой или вейвлетом. Также может быть применен известный метод пошагового сдвига фазы полос периодической световой структуры, которая освещает эту поверхность [2, 19]. Сдвиг фазы муаровой структуры, которую проецируют на поверхность объекта 5, осуществляют, например, путем поперечного смещения в направлении оси х проекционного устройства 1 или по и. 23 формулы изобретения путем смещения в направлении оси х одной из установленных в нем решеток. Используя результаты вычисления распределения величины контраста изображения поверхности объекта 5, на который спроецирована ЛМ структура (N,M), находят положение изолинии наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Для определения координат заданной точки 13 поверхности объекта 5, изолинию наибольшего контраста проекции 4 ЛМ структуры совмещают с этой точкой. Это осуществляют, в частности, следующими способами: The method, in a particular case of its implementation, for measuring the distance to at least one given point 13 of the surface of object 5 (see Fig. 1) and the coordinates of this point is carried out as follows. The surface of object 5 is illuminated with light emitted by projection device 1. In projection device 1, elements are used, in particular, gratings 7 and 8, with such parameters that a at least one localized moire structure. In particular, according to claim 5 of the formula of the invention, at least one of the LM structures can be used to implement the method: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) and (3,1). It is preferable to use structures with a sufficiently high contrast for the LM measurements, for example, according to claim 6 of the formula of the invention, the highest contrast value of the LM structure exceeds 0.2. According to claim 7 of the formula of the invention, several LM structures can be simultaneously formed by one projection device. To simplify the further description of the rangefinding and profilometry method, we will assume that, unless otherwise stated, one LM structure, the index (N,M) of which is known, is projected onto the surface of the object 5. Usually, at least one image recording device 2 is focused approximately on the plane of the greatest contrast of this LM structure. It is preferable, firstly, that the depth of field of the objective 12 of the image recording device 2 be at least twice as large as the depth of field of the moire structure (7V, A7); secondly, that the width of the LM structure (N, M) used for measurements, D^ M (see Fig. 4 (a, b) exceeds the period of the moire structure P NM by at least twice. If the width of the projection onto the plane = const of the controlled part of the surface of the object 5 is significantly greater than the period P NM of the LM structure used, and also the tangent of the angle between the surface of the object and the plane z = z NM in the areas of their intersection is less than
Figure imgf000018_0001
, then the projection of the 4 LM ^ NM structure onto the surface of the object 5 has the form of a region or several regions within which light and dark stripes that are quasi-periodic in the x coordinate are observed (see Fig. 1). The shape of the region on the surface of the object 5, where the projection of the 4 LM structure has a relatively high contrast, depends on the shape of the surface of the object 5 and the depth of field of the moire structure (N, M). The plane z = z NM , where the contrast of the moire structure (N, M) is the greatest, intersects the surface of the object 5 along a flat line, which we will call the isoline of the greatest contrast of the LM structure. For example, the plane z = z NM intersects flat surfaces along segments of straight lines (they are shown by dashed-dotted lines 14 in Fig. 1), and with spherical surfaces - along a circle or an arc of a circle. The image of the surface of object 5, illuminated by projection device 1, is recorded by image recording device 2. Using computing device 3, the dependence of the contrast of the quasi-periodic change in the brightness of the image of object 5 in the direction of the x-axis on the 2D coordinates in the image is determined. Known mathematical methods for image processing are used to calculate the contrast. In particular, Fourier or wavelet analysis of images, interpolation of the spatial distribution of the change in the brightness of the image by a periodic or quasi-periodic function, for example, a sinusoid or a wavelet, can be used. A known method of step-by-step shifting of the phase of the bands of a periodic light structure that illuminates this surface can also be applied [2, 19]. The phase shift of the moire structure that is projected onto the surface of object 5 is carried out, for example, by transverse shifting in the direction of the x-axis of the projection device 1 or, according to clause 23 of the claims, by shifting in the direction of the x-axis one of the gratings installed in it. Using the results of calculating the distribution of the contrast value of the image of the surface of object 5 onto which the LM structure (N, M) is projected, the position of the isoline of the greatest contrast of this LM structure is found. To determine the coordinates of a given point 13 of the surface of object 5, the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of the LM structure is combined with this point. This is done, in particular, in the following ways:

1. Путем изменения расстояния между проекционным устройством 1 и объектом 5, например, путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 в продольном направлении (и. 8 формулы изобретения). 1. By changing the distance between the projection device 1 and the object 5, for example, by progressively moving the projection device 1 in the longitudinal direction (Article 8 of the invention formula).

2. Путем поворота проекционного устройства 1 и/или объекта 5 (и. 9 формулы изобретения). 2. By rotating the projection device 1 and/or object 5 (item 9 of the invention formula).

3. Изменяя расстояние LNM от проекционного устройства 1 до плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (и. 10 формулы изобретения), например, путем изменения расстояния между решетками 7 и 8 (см. и. 11 формулы изобретения) или пространственного периода по меньшей мере одной из них (см. и. 12 формулы изобретения). 3. By changing the distance L NM from the projection device 1 to the plane of greatest contrast of the moire structure (clause 10 of the invention formula), for example, by changing the distance between gratings 7 and 8 (see clause 11 of the invention formula) or the spatial period of at least one of them (see clause 12 of the invention formula).

Можно использовать комбинацию двух или трех указанных выше методов перемещения проекции 4 ЛМ структуры и изолинии ее наибольшего контраста по объекту 5. Перемещение осуществляют до тех пор, пока изолиния наибольшего контраста не пройдет через заданную точку 13 поверхности объекта 5. Расстояние в продольном направлении LNM от плоскости второй решетки 8 проекционного устройства 1 до изолинии наибольшего контраста ЛМ структуры (N,M) вычисляют по формуле (1). Продольная координата заданной точки 13 в системе координат, связанной с проекционным устройством 1 , равна - + LNM . При этом положении изолиния наибольшего контраста ЛМ структуры определяют поперечные координаты точки 13, используя измеренные значения координат этой точки на изображении поверхности объекта 5 и результаты калибровки устройства регистрации изображений 2 [19, 49]. В удобном и простом для обработки частном случае, когда, во-первых, согласно и. 24 формулы изобретения, оптическая ось устройства регистрации изображений 2 параллельна оптической оси проекционного устройства 1 и, во-вторых, координаты объектива 12 устройства регистрации изображений 2 в системе координат, связанной с проекционным устройством 1, фиксированы и равны = 0 , у = У , z = Lc (см. фиг. 1 и фиг. 3), тогда координаты х и у точек на поверхности объекта 5, принадлежащих в плоскости z = zNM , вычисляют по формулам

Figure imgf000020_0001
где F - фокальное расстояние объектива 12 устройства регистрации изображений 2, хс и ус - координаты изображений этих точек на поверхности датчика изображений 11 , LCNM - расстояние от объектива 12 устройства регистрации изображений 2 до плоскости z = zNM , которое равно LCNM - LNM + 1^ -1^ (см. фиг. 3). Координаты заданной точки 13 на поверхности объекта 5 в глобальной системе координат х' , у' , z определяют, с помощью вычислительного устройства 3, на основании полученные данных об ее координатах в системе координат х, у и z, связанной с проекционным устройством 1 , а также данных о положении и ориентации проекционного устройства 1 в глобальной системе координат. It is possible to use a combination of two or three of the above-mentioned methods for moving the projection 4 of the LM structure and the isoline of its greatest contrast along the object 5. The movement is carried out until the isoline of greatest contrast passes through a given point 13 of the surface of the object 5. The distance in the longitudinal direction L NM from the plane of the second grating 8 of the projection device 1 to the isoline of greatest contrast of the LM structure (N,M) is calculated using formula (1). The longitudinal coordinate of the given point 13 in the coordinate system associated with the projection device 1 is equal to - + L NM . In this position, the isoline of the greatest contrast of the LM structure determines the transverse coordinates of the point 13 using the measured values of the coordinates of this point on the image of the surface of the object 5 and the results of calibration of the image recording device 2 [19, 49]. In a convenient and easy-to-process particular case, when, firstly, according to clause 24 of the formula of the invention, the optical axis of the image recording device 2 is parallel to the optical axis of the projection device 1 and, secondly, the coordinates of the lens 12 of the image recording device 2 in the coordinate system associated with the projection device 1 are fixed and equal to = 0 , y = Y , z = L c (see Fig. 1 and Fig. 3), then the coordinates x and y of the points on the surface of the object 5, belonging to the plane z = z NM , are calculated using the formulas
Figure imgf000020_0001
where F is the focal length of the objective 12 of the image recording device 2, xc and yc are the coordinates of the images of these points on the surface of the image sensor 11, LCNM is the distance from the objective 12 of the image recording device 2 to the plane z = zNM , which is equal to LCNM - LNM + 1^ -1^ (see Fig. 3). The coordinates of a given point 13 on the surface of the object 5 in the global coordinate system x', y', z are determined, using the computing device 3, on the basis of the obtained data on its coordinates in the coordinate system x, y and z associated with the projection device 1, as well as data on the position and orientation of the projection device 1 in the global coordinate system.

Особенность предлагаемого способа в частном случае его реализации для измерения формы объекта состоит в том, что изолинию наибольшего контраста проекции 4 по меньшей мере одной ЛМ структуры перемещают по всей контролируемой или доступной для измерения части поверхности объекта 5. При каждом положении проекции 4 ЛМ структуры изображение поверхности объекта 5 регистрируют устройством регистрации изображений 2. Обработку полученных изображений и управление перемещением проекции 4 ЛМ структуры по поверхности объекта 5 осуществляют с помощью вычислительного устройства 3. Вычислительное устройство 3 путем обработки изображений поверхности объекта 5, полученных устройством регистрации 2 при разных положениях проекции 4 ЛМ структуры, определяет продольные и поперечные координаты множества точек контролируемой части поверхности объекта 5. Определение координат каждой из множества точек поверхности объекта 5 производится также как в описанном выше частном случае реализации способа для измерения координат одной заданной точки 13 объекта. Для уменьшения времени измерения, а также времени и трудоемкости обработки их результатов по и. 13 формулы изобретения предпочтительно, чтобы при каждом положении проекции 4 ЛМ структуры на поверхности объекта 5 определялись и запоминались вычислительным устройством координаты множества точек поверхности объекта 5, находящихся на изолинии наибольшего контраста этой ЛМ структуры. Предлагаемый способ позволяет измерять форму негладких поверхностей, поверхностей с разрывами и резкими изменениями высоты, форму и расстояния до нескольких объектов, не затеняющих друг друга от света проекционного устройства. The peculiarity of the proposed method in the particular case of its implementation for measuring the shape of an object is that the isoline of the greatest contrast of the projection 4 of at least one LM structure is moved along the entire controlled or measurable part of the surface of the object 5. At each position of the projection 4 of the LM structure, the image of the surface of the object 5 is recorded by the image recording device 2. The processing of the obtained images and control of the movement of the projection 4 of the LM structure along the surface of the object 5 are carried out using a computing device 3. The computing device 3, by processing the images of the surface of the object 5 obtained by the recording device 2 at different positions of the projection 4 of the LM structure, determines the longitudinal and transverse coordinates of the plurality of points of the controlled part of the surface of the object 5. The determination of the coordinates of each of the plurality of points of the surface of the object 5 is carried out in the same way as in the above-described particular case of implementing the method for measuring the coordinates of one specified point 13 of the object. In order to reduce the measurement time, as well as the time and labor intensity of processing their results according to clause 13 of the formula of the invention, it is preferable that at each position of the projection 4 of the LM structure on the surface of the object 5, the coordinates of the plurality of points of the surface of the object 5 located on the isoline of the greatest contrast of this LM structure are determined and stored by the computing device. The proposed method makes it possible to measure the shape of unsmooth surfaces, surfaces with discontinuities and sharp changes in height, the shape and distances to several objects that do not shade each other from the light of the projection device.

Рассмотрим применение способа для измерения формы части поверхности объекта 5 на примере, когда сканирование проекции 4 ЛМ структуры по поверхности объекта 5 осуществляется путем поступательного перемещения проекционного устройства 1 в продольном направлении навстречу объекту 5. Предпочтительно вначале совместить изолинию наибольшего контраста ЛМ структуры с областью объекта 5, ближайшей в продольном направлении к проекционному устройству 1. Проекционное устройство 1 с помощью устройства перемещения 10 пошагово приближают в продольном направлении к объекту 5. При каждом шаге расстояние в продольном направлении между проекционным устройством 1 и объектом 5 уменьшают на фиксированную величину Д/ , значение которой меньше ALWM , например, А/ = 0,1- ALW . При этом изолиния наибольшего контраста проекции 4 муаровой структуры также перемещается по поверхности объекта. Расстояние Az от ближней к проектору области объекта 5 до плоскости наибольшего контраста муаровой структуры при перемещении на т шагов будет равно Az = т • А/ . Сближение проекционного устройства 1 и объекта 5 также может быть непрерывным с постоянной скоростью V , при этом время регистрации одного изображения должно быть много меньше величины ALW /V . В этом случае Az вычисляют по формуле Az = V -(t-t0), где t - время, t0 - момент времени, когда изолиния наибольшего контраста совпадала с ближайшей к проектору областью объекта. Изображение поверхности объекта 5 на каждом шаге или в последовательные моменты времени t регистрируют устройством регистрации изображений 2. Путем обработки вычислительным устройством 3 изображения, полученного устройством регистрации 2 на шаге т или в момент времени t , определяют поперечные координаты х и у точек поверхности объекта 5, расположенных на изолинии наибольшего контраста проекции ЛМ структуры при этом значении Az . Обрабатывая изображения поверхности объекта 5, которые были зарегистрированы при разном расстоянии в продольном направлении от проекционного устройства 1 до объекта 5, рассчитывают изолинии (x,Az) для разных значений Az , и на основании этих данных вычисляют форму поверхности объекта Az(x, у) • Let us consider the application of the method for measuring the shape of a part of the surface of object 5 using an example where the scanning of projection 4 of the LM structure over the surface of object 5 is carried out by progressively moving projection device 1 in the longitudinal direction towards object 5. It is preferable to first align the isoline of the greatest contrast of the LM structure with the region of object 5 that is closest in the longitudinal direction to projection device 1. Projection device 1 is brought step by step in the longitudinal direction to object 5 using movement device 10. At each step, the distance in the longitudinal direction between projection device 1 and object 5 is reduced by a fixed value Δ/ , the value of which is less than AL WM , for example, Δ/ = 0.1 - AL W . In this case, the isoline of the greatest contrast of projection 4 of the moire structure also moves over the surface of the object. The distance Az from the area of object 5 closest to the projector to the plane of greatest contrast of the moire structure when moving by t steps will be equal to Az = t • A/ . The approach of the projection device 1 and object 5 can also be continuous at a constant speed V , while the time of recording one image should be much less than the value of AL W /V . In this case, Az is calculated using the formula Az = V - (tt 0 ), where t is the time, t 0 is the moment in time when the isoline of greatest contrast coincided with the area closest to the projector object. The image of the surface of object 5 at each step or at successive moments of time t is recorded by image recording device 2. By processing the image obtained by recording device 2 at step t or at moment of time t by computing device 3, the transverse coordinates x and y of the points of the surface of object 5 located on the isoline of the greatest contrast of the projection of the LM structure at this value of Az are determined. By processing the images of the surface of object 5, which were recorded at different distances in the longitudinal direction from projection device 1 to object 5, the isolines (x, Az) are calculated for different values of Az, and on the basis of this data the shape of the surface of the object Az(x, y) is calculated.

Использование нескольких ЛМ структур с разными индексами (N, М), формируемых по и. 7 формулы изобретения одним проекционным устройством, позволяет расширить диапазон измерений расстояний и координат, а также уменьшить время, необходимое для измерения формы поверхности объекта. Осуществление способа с использованием нескольких муаровых структур будет аналогичным описанному выше осуществлению способа в случае одной ЛМ структуры. В случае использования нескольких ЛМ структур предпочтительно использовать несколько устройств регистрации изображений, каждое из которых сфокусировано на плоскость наибольшего контраста одной из ЛМ структур. В том случае, когда на поверхность объекта проецируют сразу несколько ЛМ структур или одну ЛМ структуру, индекс которой (N,M) заранее неизвестен, нужно различать изображения проекций муаровых структур с разным индексами (N,M) или определять значения индексов (N,M) по изображению, которое регистрируется устройством регистрации изображений. Изображения проекций муаровых структур с разными индексами (N,M) можно различать, например, по их периодам, по величине их контраста, по порядку расположения в продольном направлении. The use of several LM structures with different indices (N, M), formed according to clause 7 of the invention formula by one projection device, makes it possible to expand the range of distance and coordinate measurements, and to reduce the time required to measure the shape of the object surface. The implementation of the method using several moire structures will be similar to the implementation of the method described above in the case of one LM structure. In the case of using several LM structures, it is preferable to use several image recording devices, each of which is focused on the plane of greatest contrast of one of the LM structures. In the case when several LM structures or one LM structure, the index of which (N, M) is not known in advance, are projected onto the surface of the object, it is necessary to distinguish between the images of the projections of the moire structures with different indices (N, M) or to determine the values of the indices (N, M) from the image that is recorded by the image recording device. The images of the projections of the moire structures with different indices (N, M) can be distinguished, for example, by their periods, by the value of their contrast, by the order of their arrangement in the longitudinal direction.

Размер области поверхности объекта 5, в пределах которой измеряется его форма, можно увеличить, если после сканирования доступной для измерений части поверхности объект 5 повернуть на известный угол, например, вокруг оси, перпендикулярной оси z. Это позволит осветить проекционным устройством 1 недоступный ранее участок поверхности объекта 5 и затем просканировать его, по меньшей мере, одной ЛМ структурой 4. Также можно увеличить размер области поверхности объекта 5, в пределах которой измеряется его форма, если, после измерения профиля одной части объекта, переместить проектор 1 и, при необходимости, устройства регистрации изображений вокруг объекта, и затем просканировать, по меньшей мере, одной ЛМ структурой другую часть поверхности объекта. Размер области поверхности объекта, доступной для измерения ее профиля, а также скорость таких измерений можно увеличить, если использовать несколько проекционных устройств и несколько устройств регистрации изображений (см. фиг. 6). Сканирование поверхности объекта ЛМ структурами, формируемыми каждым из проекционных устройств, осуществляется, например, путем поступательного перемещения проекционных устройств в их продольном направлении, или путем изменения расстояния между решетками в проекционных устройствах и/или путем вращения объекта с помощью поворотного стола 15. Предпочтительно, чтобы области поверхности объекта, доступные для наблюдения устройствами регистрации изображений, перекрывались. С помощью вычислительного устройства 3 рассчитываются, как это описано выше, профили разных участков поверхности объекта, и затем они могут быть объединены известными методами в единую панорамную 3D картину профиля поверхности объекта. The size of the surface area of object 5, within which its shape is measured, can be increased if, after scanning the part of the surface accessible for measurements, object 5 is rotated by a known angle, for example, around an axis perpendicular to the z axis. This will allow the projection device 1 to illuminate a previously inaccessible section of the surface of object 5 and then scan it with at least one LM structure 4. It is also possible to increase the size of the surface area of object 5, within which its shape is measured, if, after measuring the profile of one part of the object, move the projector 1 and, if necessary, the image recording devices around the object, and then scan another part of the object surface with at least one LM structure. The size of the area of the object surface available for measuring its profile, as well as the speed of such measurements, can be increased by using several projection devices and several image recording devices (see Fig. 6). Scanning the surface of the object with the LM structures formed by each of the projection devices is carried out, for example, by progressively moving the projection devices in their longitudinal direction, or by changing the distance between the gratings in the projection devices and/or by rotating the object with the help of the turntable 15. It is preferable that the areas of the object surface available for observation by the image recording devices overlap. Using the computing device 3, the profiles of different sections of the object surface are calculated, as described above, and then they can be combined by known methods into a single panoramic 3D picture of the surface profile of the object.

Ниже дано обоснование того, что с помощью проекционного устройства, частные случаи реализации которого предлагаются в изобретении, могут быть сформированы муаровые структуры, локализованные в продольном направлении, рассмотрено влияния параметров проекционного устройства на количество и характеристики формируемых им муаровых структур, а также дана оценка точности предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии. Below is given the rationale for the fact that with the help of a projection device, particular cases of implementation of which are proposed in the invention, moire structures localized in the longitudinal direction can be formed, the influence of the parameters of the projection device on the number and characteristics of the moire structures formed by it is considered, and an assessment of the accuracy of the proposed method of rangefinding and profilometry is given.

Обозначим f (0x,0y функцию, которая описывает угловое распределение интенсивности света, излучаемого малыми элементами рабочей поверхности осветителя 6, т.е. описывает их диаграмму направленности, где 0Х - угол между направлением, в котором распространяется световая волна и плоскостью х = const, 0,. - угол между направлением световой волны и плоскостью у = const . Let us denote by f (0 x ,0 y the function that describes the angular distribution of the intensity of light emitted by small elements of the working surface of the illuminator 6, i.e. describes their directional pattern, where 0 X is the angle between the direction in which the light wave propagates and the plane x = const, 0,. is the angle between the direction of the light wave and the plane y = const .

Для простоты или определенности будем полагать, что For simplicity or certainty, we will assume that

• рабочая поверхности осветителя 6 является пространственно однородной, т.е. его светимость, а также угловой и частотный спектр света, излучаемого ее элементами, постоянны в пределах рабочей апертуры поверхности осветителя; • the working surface of the illuminator 6 is spatially homogeneous, i.e. its luminosity, as well as the angular and frequency spectrum of the light emitted by its elements, are constant within the working aperture of the illuminator surface;

• ширина углового распределения интенсивности света, излучаемого элементами рабочей поверхности осветителя 6 в плоскости х = const много меньше ширины углового распределения света в плоскости у = const , и, следовательно f . В таком случае угол вх - это угол между направлением, в

Figure imgf000024_0001
котором распространяется свет, и продольным направлением (см. фиг. 3 и 4). Такое угловое распределение интенсивности диффузного света можно сформировать, например, если рабочая поверхность осветителя 6 является одномерным случайный фазовым транспарантом, на который с противоположной от решеток стороны падает плоская волна некогерентного света, причем 1D полосы, вдоль которых оптическая длина пути света через транспарант постоянна, направлены параллельно оси у. Полуширину в плоскости у = const углового спектра света, излучаемого рабочей поверхностью осветителя 6, по уровню г 2 от максимальной величины функции (6» ,О) обозначим 6Ц, ; по п. 31 формулы изобретения в проекционном устройстве 1 установлены амплитудные решетки 7 и 8; по п. 32 формулы изобретения решетки 7 и 8 являются тонкими, т.е. при их прохождении светом, излучаемым осветителем 6, не происходит значительного сужения его углового спектра, например, уменьшение ширины углового спектра света не превышает 20%; по п. 33 формулы изобретения рабочая поверхность осветителя 6 имеет форму прямоугольника, плоскость которого параллельна плоскостям решеток 7 и 8, а его стороны параллельны осям х и у (фиг. 2). Ширина рабочей апертуры осветителя 6 равна Нх (см. фиг. 3 и фиг. 4 (а, б)), ее высота равна Н (см. фиг. 2); решетки 7 и 8 имеют форму прямоугольников, стороны которых параллельны осям х и у. Ширины рабочей апертуры решеток 7 и 8 равны lx и D2x соответственно (см. фиг. 3 и фиг. 4 (а, б)), а высоты равна Dly и D2y соответственно (см. фиг. 2). Центры рабочей поверхности осветителя 6, а также первой решетки 7 и второй решетки 8 расположены на оптической оси проекционного устройства, т.е. центры этих элементов проекционного устройства 1 имеют поперечные координаты х = 0, у = ys = 0 ; поперечные размеры рабочей апертуры осветителя 6 и решеток 7 и 8 большие настолько, что в области, где формируется ЛМ структура (N,M), влиянием дифракции света на апертурах этих элементов можно пренебречь, что выполняется при условиях Н »
Figure imgf000025_0001
где H - меньшая из - меньшая из величин Dix и D , 2 - меньшая из величин — LQ + L + LNM например, Н > 10^ L(W Л , D > 10^ zNM ,
Figure imgf000025_0002
• the width of the angular distribution of the intensity of light emitted by the elements of the working surface of the illuminator 6 in the plane x = const is much smaller than the width angular distribution of light in the plane y = const , and, therefore, f . In this case, the angle in x is the angle between the direction in
Figure imgf000024_0001
in which the light propagates, and in the longitudinal direction (see Figs. 3 and 4). Such an angular distribution of the diffuse light intensity can be formed, for example, if the working surface of the illuminator 6 is a one-dimensional random phase transparency onto which a plane wave of incoherent light falls from the side opposite the gratings, and the 1D bands along which the optical length of the light path through the transparency is constant are directed parallel to the y axis. The half-width in the y = const plane of the angular spectrum of the light emitted by the working surface of the illuminator 6, at a level of r 2 from the maximum value of the function (6», , 0) will be designated as 6C, ; according to clause 31 of the formula of the invention, amplitude gratings 7 and 8 are installed in the projection device 1; according to clause 32 of the formula of the invention, gratings 7 and 8 are thin, i.e. when the light emitted by illuminator 6 passes through them, its angular spectrum does not significantly narrow, for example, the decrease in the width of the angular spectrum of light does not exceed 20%; according to claim 33 of the claims, the working surface of illuminator 6 has the shape of a rectangle, the plane of which is parallel to the planes of gratings 7 and 8, and its sides are parallel to the x and y axes (Fig. 2). The width of the working aperture of illuminator 6 is equal to H x (see Fig. 3 and Fig. 4 (a, b)), its height is equal to H (see Fig. 2); gratings 7 and 8 have the shape of rectangles, the sides of which are parallel to the x and y axes. The widths of the working aperture of gratings 7 and 8 are equal to lx and D 2x , respectively (see Fig. 3 and Fig. 4 (a, b)), and the heights are equal to D ly and D 2y , respectively (see Fig. 2). The centers of the working surface of the illuminator 6, as well as the first grating 7 and the second grating 8 are located on the optical axis of the projection device, i.e. the centers of these elements of the projection device 1 have transverse coordinates x = 0, y = y s = 0 ; the transverse dimensions of the working aperture of the illuminator 6 and gratings 7 and 8 are so large that in the region where the LM structure (N, M) is formed, the influence of light diffraction on the apertures of these elements can be neglected, which is fulfilled under conditions H »
Figure imgf000025_0001
where H is the smaller of the quantities D ix and D , 2 is the smaller of the quantities — LQ + L + L NM , for example, H > 10^ L (W Л , D > 10^ z NM ,
Figure imgf000025_0002

• ширина решеток 7 и 8 значительно превосходит их периоды Dlx » р} , Dlx » р ; например Dlx > 10р} , D t > 10 2. • the width of gratings 7 and 8 significantly exceeds their periods D lx » p } , D lx » p ; for example D lx > 10 p } , D t > 10 2 .

Сначала определим характеристики ЛМ структур, формируемых проекционным устройством 1, в частном случае, когда его параметры и параметры его элементов таковы, что согласно и. 2 формулы изобретения влияние дифракции света на амплитудных решетках 7 и 8 на характеристики ЛМ структур пренебрежимо мало. В этом частном случае для описания характеристик муаровых структур, формируемых двухрешеточным проектором 1, применимо приближение геометрической оптики. В приближении геометрической оптики характеристики муаровых структур не зависят от длины волны света, поэтому в проекционном устройстве в качестве осветителя может быть использован источник как монохроматического, так и немонохроматического света, в частности, источник широкополосного света, например, белого света. Влияние дифракции на решетках 7 и 8 на характеристики ЛМ структуры (N,M) можно не учитывать, если первая и вторая решетка расположены недалеко друг от друга, по и. 34 формулы изобретения расстояние между их плоскостями должно удовлетворять условию < 0,2

Figure imgf000025_0003
First, we will determine the characteristics of the LM structures formed by the projection device 1, in the particular case when its parameters and the parameters of its elements are such that, according to clause 2 of the formula of the invention, the effect of light diffraction on the amplitude gratings 7 and 8 on the characteristics of the LM structures is negligibly small. In this particular case, the geometric optics approximation is applicable to describe the characteristics of the moire structures formed by the two-grating projector 1. In the geometric optics approximation, the characteristics of the moire structures do not depend on the wavelength of light, therefore, a source of both monochromatic and non-monochromatic light, in particular, a source of broadband light, for example, white light, can be used as an illuminator in the projection device. The effect of diffraction on the gratings 7 and 8 on the characteristics of the LM structure (N, M) can be ignored if the first and second gratings are located close to each other, according to clause 34 of the formula of the invention, the distance between their planes must satisfy the condition < 0.2
Figure imgf000025_0003

(см. [26, 62, 63]), где длину Lj, (2) вычисляют по формуле (see [26, 62, 63]), where the length Lj, (2) is calculated by the formula

«>)

Figure imgf000025_0004
величина равна Лт = 20 + ДА , где Я - центральная длина волны света, излучаемого осветителем, АЛ - полуширина спектра света по длине волны по уровню г 2 . «>)
Figure imgf000025_0004
the value is equal to L m = 2 0 + ΔA, where L is the central wavelength of light emitted by the illuminator, ΔA is the half-width of the light spectrum by wavelength at level r2 .

В качестве типичного примера рассмотрим свойства и оценим характеристики ЛМ структур, формирующихся в зоне геометрической оптики, в частном случае, когда по и. 35 формулы изобретения в проекционном устройстве 1 используют 1D амплитудные решетки 7 и 8 с синусоидальным пропусканием. Амплитудные коэффициенты пропускания первой решетки 7 Т(х) и второй решетки 8 Т2(х) задаются соответственно формулами As a typical example, we will consider the properties and evaluate the characteristics of LM structures formed in the geometric optics zone, in a particular case when, according to clause 35 of the invention formula, 1D amplitude gratings 7 and 8 with sinusoidal transmission are used in the projection device 1. Amplitude the transmission coefficients of the first grating 7 T(x) and the second grating 8 T2 (x) are given by the formulas respectively

Т^х) = ^-[1 + cos(^1x + ^//1)] при \X\ < DJ2’ Ы < Dly/2Т^х) = ^-[1 + cos(^ 1 x + ^// 1 )] for \ X \ < D J 2 ' ы < D ly/ 2 '

(7) при \X\ < D2J2 , \y\ < D2y/2 ,

Figure imgf000026_0001
(7) for \X\ < D 2 J2 , \y\ < D 2y /2 ,
Figure imgf000026_0001

2л 2л где < 1 , С2 < 1 - глубина модуляции, К1 — , Л2 = — - волновое число,

Figure imgf000026_0002
<//2 -2l 2l where < 1 , C 2 < 1 - modulation depth, K 1 — , L 2 = — - wave number,
Figure imgf000026_0002
<// 2 -

А РУ фаза амплитудного коэффициента пропускания первой решетки 7 и второй решетки 8 соответственно. Считаем, что решетки 7 и 8 по периметру с внешней стороны окружены непрозрачными оправами (на фигурах не показаны), поэтому коэффициент пропускания первой решетки 7 7 (х, у) равен нулю при |х| > П/2 или |y| > Dly/2 , и коэффициент пропускания второй решетки 8 Т2(х, у) равен нулю при |х| > D2x/2 или |y| > D2y/2. С помощью проекционного устройства с двумя 1D амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием можно сформировать не больше четырех муаровых структур (действительных псевдоизображений решетки) N < 2 , М < 2 [65]. Четыре муаровые структуры

Figure imgf000026_0003
а именно (1,2), (1,1), (2,2) и (2,1), возникают, если pt > 2р2.A RU is the phase of the amplitude transmittance of the first grating 7 and the second grating 8, respectively. We assume that gratings 7 and 8 are surrounded by opaque frames on the outside along the perimeter (not shown in the figures), so the transmittance of the first grating 7 7 (x, y) is zero at |x| > П /2 or |y| > D ly /2 , and the transmittance of the second grating 8 T 2 (x, y) is zero at |x| > D 2x /2 or |y| > D 2y /2. Using a projection device with two 1D amplitude gratings with sinusoidal transmission, it is possible to form no more than four moiré structures (real pseudo-images of the grating) N < 2 , M < 2 [65]. Four moiré structures
Figure imgf000026_0003
namely (1,2), (1,1), (2,2) and (2,1), arise if p t > 2р 2 .

Они расположены в окрестности трех плоскостей, которые удалены от второй решетки 8 на расстояния LNM , которые вычисляются по формуле (1). Как следует из формулы (1),They are located in the vicinity of three planes, which are removed from the second lattice 8 by distances L NM , which are calculated using formula (1). As follows from formula (1),

< Lll = L22 < L21 . Пространственные периоды муаровых структур (1,2), (1,1), (2,2) и< L ll = L 22 < L 21 . Spatial periods of moire structures (1,2), (1,1), (2,2) and

(2.1) вычисляются по формуле (2). Между величинами периодов этих муаровых структур имеется следующее соотношение: Р12 < Р22 < Ри < Р21 ■ Фазы муаровых структур (1,2) (1,1)(2.1) are calculated using formula (2). The following relationship exists between the values of the periods of these moire structures: P 12 < P 22 < P i < P 21 ■ Phases of moire structures (1,2) (1,1)

(2.2) и (2,1) равны соответственно

Figure imgf000026_0004
(2.2) and (2.1) are equal respectively
Figure imgf000026_0004

< 2i = Р ~ 2</5 • Если

Figure imgf000026_0005
> р2 , то проекционным устройством формируются три муаровые структуры, а муаровая структура (2,1) не возникает. При р2 > р{ > р2 /2 возникает только одна муаровая структура (1,2). При р < р2 /2 муаровых структур не возникает. < 2i = P ~ 2</5 • If
Figure imgf000026_0005
> р 2 , then the projection device forms three moire structures, and the moire structure (2,1) does not arise. When р 2 > р { > р 2 /2, only one moire structure (1,2) arises. When р < р 2 /2, moire structures do not arise.

Если ЛМ структура (N,M) возникает достаточно далеко от проекционного устройства 1 , то вблизи области ее локализации уже нет полос света и тени от решеток 7 и 8. В частности, при Lo = 0 и р1 , р2 « Нх полосы светотени от решеток в области локализации муаровой структуры (N,M) имеют малый контраст, например, он меньше If the LM structure (N,M) arises far enough from the projection device 1, then near the region of its localization there are no longer any stripes of light and shadow from the gratings 7 and 8. In particular, for L o = 0 and p 1 , p 2 « H x the stripes of light and shadow from the gratings in the region localizations of the moire structure (N, M) have low contrast, for example, it is less

0,1, если выполняются условия ZNM

Figure imgf000027_0001
важном для многих потенциальных приложений способа случае, когда
Figure imgf000027_0002
— — < 0,1 , ^NM муаровые структуры с разными индексами
Figure imgf000027_0003
формируемые проекционным устройством с двумя 1D амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием, почти не перекрываются в пространстве. Исключение составляют муаровые структуры (1,1) и (2,2), которые расположены вблизи одной плоскости z = zn , где zn = 1^ +1^ . В окрестности этой плоскости z = zn интенсивность света равна
Figure imgf000027_0004
0.1 if the conditions Z NM are met
Figure imgf000027_0001
important for many potential applications of the method in the case where
Figure imgf000027_0002
— — < 0.1 , ^NM moire structures with different indices
Figure imgf000027_0003
formed by a projection device with two 1D amplitude gratings with sinusoidal transmission, almost do not overlap in space. The exception is the moire structures (1,1) and (2,2), which are located near one plane z = z n , where z n = 1^ +1^ . In the vicinity of this plane z = z n , the light intensity is equal to
Figure imgf000027_0004

(см. [65]), где 10 - это интенсивность некогерентного света, падающего на первую решетку 7. В окрестности плоскостей z = z12 и z - z21 , где соответственно локализована муаровая структура (1,2) и (2,1), интенсивность света вычисляют по формуле

Figure imgf000027_0005
(see [65]), where 1 0 is the intensity of incoherent light incident on the first grating 7. In the vicinity of the planes z = z 12 and z - z 21 , where the moire structure (1,2) and (2,1) are localized, respectively, the light intensity is calculated using the formula
Figure imgf000027_0005

(см. [65]), где нижний индекс NM имеет значение 12 и 21 для муаровой структуры (1,2) 2/ и (2,1) соответственно, KNM = - . Для всех муаровых структур (N,M) величина(see [65]), where the subscript NM has the value 12 and 21 for the moire structure (1,2) 2/ and (2,1), respectively, K NM = - . For all moire structures (N,M), the value

^NM контраста 0 < CNM (z) < 1 , если RNM = Mp Np2 > 1 , и CNM (z) = 0 , если RNM < 1 . Контраст муаровых структур (N,M) зависит от продольной координаты z, и эта зависимость описывается формулой

Figure imgf000027_0006
где CNM (zNM ) - значение контраста муаровой структуры (N,M) в плоскости z = zNM ■ Муаровая структура (1,1) является самой контрастной из четырех. В зоне ГО при > р2 и = С2 = 1 ее контраст в плоскости z = zu равен Cn(zn) = 8/9 [56]. Контраст муаровой структуры (2,2) самый малый, в плоскости z = zu он равен C22(z22) = 1/18.^NM contrast 0 < C NM (z) < 1 if R NM = Mp Np 2 > 1 , and C NM (z) = 0 if R NM < 1 . The contrast of moire structures (N,M) depends on the longitudinal coordinate z, and this dependence is described by the formula
Figure imgf000027_0006
where C NM (z NM ) is the contrast value of the moire structure (N,M) in the plane z = z NM ■ The moire structure (1,1) is the most contrasting of the four. In the GO zone at > p 2 and = C 2 = 1, its contrast in the plane z = z u is equal to C n (z n ) = 8/9 [56]. The contrast of the moire structure (2,2) is the smallest; in the plane z = z u it is equal to C 22 (z 22 ) = 1/18.

Максимальный контраст муаровых структур (1,2) и (2,1) в зоне ГО при С, = С2 = 1 равен ^12 (^12 ) = Gi (z2i ) = 2/9 [65]. Функции WNM (z ~ zNM ) описывает зависимость контраста муаровой структуры (N,M) от продольной координаты . Ее значение при z = zNM максимально и равно 1, т.е. WNM (О) = 1 . Функция WNM (z - zNM ) убывает до 0 при удалении от плоскости z = zNM как в сторону проекционного устройства, так и от него. Г лубина резкости LNM муаровой структуры (N,M) равна ширине по полувысоте (FWHM) функции WNM ( zNM), где AzNM z ZNMThe maximum contrast of the moire structures (1,2) and (2,1) in the GO zone at C1 = C2 = 1 is equal to ^12 (^12 ) = Gi ( z 2i ) = 2/9 [65]. The functions W NM (z ~ z NM ) describe the dependence of the contrast of the moire structure (N,M) on the longitudinal coordinate . Its value at z = z NM is maximal and equal to 1, i.e. W NM (0) = 1 . The function W NM (z - z NM ) decreases to 0 with distance from the plane z = z NM both towards the projection device and away from it. The depth of field L NM of the moire structure (N,M) is equal to the full width at half maximum (FWHM) of the function W NM ( z NM ), where Az NM z Z NM

Оценим глубину резкости муаровой структуры (N,M), которая формируется проекционным устройством 1 в некоторых частных случаях его реализации. Будем считать, что ограничивающие первую и вторую решетку оправы не виньетируют осветитель в направлении координаты х при его наблюдении из точки х = 0 , у = О иLet us estimate the depth of field of the moire structure (N,M), which is formed by the projection device 1 in some particular cases of its implementation. We will assume that the frames limiting the first and second lattice do not vignette the illuminator in the direction of the coordinate x when it is observed from the point x = 0, y = 0 and

Z = zNM (см. фиг. 3 и 4). Это условие выполняется, например, если ширина рабочей апертуры решеток 7 и 8 больше или равна ширине рабочей апертуры осветителя 6 Z = z NM (see Figs. 3 and 4). This condition is satisfied, for example, if the width of the working aperture of gratings 7 and 8 is greater than or equal to the width of the working aperture of illuminator 6

D. , D, > Н . (11)D., D, > H. (11)

У гловой размер половины рабочей апертуры источника света 6 в плоскости у = О при наблюдении из точки с координатами х = 0 , у = О и z = zNM обозначим 0sx (см. фиг. 3 и 4). Он равен где LtNM = 7^ + 7^ + LNM . Из формулы (11) следует, что

Figure imgf000028_0001
угловой размер первой и второй решеток в плоскости у = О больше, чем угловой размер осветителя, где упомянутые угловые размеры осветителя и решеток определяются из точки х = 0 , у = 0 и z = zNM . В частном случае, когда угловой размер осветителя меньше ширины углового спектра излучаемого им света (см. фиг. 4(a)), т.е. 6хт > 6SX , а также когда яркость осветителя не зависит от угла вх при |^x| < вхт , функция WNM ( zNM ) вблизи ПЛОСКОСТИ X = 0 при равна
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0003
Figure imgf000028_0004
где AZNM = AZNM - - — (CM. [39, 67 - 69]). Из формулы (12) следует, что глубину
Figure imgf000028_0005
резкости муаровой структуры (N,M) вблизи плоскости х = 0 можно вычислить по формуле
Figure imgf000028_0006
Муаровая структура (N,M) при 6хт > 0sx является сильно локализованной LNM « LNM , если выполняется условие
Figure imgf000029_0001
The angular size of half the working aperture of the light source 6 in the plane y = 0 when observed from a point with coordinates x = 0, y = 0 and z = z NM is denoted by 0 sx (see Figs. 3 and 4). It is equal to where L tNM = 7^ + 7^ + L NM . From formula (11) it follows that
Figure imgf000028_0001
the angular size of the first and second gratings in the plane y = 0 is greater than the angular size of the illuminator, where the said angular sizes of the illuminator and gratings are determined from the point x = 0, y = 0 and z = z NM . In the particular case when the angular size of the illuminator is less than the width of the angular spectrum of the light emitted by it (see Fig. 4(a)), i.e. 6 xm > 6 SX , and also when the brightness of the illuminator does not depend on the angle in x for |^ x | < 6 xm , the function W NM ( z NM ) near the plane X = 0 for is equal to
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0003
Figure imgf000028_0004
where AZ NM = AZ NM - - — (CM. [39, 67 - 69]). From formula (12) it follows that the depth
Figure imgf000028_0005
the sharpness of the moire structure (N,M) near the plane x = 0 can be calculated using the formula
Figure imgf000028_0006
The moire structure (N,M) for 6 xm > 0 sx is strongly localized L NM « L NM if the condition is satisfied
Figure imgf000029_0001

Из формулы (13) следует, что глубина резкости муаровой структуры (N,M) меньшеFrom formula (13) it follows that the depth of field of the moire structure (N,M) is less

И Р четверти расстояния LNM при — — > 5— При Lo = O муаровая структура (N,M) ям NM

Figure imgf000029_0002
Figure imgf000029_0003
является локализованной (. LNM < . ), если Нх > 5PNM — — . Например, при Lo = 0 иAnd P quarters of the distance L NM at — — > 5— At L o = O moire structure (N,M) pits NM
Figure imgf000029_0002
Figure imgf000029_0003
is localized (. L NM < . ), if H x > 5P NM — — . For example, when L o = 0 and

4 Np2 д = 2р2 муаровая структура (1,1) будет локализованной, если ширина рабочей апертуры осветителя Нх больше 10д . 4 Np 2 d = 2p 2 the moire structure (1,1) will be localized if the width of the working aperture of the illuminator H x is greater than 10d.

В противоположном случае, когда по и. 36 формулы изобретения угловой размер рабочей апертуры осветителя 6 в плоскости у = О при наблюдении из точки с координатами х = 0 , у = О и z = zNM больше ширины углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя 6, 0SX > 0хт (см. фиг. 4 (б)), глубинуIn the opposite case, when, according to clause 36 of the formula of the invention, the angular size of the working aperture of the illuminator 6 in the plane y = 0 when observed from a point with coordinates x = 0, y = 0 and z = z NM is greater than the width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the surface of the illuminator 6, 0 SX > 0 xm (see Fig. 4 (b)), the depth

71 резкости LNM муаровой структуры (N,M) вблизи плоскости х = 0 при вхт можно оценить по формуле

Figure imgf000029_0004
71 sharpness L NM of the moire structure (N,M) near the plane x = 0 at xm can be estimated by the formula
Figure imgf000029_0004

Относительную глубину резкости муаровой структуры (N,M) при 0SX > 0хт вычисляют по формуле

Figure imgf000029_0005
The relative depth of field of the moire structure (N,M) at 0 SX > 0 хт is calculated using the formula
Figure imgf000029_0005

Муаровая структура (N,M) при 6SX > 6хт является локализованной LNM « LNM , если выполняется условие

Figure imgf000029_0006
The moire structure (N,M) for 6 SX > 6 хт is localized L NM « L NM if the condition is satisfied
Figure imgf000029_0006

L Р в частности, LNM при tgOxm > 2,5^4- . Из неравенства (17) и условия 0SX > 0хт , L P in particular, L NM at tgO xm > 2.5^4- . From inequality (17) and the condition 0 SX > 0 xm ,

4 NM которое можно записать в виде Нх > 2LtNMtgdxm , опять следует необходимое условие (14) 7/ PNM 4 NM which can be written as H x > 2L tNM tgd xm , again the necessary condition (14) follows 7/ P NM

- » - , при выполнении которого муаровая структура будет локализованной. В /NM NM частности, . Таким образом, для того, чтобы

Figure imgf000030_0001
проекционным устройством 1, в котором установлены первая и вторая решетки с угловыми размерами в плоскости у = const больше, чем угловой размер рабочей апертуры осветителя, формировалась локализованная муаровая структура NM), в этом проекционном устройстве по и. 37 формулы изобретения нужно использовать осветитель 6, у которого тангенс углового размера в плоскости у = const половины
Figure imgf000030_0002
рабочей апертуры, равный — , а также тангенс полуширины в этой 2(L0 + + ^NM ) плоскости углового спектра излучаемого им света более чем в пять раз превышают отношение
Figure imgf000030_0003
- » - , when executing which the moire structure will be localized. In /NM NM in particular, . Thus, in order to
Figure imgf000030_0001
projection device 1, in which the first and second gratings are installed with angular dimensions in the plane y = const greater than the angular dimension of the working aperture of the illuminator, a localized moire structure NM is formed), in this projection device, according to clause 37 of the formula of the invention, it is necessary to use an illuminator 6, in which the tangent of the angular dimension in the plane y = const is half
Figure imgf000030_0002
working aperture, equal to — , and also the tangent of the half-width in this 2(L 0 + + ^NM ) plane of the angular spectrum of the light emitted by it is more than five times greater than the ratio
Figure imgf000030_0003

В частном случае реализации проекционного устройства 1, когда полуширина углового спектра света, испускаемого элементами поверхности осветителя, равна # « , и ширина рабочей апертуры осветителя превосходит расстояние от нее до 6 плоскости наибольшего контраста муаровой структуры (N,M) более, чем в два раза Нх > LtNM , т.е. 0sx > 0хт , из формулы (15) следует, что глубина резкости муаровой

Figure imgf000030_0004
структуры примерно равна LNM ~ PNM . Из этой оценки LNM , а также формул (1) и (2) следует, что относительная глубина резкости ЛМ структуры (N,M) примерно равна _Pi_ Исходя из такой оценки относительной глубины резкости, находим, что ^NM ^А при pl = 1 мм у муаровой структуры (1,1) в зоне геометрической оптики, где выполняется условие (5), величины ^А_!_ может быть порядка процента. In the particular case of the implementation of projection device 1, when the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the illuminator surface is equal to # « , and the width of the working aperture of the illuminator exceeds the distance from it to the 6 plane of greatest contrast of the moire structure (N, M) by more than two times H x > L tNM , i.e. 0 sx > 0 хт , it follows from formula (15) that the depth of field of the moire
Figure imgf000030_0004
structure is approximately equal to L NM ~ P NM . From this estimate of L NM , as well as formulas (1) and (2) it follows that the relative depth of field LM of the structure (N,M) is approximately equal to _Pi_ Based on such an estimate of the relative depth of field, we find that ^NM ^A at p l = 1 mm for the moire structure (1,1) in the zone of geometric optics, where condition (5) is satisfied, the value of ^A_!_ can be of the order of one percent.

Ai Ai

Ширина муаровой структуры (Д/,Л/ в плоскости z = zNM равна (см. фиг. 4 (а, б)) The width of the moire structure (Д/,Л/ in the plane z = z NM is equal to (see Fig. 4 (a, b))

DNM ~ НХ + ^tNM ^xm ■ (18) D NM ~ Н Х + ^tNM ^xm ■ (18)

Контраст и глубина резкости ЛМ структур зависят от поперечной координаты х. Локализованная муаровая структура (N,M) имеет наибольший контраст и наименьшую глубину резкости вблизи плоскости х = 0 . В окрестности этой плоскости есть область шириной DNM (CM. фиг. 4 (а, б)), в пределах которой контраст и глубина резкости ЛМ структуры (N,M) не изменяются или изменяются мало, например, меньше, чем в 1,2 раза. Будем называть эту область центральной областью муаровой структуры (N,M). Ширину центральной области DNM можно оценить по формуле (см. фиг. 4 (а, б)) The contrast and depth of field of LM structures depend on the transverse coordinate x. The localized moire structure (N,M) has the greatest contrast and the smallest depth of field near the plane x = 0 . In the vicinity of this plane there is a region width D NM (CM. Fig. 4 (a, b)), within which the contrast and depth of field of the LM structure (N, M) do not change or change little, for example, less than 1.2 times. We will call this region the central region of the moire structure (N, M). The width of the central region D NM can be estimated by the formula (see Fig. 4 (a, b))

DNM \Hx ~ L tNMtg0xm\ . (19) D NM \H x ~ L tNM tg0 xm \ . (19)

Для осуществления предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии предпочтительно, чтобы DNM > PNM . To implement the proposed method of ranging and profilometry, it is preferable that D NM > P NM .

Таким образом, по и. 14 формулы изобретения, если оправы, ограничивающие первую и вторую решетку, не виньетируют осветитель в направлении координаты х при л его наблюдении из центральной области этой ЛМ структуры, то при ихт <

Figure imgf000031_0001
резкости ЛМ структуры (N,M) в области
Figure imgf000031_0002
можно оценить по формулам (13) или (15), которые можно заменить одной обобщенной формулой
Figure imgf000031_0003
где 0Ех - наименьшая из величин 0хт и 0SX . Thus, according to clause 14 of the invention formula, if the frames limiting the first and second grating do not vignette the illuminator in the direction of the x coordinate when it is observed from the central region of this LM structure, then when xm <
Figure imgf000031_0001
sharpness of the LM structure (N,M) in the region
Figure imgf000031_0002
can be estimated using formulas (13) or (15), which can be replaced by one generalized formula
Figure imgf000031_0003
where 0 Ex is the smallest of the values 0 xm and 0 SX .

Абсолютная ошибка определения расстояния от проекционного устройства до заданной точки объекта 5 пропорциональна глубине резкости муаровой структуры и обычно не превосходит величины LNM ■ Для дальнометрии и профилометрии предпочтительно использовать ЛМ структуры с малой глубина резкости, например, по и. 15 формулы изобретения предлагается использовать ЛМ структуры, у которых в центральной области относительная глубина резкости меньше трех процентов. Для увеличения точности и уменьшения времени измерения целесообразно оптимизировать характеристики ЛМ структуры, проецируемой на поверхность объекта 5, в частности, выбрать оптимальный период ЛМ структуры, ее глубину резкости и направление полос. В случае 0SX > 0хт (см. фиг. 4(6)), увеличивая ширину источника света, а также ширину решеток, как следует из формул (11) и (19), можно практически неограниченно увеличивать ширину центральной области DNM , в пределах которой точность измерения расстояния до точек объекта и его формы будет примерно такой же, как в центре ЛМ структуры

Figure imgf000031_0004
® Д£ж (0) . Таким образом, предлагаемые в изобретении способ и система позволяют осуществлять широкопольную дальнометрию и профилометр ию. Приведем первый численный пример, в котором определим характеристики муаровых структур, формируемых в зоне геометрической оптики проекционным устройством 1 с тонкими амплитудными решетками 7 и 8. Полагаем, что в проекционном устройстве установлены первая и вторая решетки с синусоидальным пропусканием с периодами р1 = 2 мм и р2 = 1 мм соответственно. Глубина модуляции функции пропускания этих решеток равна = С2 = 1. Расстояние между первой решеткой 7 и второй решеткой 8 равно L, = 20 см. Осветитель 6 расположен вплотную к первой решетке Lo = 0. Источник света 6, первая и вторая решетки имеют равную ширину Нх = Dlx = D2X = 100 см. Осветитель 6 излучает диффузный свет в диапазоне = 0,5 + 0,1 мкм. Полуширина углового спектра света, излучаемого малыми некогерентными элементами поверхности осветителя, 0^ равна 30°. Проекционным устройством 1 с такими параметрами формируются две муаровые структуры с контрастом более 0,2: это муаровые структуры (1,1) и (1,2). Муаровая структура (2,1) не возникает, т.к. —
Figure imgf000032_0001
= 2. The absolute error in determining the distance from the projection device to a given point of object 5 is proportional to the depth of field of the moire structure and usually does not exceed the value of L NM ■ For rangefinding and profilometry, it is preferable to use LM structures with a small depth of field, for example, according to §15 of the formula of the invention, it is proposed to use LM structures in which the relative depth of field in the central region is less than three percent. In order to increase the accuracy and reduce the measurement time, it is advisable to optimize the characteristics of the LM structure projected onto the surface of object 5, in particular, to select the optimal period of the LM structure, its depth of field and the direction of the stripes. In the case of 0 SX > 0 хт (see Fig. 4(6)), by increasing the width of the light source, as well as the width of the gratings, as follows from formulas (11) and (19), it is possible to practically unlimitedly increase the width of the central region D NM , within which the accuracy of measuring the distance to the points of the object and its shape will be approximately the same as in the center of the LM structure
Figure imgf000031_0004
® Д£ ж (0) . Thus, the method and system proposed in the invention make it possible to carry out wide-field ranging and profilometry. Let us present the first numerical example in which we will determine the characteristics of the moire structures formed in the geometric optics zone by the projection device 1 with thin amplitude gratings 7 and 8. We assume that the first and second gratings with sinusoidal transmission with periods p 1 = 2 mm and p 2 = 1 mm, respectively, are installed in the projection device. The modulation depth of the transmission function of these gratings is equal to = C 2 = 1. The distance between the first grating 7 and the second grating 8 is equal to L, = 20 cm. The illuminator 6 is located close to the first grating L o = 0. The light source 6, the first and second gratings have equal widths H x = D lx = D 2X = 100 cm. The illuminator 6 emits diffuse light in the range = 0.5 + 0.1 μm. The half-width of the angular spectrum of light emitted by small incoherent elements of the illuminator surface, 0^, is equal to 30°. The projection device 1 with such parameters forms two moire structures with a contrast greater than 0.2: these are moire structures (1,1) and (1,2). The moire structure (2,1) does not arise, since —
Figure imgf000032_0001
= 2.

Р2 R 2

Расстояния между решетками L, меньше, чем расстояние

Figure imgf000032_0002
равное 33 см, поэтому влиянием дифракции света на характеристики муаровых структур (1,1) и (1,2) можно пренебречь. Пространственный период муаровой структуры (1,1) равен Р = 2 мм. Эта муаровая структура будет иметь наибольший контраст в плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние Гц = 20 см. Максимальная величина ее контраста примерно равна Cn (zn) ~ 0,9. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,1) равна Пп ~ 54 см. Глубина резкости муаровой структуры (1,1) в ее центральной области равна МЛ1 « Рп «2 мм. Муаровая структура (1,2) с пространственным периодом Р12 = 0,67 мм локализована вблизи плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние 1^2 ~ 6,7 см. Ее максимальный контраст равен примерно С12 (z12) = 0,22. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,2) равна П12 « 69 см. Глубина резкости этой муаровой структуры AL^ в ее центральной области равна AL^ ® Р12 ® 0,7мм. Относительная глубина резкости муаровых структур (1,1) и (1,2) примерно равна 1%. The distance between the lattices L is less than the distance
Figure imgf000032_0002
equal to 33 cm, therefore the influence of light diffraction on the characteristics of moire structures (1,1) and (1,2) can be neglected. The spatial period of moire structure (1,1) is equal to P = 2 mm. This moire structure will have the greatest contrast in the plane located at a distance of Hz = 20 cm from the second grating. The maximum value of its contrast is approximately equal to C n (z n ) ~ 0.9. The width of the central region of LM structure (1,1) is equal to П n ~ 54 cm. The depth of field of moire structure (1,1) in its central region is equal to М Л1 « П n « 2 mm. Moire structure (1,2) with spatial period П 12 = 0.67 mm is localized near the plane located at a distance of 1 ^ 2 ~ 6.7 cm from the second grating. Its maximum contrast is approximately equal to С 12 (z 12 ) = 0.22. The width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to П 12 « 69 cm. The depth of field of this moire structure AL^ in its central region is equal to AL^ ® П 12 ® 0.7 mm. The relative depth of field of the moire structures (1,1) and (1,2) is approximately equal to 1%.

Отметим, что формулы (13), (15), (19) и (20) дают только приблизительную оценку глубины резкости муаровой структуры (N,M) и ширины ее центральной области. Для повышения точности измерений с помощью предлагаемого способа дальнометрии и профилометрии предпочтительно предварительно провести измерения зависимости контраста муаровой структуры (N,M) от продольной координаты z и поперечной координаты х, и на основании данных этих экспериментов определить ошибку измерений расстояния и координат. Note that formulas (13), (15), (19) and (20) provide only an approximate estimate of the depth of field of the moire structure (N, M) and the width of its central region. To increase the accuracy of measurements using the proposed method of rangefinding and profilometry, it is preferable to first measure the dependence of the contrast of the moire structure (N, M) on the longitudinal coordinate z and transverse coordinate x, and, based on the data from these experiments, determine the measurement error of the distance and coordinates.

В ряде других частных случаев реализации предлагаемой системы дальнометрии и профилометриии в ней используется проекционное устройство 1, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка с периодической несинусоидальной зависимостью коэффициента пропускания от координаты х. С помощью проекционного устройства 1, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка с несинусоидальным пропусканием можно формировать муаровые структуры (N,M), у которых максимальные значения целочисленных индексов N и М не ограничены значением два [27, 64, 66, 70]. Количество муаровых структур, формируемых таким проекционным устройством, может быть больше, чем в частном случае, когда используются две амплитудные решетки с синусоидальным пропусканием. Расстояния от проекционного устройства 1 до плоскости, где контраст этих муаровых структур имеет наибольшее значение, вычисляют по формуле (1), их периоды вычисляют по формуле (2). Величина контраста муаровой структуры (N,M) в плоскости Z = ZNM в зоне ГО определяется, в частности, зависимостью коэффициентов пропускания первой и второй решетки от координаты х. Глубину резкости ЛМ структур можно оценить, используя формулу (20). In a number of other particular cases of the implementation of the proposed rangefinding and profilometry system, a projection device 1 is used in it, in which at least one amplitude grating with a periodic non-sinusoidal dependence of the transmittance on the x coordinate is installed. With the help of the projection device 1, in which at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission is installed, it is possible to form moire structures (N, M), in which the maximum values of the integer indices N and M are not limited to the value two [27, 64, 66, 70]. The number of moire structures formed by such a projection device can be greater than in the particular case when two amplitude gratings with sinusoidal transmission are used. The distances from the projection device 1 to the plane where the contrast of these moire structures has the greatest value are calculated using formula (1), their periods are calculated using formula (2). The contrast value of the moire structure (N,M) in the plane Z = Z NM in the GO zone is determined, in particular, by the dependence of the transmission coefficients of the first and second gratings on the coordinate x. The depth of field of the LM structures can be estimated using formula (20).

В качестве амплитудной решетки с несинусоидальным пропусканием (и. 27 формулы изобретения) можно использовать периодический бинарный растр (см. фиг. 5 (б)). Коэффициент заполнения бинарного растра равен a pi , где pt - период решетки, а, - ширина ее прозрачных полос, индекс I обозначает номер решетки в проекционном устройстве 1. Амплитудный бинарный растр с а{ / р{ = 0, 5 также называется решеткой Ронки. В частном случае, когда первая решетка 7 и вторая решетка 8 в проекционном устройстве 1 являются решетками Ронки, в области геометрической оптики могут возникнуть относительно контрастные муаровые структуры (1,1), (1,3) и (3,1). Условие их возникновения - Мр, > Np2 , здесь N и М равны 1 или 3. Наибольший контраст муаровой структуры (1,1) при р > р2 примерно такой же, как и при использовании двух амплитудных решеток с синусоидальным пропусканием Сп (zn) ~ 0,9. Наибольшее значение контраста муаровых структур (1,3) и (3,1) равно примерно 0,3. Остальные муаровые структуры (N,M), формируемые проекционным устройством с двумя решетками Ронки, в зоне геометрической оптики имеют контраст менее 0,2. При использовании в проекционном устройстве по меньшей мере одного бинарного растра с коэффициентом заполнения меньшим, чем у решетки Ронки, т.е. a p^Q.,5, число относительно контрастных муаровых структур может быть значительно больше трех. Например, в частном случае, когда в проекционном устройстве первой решеткой является бинарный растр с a рг = 0,25 , а второй решеткой является решетка Ронки или решетка с синусоидальным пропусканием при рх > 4 2 будут формироваться контрастные муаровые структуры (1,4), (1,3), (1,2), (1,1), (2,1), (3,1) и (4,1) (с контрастом

Figure imgf000034_0001
A periodic binary raster (see Fig. 5 (b)) can be used as an amplitude grating with non-sinusoidal transmission (Article 27 of the invention formula). The filling factor of the binary raster is equal to ap i , where p t is the grating period, a, is the width of its transparent stripes, and index I denotes the grating number in projection device 1. An amplitude binary raster with a { / p { = 0.5 is also called a Ronchi grating. In the particular case where the first grating 7 and the second grating 8 in projection device 1 are Ronchi gratings, relatively contrasting moire structures (1.1), (1.3), and (3.1) can arise in the field of geometric optics. The condition for their occurrence is Mr > Np 2 , where N and M are equal to 1 or 3. The greatest contrast of the moire structure (1.1) at p > p 2 is approximately the same as when using two amplitude gratings with sinusoidal transmission C n (z n ) ~ 0.9. The greatest the contrast value of the moire structures (1,3) and (3,1) is approximately 0.3. The remaining moire structures (N,M), formed by the projection device with two Ronchi gratings, have a contrast of less than 0.2 in the geometric optics zone. When using at least one binary raster with a fill factor smaller than that of the Ronchi grating in the projection device, i.e. ap^Q.,5, the number of relatively contrast moire structures can be significantly greater than three. For example, in the particular case when the first grating in the projection device is a binary raster with a p r = 0.25 , and the second grating is a Ronchi grating or a grating with sinusoidal transmission at p x > 4 2 , contrast moire structures (1,4), (1,3), (1,2), (1,1), (2,1), (3,1) and (4,1) will be formed (with a contrast
Figure imgf000034_0001

Установка в проекционном устройстве по меньшей мере одной амплитудной решетки с несинусоидальным пропусканием, в ряде случаев позволяет лучше приспособить предлагаемый способ к условиям конкретной задачи дальнометрии и профилометрии. В частности, в случае, когда проекционным устройством формируется большое число относительно контрастных ЛМ структур, например, их число больше трех, есть возможность расширить диапазон и точность, а также уменьшить время измерения расстояний, координат и формы объектов. Достоинством применения проекционного устройства, в котором установлена по меньшей мере одна бинарная решетка, также является возможность управлять характеристиками ЛМ структур, например, их количеством и контрастом, путем изменения периода и/или коэффициента заполнения решетки. The installation in the projection device of at least one amplitude grating with non-sinusoidal transmission, in a number of cases, allows better adaptation of the proposed method to the conditions of a specific rangefinding and profilometry task. In particular, in the case when a large number of relatively contrasting LM structures are formed by the projection device, for example, their number is greater than three, it is possible to expand the range and accuracy, as well as to reduce the time of measuring distances, coordinates and shapes of objects. The advantage of using a projection device in which at least one binary grating is installed is also the ability to control the characteristics of the LM structures, for example, their number and contrast, by changing the period and/or the fill factor of the grating.

В частном случае (п. 3 формулы изобретения) для осуществления способа дальнометрии и профилометрии используется одна или большее число локализованных муаровых структур, на характеристики которых влияет эффект дифракции света. Схема системы для осуществления способа по и. 3 формулы изобретения такая же как, схема системы для осуществления способа по и. 2 формулы изобретения, когда контролируемые объекты расположены в зоне ГО проекционного устройства. Она приведена на фиг. 1. Отличие состоит в том, что в частном случае осуществления способа по и. 3 формулы изобретения параметры проекционного устройства 1 и его элементов, в частности, типы и периоды решеток 7 и 8, расстояния между ними являются такими, что ЛМ структуры формируются в зоне дифракции Френеля проекционного устройства. В проекционном устройстве, которое применяется для осуществления способа по п. 3 формулы изобретения, в качестве первой и/или второй решетки могут использоваться не только амплитудные решетки, но и по и. 28 формулы изобретения фазовые решетки [69, 71, 72], а также амплитудно-фазовые решетки [55, 56]. Двухрешеточное устройство, которое формирует муаровые структуры (псевдоизображения решетки) в зоне дифракции Френеля, в ряде публикаций называется интерферометром Тальбота-Лау [55, 70, 73]. Некоторые свойства муаровых структур, формируемых двухрешеточным устройством (интерферометром Тальбота-Лау) в зоне дифракции Френеля, рассмотрены в публикациях [28 - 30, 39, 64, 65, 69, 74, 75]. Ширину центральных областей ЛМ структур и их глубину резкости в центральной области в зоне дифракции Френеля можно оценить по формулам (19) и (20). Для достижения относительно высокого контраста муаровых структур, формируемых в зоне дифракции Френеля, вместо условия (5), которое необходимо для применимости приближения ГО, требуется выполнение других условий, которые налагают ограничения на параметры проекционного устройства. В качестве примера определим условия, при которых формируются контрастные ЛМ структуры в зоне дифракции Френеля, в частном случае, когда в проекционном устройстве по и. 35 формулы изобретения используются две амплитудные решетки с синусоидальным пропусканием. Будем считать, что > 2р2. В этом случае в окрестности трех плоскостей с координатами z = z12 , Z = Zn = z22 и z = Z21 возникают муаровые структуры (1,2), (1,1), (2,2) и (2,1) соответственно. Как показано в публикациях [27, 30, 32, 64, 65, 75], зависимости контраста ЛМ структуры от расстояния между первой и второй решетками, от ширины частотного спектра света, излучаемого осветителем, качественно различаются для муаровых структур (N,M) с нечетным и четным значением индекса М. По этой причине сначала определим условия формирования контрастных муаровых структур (1,1) и (2,1), у которых М = 1, и затем отдельно условия формирования контрастной муаровой структуры (1,2), у которой М = 2. Контраст муаровой структуры (2,2) мал, поэтому ее учитывать не будем. In a particular case (clause 3 of the invention formula), one or more localized moire structures, the characteristics of which are affected by the light diffraction effect, are used to implement the rangefinding and profilometry method. The diagram of the system for implementing the method according to clause 3 of the invention formula is the same as the diagram of the system for implementing the method according to clause 2 of the invention formula, when the controlled objects are located in the GO zone of the projection device. It is shown in Fig. 1. The difference is that in the particular case of implementing the method according to clause 3 of the invention formula, the parameters of the projection device 1 and its elements, in particular, the types and periods of gratings 7 and 8, the distances between them are such that the LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone of the projection device. In In a projection device which is used to implement the method according to claim 3 of the invention, not only amplitude gratings but also phase gratings [69, 71, 72], as well as amplitude-phase gratings [55, 56] can be used as the first and/or second grating. A two-grating device which forms moiré structures (pseudo-images of the grating) in the Fresnel diffraction zone is called a Talbot-Lau interferometer in a number of publications [55, 70, 73]. Some properties of moiré structures formed by a two-grating device (Talbot-Lau interferometer) in the Fresnel diffraction zone are considered in publications [28-30, 39, 64, 65, 69, 74, 75]. The width of the central regions of the LM structures and their depth of field in the central region in the Fresnel diffraction zone can be estimated using formulas (19) and (20). In order to achieve a relatively high contrast of the moire structures formed in the Fresnel diffraction zone, instead of condition (5), which is necessary for the applicability of the GO approximation, other conditions must be met that impose restrictions on the parameters of the projection device. As an example, we will determine the conditions under which contrast LM structures are formed in the Fresnel diffraction zone, in the particular case when two amplitude gratings with sinusoidal transmission are used in the projection device according to clause 35 of the formula of the invention. We will assume that > 2p 2 . In this case, in the vicinity of three planes with coordinates z = z 12 , Z = Z n = z 22 and z = Z 21 , moire structures (1,2), (1,1), (2,2) and (2,1) arise, respectively. As shown in publications [27, 30, 32, 64, 65, 75], the dependences of the contrast of the LM structure on the distance between the first and second gratings, on the width of the frequency spectrum of light emitted by the illuminator, are qualitatively different for moire structures (N, M) with an odd and even value of the index M. For this reason, we will first determine the conditions for the formation of contrast moire structures (1,1) and (2,1), for which M = 1, and then separately the conditions for the formation of the contrast moire structure (1,2), for which M = 2. The contrast of the moire structure (2,2) is small, so we will not take it into account.

Контраст муаровых структур (1,1) и (2,1) в области дифракции Френеля зависит, в частности, от расстояния между решетками Д и длины Lj. (2) (см. [32, 33, 65, 67, 68]). Варьируя расстояние между решетками, их периоды, длину волны и ширину спектра света, можно изменять величину максимального контраста муаровых структур (1,1) и (2,1) от малой величины, которая меньше 0,1, до наибольшего значения, которое близко к наибольшему значению их контраста в приближении геометрической оптики, в частности, величина CN1

Figure imgf000036_0002
может быть больше 0,7CNl(zNl) , где См
Figure imgf000036_0001
- контраст муаровой структуры (N,V) в плоскости z = ZNi в приближении геометрической оптики, индекс N равен 1 и 2 для муаровых структур (1,1) и (2,1) соответственно. Будем считать, что в проекционном устройстве 1 используется осветитель, который расположен вблизи первой решетки ( Lo « 0 ) и который излучает монохроматический некогерентный свет с длиной волны Л!) , а также выполняется условие
Figure imgf000036_0003
. В этом случае контрастThe contrast of the moiré structures (1,1) and (2,1) in the Fresnel diffraction region depends, in particular, on the distance between the gratings D and the length Lj. (2) (see [32, 33, 65, 67, 68]). By varying the distance between the gratings, their periods, the wavelength and the width of the light spectrum, it is possible to change the value of the maximum contrast of the moiré structures (1,1) and (2,1) from a small value, which is less than 0.1, to the largest value, which is close to the largest value of their contrast in the geometric optics approximation, in in particular, the value of C N1
Figure imgf000036_0002
may be greater than 0.7C Nl (z Nl ) , where C m
Figure imgf000036_0001
- the contrast of the moire structure (N,V) in the plane z = Z Ni in the geometric optics approximation, the index N is equal to 1 and 2 for the moire structures (1,1) and (2,1), respectively. We will assume that the projection device 1 uses an illuminator that is located near the first grating ( L o « 0 ) and that emits monochromatic incoherent light with a wavelength of L !) , and the condition is also satisfied
Figure imgf000036_0003
. In this case, the contrast

6 хт /т муаровой структуры (У,1) в плоскости z = ZNi будет иметь величину, которая ненамного меньше величины ее контраста в зоне ГО, если величина по модулю близка

Figure imgf000036_0004
к единице (см. [65]). Это требование выполняется при условии
Figure imgf000036_0005
где V = 0, 1, 2, 3, ... . Частный случай V = 0 - это случай, когда величина
Figure imgf000036_0006
мала 6 xt /t of the moire structure (Y, 1) in the plane z = Z Ni will have a value that is not much less than the value of its contrast in the GO zone, if the value is close in modulus
Figure imgf000036_0004
to one (see [65]). This requirement is satisfied provided that
Figure imgf000036_0005
where V = 0, 1, 2, 3, ... . The special case V = 0 is the case when the quantity
Figure imgf000036_0006
small

(например, < 0,2 — — (Л —>) ); он соответствует приближению геометрической оптики для описания характеристик ЛМ структур. При г > 1, т.е. в зоне Френеля проекционного устройства, контраст муаровых структур (1,1) и (2,1) в плоскостях z = ZNl будет превышать соответственно О Сц^ц) и 0,7C21(z21) , если расстояние между решетками изменяется в пределах интервалов

Figure imgf000036_0007
[65]). Контраст муаровых структур (1,1) и (2,1), формируемых проекционным устройством 1 в зоне дифракции Френеля, при освещении решеток 7 и 8 немонохроматическим светом будет меньше, чем их контраст в случае, когда решетки освещаются монохроматическим светом. Уменьшение контраста муаровых структур будет не очень значительным, если излучаемый осветителем свет имеет полуширину спектра по длине волны, ограниченную условием , например, в случае АЛ меньше
Figure imgf000036_0008
Figure imgf000036_0009
1 (e.g. < 0.2 — — (Л —>) ); it corresponds to the approximation of geometric optics for describing the characteristics of LM structures. At r > 1, i.e. in the Fresnel zone of the projection device, the contrast of the moire structures (1,1) and (2,1) in the planes z = Z Nl will exceed, respectively, 0 C 21 (z 21 ) and 0.7C 21 (z 21 ) , if the distance between the gratings varies within the intervals
Figure imgf000036_0007
[65]). The contrast of the moiré structures (1,1) and (2,1) formed by the projection device 1 in the Fresnel diffraction zone, when gratings 7 and 8 are illuminated with non-monochromatic light, will be less than their contrast in the case when the gratings are illuminated with monochromatic light. The decrease in the contrast of the moiré structures will not be very significant if the light emitted by the illuminator has a spectral half-width in wavelength limited by the condition , for example, in the case of AL less than
Figure imgf000036_0008
Figure imgf000036_0009
1

0, 4Л0 ~ 0, Лй^ уменьшение контраста по сравнению с CNl (zNl ) будет не более, чем в два раза [64, 67], здесь v1 = 1, 2, 3, ... . Из этой оценки следует, что при расстоянии между решетками 7 и 8 меньше 2, 21^. муаровые структуры (1,1) и (2,1) с контрастом

Figure imgf000037_0001
могут формироваться при освещении решеток немонохроматическим светом с шириной спектра несколько десятых долей Яд . 0, 4Л 0 ~ 0, Лй^ the decrease in contrast compared to C Nl (z Nl ) will be no more than two times [64, 67], here v 1 = 1, 2, 3, ... . From this estimate it follows that at a distance between gratings 7 and 8 less than 2, 21^. moire structures (1,1) and (2,1) with contrast
Figure imgf000037_0001
can be formed when the gratings are illuminated with non-monochromatic light with a spectrum width of several tenths of a Yad.

Таким образом, если для дальнометрии и профилометрии в зоне дифракции Френеля проекционного устройства используется ЛМ структура (1,1), то согласно и. 38 формулы изобретения предпочтительно, чтобы расстояние между установленными в проекционном устройстве амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием было в пределах диапазонов от (и, - 0, 2) Lj. (Яд ) до (i j + 0, 2) 1^ (Яо ) , а установленный в проекционном устройстве осветитель излучал свет с полушириной спектра по длине волны ДЯ меньше, чем О ЯдЦ^1 . При использовании ЛМ структуры (2,1) согласно и. 39 формулы изобретения предпочтительно, чтобы расстояние между первой и второй амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием было в пределах диапазонов от ( а осветитель излучал свет с

Figure imgf000037_0002
полушириной спектра по длине волны ЛЯ меньше, чем О ЯдЦ^1 . Thus, if the LM structure (1,1) is used for rangefinding and profilometry in the Fresnel diffraction zone of the projection device, then, according to clause 38 of the formula of the invention, it is preferable that the distance between the amplitude gratings with sinusoidal transmission installed in the projection device be within the ranges from (i, - 0, 2) Lj. (YaD) to (ij + 0, 2) 1^ ( YaO ), and the illuminator installed in the projection device emits light with a spectral half-width by wavelength ΔY less than 0 YaD1^ 1. When using the LM structure (2,1), according to clause 39 of the formula of the invention, it is preferable that the distance between the first and second amplitude gratings with sinusoidal transmission be within the ranges from (and the illuminator emits light with
Figure imgf000037_0002
the half-width of the spectrum at wavelength LA is less than 0 ЯдЦ^ 1 .

Наибольшая величина контраста муаровой структуры (1,2), в отличие от муаровых структур (1,1) и (2,1), слабо зависит от расстояния между решетками 7 и 8 и их периодов, а также длины волны и ширины спектра света, излучаемого осветителем [65]. В частном случае, когда полуширина углового спектра света, излучаемого осветителем, меньше 30° и источник света расположен близко к первой решетке 2/?2 2 The greatest value of the contrast of the moire structure (1,2), in contrast to the moire structures (1,1) and (2,1), depends weakly on the distance between gratings 7 and 8 and their periods, as well as the wavelength and the width of the spectrum of light emitted by the illuminator [65]. In the particular case when the half-width of the angular spectrum of light emitted by the illuminator is less than 30° and the light source is located close to the first grating 2/? 2 2

, (например, Lo < 0, 2 — — ) величина контраста муаровой структуры (1,2) в Я Я плоскости z = z12 будет от 0,21 до 0,25 при произвольных значениях ширины частотного спектра света, излучаемого осветителем, а также расстояния между решетками и их периодов [65]. , (for example, L o < 0.2 — — ) the contrast value of the moire structure (1.2) in the Y Y plane z = z 12 will be from 0.21 to 0.25 for arbitrary values of the width of the frequency spectrum of light emitted by the illuminator, as well as the distance between the gratings and their periods [65].

Во втором численном примере определим характеристики муаровых структур, формируемых в зоне дифракции Френеля проекционным устройством 1 с двумя амплитудными решетками с синусоидальным пропусканием. Полагаем, что период первой решетки 7 равен = 0,5 мм, период второй решетки 8 равен р2 = 0,25 мм, = С2 = 1 . Обе решетки являются тонкими. Центральная длина волны света, излучаемого осветителем 6, равна Яд = 0,5 мкм, полуширина спектра света ЛЯ равна 0,1 мкм. Полуширина углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя 6, равна 0^ = 20°. Осветитель 6 расположен вплотную к первой решетке Lo = 0. Источник света 6 и решетки 7 и 8 имеют ширину рабочей апертуры, равную Нх - Dlx - D2X = 1 М. Расстояние между решетками равно

Figure imgf000038_0002
= 22,5 см . Длина Lj.
Figure imgf000038_0001
равна 25 см. При указанных выше параметрах проекционного устройства 1 ЛМ структуры будут формироваться в зоне дифракции Френеля, так как Д « 0,9Д, (Д) . Для муаровой структуры (1,1) параметр V равен 1. Пространственный период муаровой структуры (1,1) равен
Figure imgf000038_0003
0,5 мм. Эта муаровая структура будет иметь наибольший контраст в плоскости, удаленной от второй решетки на расстояние Д[ = 22,5 см. Величина Cjj
Figure imgf000038_0004
превышает 0,6. Угловой размер половины апертуры осветителя 0sx равен 48°. Он больше, чем полуширина углового спектра света, излучаемого элементами рабочей поверхности осветителя 6, 0sx > вхт . Глубина резкости муаровой структуры (1,1) примерно равна Д « 1,7Д =0,8 мм. Относительная глубина резкости ЛМ структуры (1,1) равна АД^Д! - 0,34 10’2. Ширина центральной области ЛМ структуры (1,1) равна примерно Du « 67 см. Пространственный период муаровой структуры (1,2) равен Р12 = 0,17 мм. Эта муаровая структура имеет наибольший контраст на расстоянии Д2 = 7,5 см от проекционного устройства. Наибольшее значение контраста муаровой структуры (1,2) примерно равно 0,23. Глубина резкости муаровой структуры (1,2) равна ДД2 ® 1,7Д2 = 0,3 мм, ее относительная глубина резкости равна ^2 - 0,4 -10~2 . ШиринаIn the second numerical example, we will determine the characteristics of the moiré structures formed in the Fresnel diffraction zone by the projection device 1 with two amplitude gratings with sinusoidal transmission. We assume that the period of the first grating 7 is equal to = 0.5 mm, the period of the second grating 8 is equal to p 2 = 0.25 mm, = C 2 = 1 . Both gratings are thin. The central wavelength of the light emitted by the illuminator 6 is equal to λd = 0.5 μm, the half-width of the light spectrum λa is equal to 0.1 μm. The half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the surface of illuminator 6 is 0^ = 20°. Illuminator 6 is located close to the first grating L o = 0. Light source 6 and gratings 7 and 8 have a working aperture width equal to H x - D lx - D 2X = 1 M. The distance between the gratings is
Figure imgf000038_0002
= 22.5 cm. Length Lj.
Figure imgf000038_0001
equals 25 cm. With the above parameters of the projection device, 1 LM structures will be formed in the Fresnel diffraction zone, since D « 0.9D, (D). For the moire structure (1,1), the parameter V is equal to 1. The spatial period of the moire structure (1,1) is equal to
Figure imgf000038_0003
0.5 mm. This moire structure will have the greatest contrast in the plane removed from the second grating at a distance of D[ = 22.5 cm. The value of Cjj
Figure imgf000038_0004
exceeds 0.6. The angular size of half the aperture of the illuminator 0 sx is equal to 48°. It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the working surface of the illuminator 6, 0 sx > 6 хт . The depth of field of the moire structure (1.1) is approximately equal to D « 1.7D = 0.8 mm. The relative depth of field of the LM of the structure (1.1) is equal to ΔΔ^Δ! - 0.34 10' 2 . The width of the central region of the LM of the structure (1.1) is equal to approximately D u « 67 cm. The spatial period of the moire structure (1.2) is equal to P 12 = 0.17 mm. This moire structure has the greatest contrast at a distance of D 2 = 7.5 cm from the projection device. The greatest contrast value of the moire structure (1.2) is approximately equal to 0.23. The depth of field of the moire structure (1.2) is equal to DD 2 ® 1.7D 2 = 0.3 mm, its relative depth of field is equal to ^ 2 - 0.4 -10~ 2 . Width

Аг центральной области ЛМ структуры (1,2) равна Dn = 78 см. Если, не меняя остальные параметры проекционного устройства 1, расстояние от первой решетки 7 до второй решетки 8 сделать равным 45 см, то муаровая структура (1,2) будет иметь максимальный контраст в плоскости, удаленной на расстоянии Д2 = 15 см от проекционного устройства. Угловой размер половины рабочей апертуры осветителя 0sx в этом случае равен 40°. Он больше, чем полуширина углового спектра света, излучаемого элементами поверхности осветителя, 0SX > вхт . При Д = 45 см ширина центральной области ЛМ структуры (1,2) равна D12 = 62 CM, ее относительная глубина резкости равна

Figure imgf000039_0001
The central region of the LM structure (1,2) is equal to D n = 78 cm. If, without changing the other parameters of the projection device 1, the distance from the first grating 7 to the second grating 8 is made equal to 45 cm, then the moire structure (1,2) will have a maximum contrast in the plane located at a distance of D 2 = 15 cm from the projection device. The angular size of half the working aperture of the illuminator 0 sx in this case is equal to 40°. It is greater than the half-width of the angular spectrum of light emitted by the elements of the illuminator surface, 0 SX > π . At D = 45 cm, the width of the central region of the LM structure (1,2) is equal to D 12 = 62 CM, its relative depth of field is equal to
Figure imgf000039_0001

Проекционное устройство с параметрами, при которых ЛМ структура по п. 3 формулы изобретения формируется в его зоне дифракции Френеля, предпочтительно использовать для дальнометрии и профилометрии в случаях, когда есть необходимость минимизировать период и относительную глубину резкости ЛМ структуры, при условии, что плоскость наибольшего контраста ЛМ структуры расположена на заданном расстоянии от проекционного устройства. Преимуществом реализации способа по и. 3 формулы изобретения также может являться то, что в этом случае можно сформировать и использовать для дальнометрии и профилометрии ЛМ структуру с заданным, например, оптимальным для измерений, пространственным периодом, которая удалена от проекционного устройства на относительно большое расстояние, которое по крайней мере больше, чем расстояние от проекционного устройства до границы его зоны ГО. Специфические особенности реализации способа по и. 3 формулы изобретения связаны, в частности, с ограничениями для ЛМ структур (N,M) с нечетным значением индекса М на ширину частотного спектра света, а также на диапазон изменения расстояний между решетками и/или их периодов. A projection device with parameters at which the LM structure according to claim 3 of the invention formula is formed in its Fresnel diffraction zone is preferably used for rangefinding and profilometry in cases where there is a need to minimize the period and relative depth of field of the LM structure, provided that the plane of greatest contrast of the LM structure is located at a given distance from the projection device. An advantage of implementing the method according to claim 3 of the invention formula may also be that in this case it is possible to form and use for rangefinding and profilometry an LM structure with a given, for example, optimal for measurements, spatial period, which is removed from the projection device at a relatively large distance, which is at least greater than the distance from the projection device to the boundary of its GO zone. Specific features of implementing the method according to claim 3 of the invention formula. 3 formulas of the invention are related, in particular, to restrictions for LM structures (N,M) with an odd value of the index M on the width of the frequency spectrum of light, as well as on the range of variation of the distances between gratings and/or their periods.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ SOURCES OF INFORMATION

1. Гужов В. И. Методы измерения ЗО-профиля объектов. Контактные, триангуляционные системы и методы структурированного освещения, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2015, 82 с.; 1. Guzhov V. I. Methods for measuring the 3D profile of objects. Contact, triangulation systems and methods of structured lighting, Novosibirsk, Publishing house of NSTU, 2015, 82 p.;

2. Zhang S. High-Speed 3D Imaging with Digital Fringe Projection Techniques, CRC Press, 2019, 216 p.; 2. Zhang S. High-Speed 3D Imaging with Digital Fringe Projection Techniques, CRC Press, 2019, 216 p.;

3. Giancola S., Valenti M., and Sala R. A Survey on 3D Cameras: Metrological Comparison of Time-of-Flight, Structured-Light and Active Stereoscopy Technologies, Springer Briefs in Computer Science, 2018, 90 p.; 3. Giancola S., Valenti M., and Sala R. A Survey on 3D Cameras: Metrological Comparison of Time-of-Flight, Structured-Light and Active Stereoscopy Technologies, Springer Briefs in Computer Science, 2018, 90 p.;

4. Berkovic G. and Shafir E. «Optical methods for distance and displacement measurements» // Adv. Opt. Photon. 2012, Vol.4, Issue 4, pp. 441-471; 4. Berkovic G. and Shafir E. “Optical methods for distance and displacement measurements” // Adv. Opt. Photon. 2012, Vol.4, Issue 4, pp. 441-471;

5. Marrugo A. G., Gao F., and Zhang S. «State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review» // J. Opt. Soc. Am. A, 2020, Vol. 37, Issue 9, pp. B60-B77; Patent US 10557939, 11.02.2020 «Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise» // Campbell S. R., Eichenholz J. M., Weed M. D.; Patent US20150055853, 26.02.2015 «Method and system for providing three- dimensional and range inter-planar estimation» // Gordon E., Zalevsky Z., Duadi H.; Patent US20120140243A1, 07.06.2012 «Non-contact surface characterization using modulated illumination» // Colonna de Lega X. M.; Takeda M., Aoki T., Miyamoto Y., Tanaka H., Gu R., Zhang Z. «Absolute 3-D shape measurements using coaxial and coimage plane optical systems and Fourier fringe analysis for focus detection» // Optical Engineering, 2000, Vol. 39, No.l, pp. 61-68; Otani Y. «Uniaxial 3D Shape Measurement» // Handbook of 3D Machine Vision. Optical Metrology and Imaging, Edited By Song Zhan, CRC Press. 2013, Chapter 11, pp. 275-281; Cheng N.-J., Hsu C.-Y., Lin Y.-A., Su W.-H. «3D image retrieval based on ID scanning fringe projections» // Proc. SPIE, 2018, Vol. 10755, pp. 1075514-1 - 1075514-6; Xu Y. and Zhang S. «Uniaxial three-dimensional shape measurement with projector defocusing» // Optical Engineering, 2012, Vol. 51, No. 2, pp. 023604-1 - 023604-6; Jing H., Su X., and You W. «Uniaxial three-dimensional shape measurement with multioperation modes for different modulation algorithms» // Optical Engineering, 2017, Vol. 56, No. 3, pp. 034115-1 - 034115-11; Patent US6376818 B l, 23.04.2002 «Microscopy imaging apparatus and method» // Wilson T., Neil M. A. A., Juskaitis R.; Neil M. A. A., Juskaitis R., and Wilson T. «Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope» // Opt. Lett. 1997, Vol. 22, No. 24, pp. 1905-1907; Patent US4657394, 14.04.1987 «Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours» // Halioua M.; Patent US20140253929, 11.09.2014 «Apparatus and method for 3D surface measurement» // Huang L., Ng C. S., Koh H. J., Asundi A. K.; Патент RU2232373C1, 10.07.2004 «Способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта (варианты)» // Левин Г. Г., Вишняков Г. Н., Лощилов К. Е.; Гужов В. И. Методы измерения SD-профиля объектов. Фазовые методы, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2016, 82 с. Geng J. «Structured-light 3D surface imaging: a tutorial» // Advances in Optics and Photonics, 2011, Vol. 3, Issue 2, pp. 128-160; Patent US5289264, 22.02.1994 «Method and apparatus for ascertaining the absolute coordinates of an object» // Steinbichler H.; Patent US5612786, 18.03.1997 «Contour measurement system» // Huber E. D., Williams R. A., Shough D. M., Kwon O. Y., Welling R. L.; Patent US20100299103 Al, 25.11.2010 «Three dimensional shape measurement apparatus, three dimensional shape measurement method, and computer program» // Yoshikawa H.; Патент RU2148793, 10.05.2000 «Способ измерения формы и пространственного положения поверхности объектов» // Филиппов Е. И., Нейланд А. Б., Бойко В. В., Бабичев Г. С., Сивохин А. В.; McCurry R. Е. «Multiple Source Moire Patterns» // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 467 - 472; Ebbeni J. «Nouveaux aspects du phenomene de moire» // Nouvelle Revue d'Optique Appliquee, 1970, Vol. 1, No. 5, pp. 333-342; Roblin M. L. «Realisation D'unsysteme de Franges Achromatiques a Pas Variable» // Optica Acta: International Journal of Optics, 1971, Vol. 18, No. 7, pp. 539-545; Swanson G. J. and Leith E. N. «Analysis of the Lau effect and generalized grating imaging» // J. Opt. Soc. Am. A, 1985, Vol. 2, No. 6, pp. 789-793; Patent US3812352, 21.05.1974 «Encoder readout system» // MacGovem A. J.; Pettigrew R. M. «Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology» // Proc. SPIE, 1978, Vol. 136, pp. 325-332; Patorski K. «The Self-Imaging Phenomenon and Its Applications» // Progress in Optics XXVII, Edited By E. Wolf, Elsevier Science Publishers, 1989, 107 p. Crespo D., Alonso J., and Bernabeu E. «Generalized imaging using an extended monochromatic light source» // J. Opt. Soc. Am. A, 2000, Vol. 17, No. 7, pp. 1231- 1240; Iwata K. «Interpretation of generalized grating imaging» // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 9, pp. 2244-2250; Lau E. «Beugungserscheinungen an Doppelrastern» // Ann. Phys., 1948, Vol. 437, Issue 7-8, pp. 417-423; Swanson G. J. and Leith E. N. «Lau effect and grating imaging» // J. Opt. Soc. Am., 1982, Vol. 72, No. 5, pp. 552-555; Torcal-Milla F. J., Sanchez-Brea L. M., and Bernabeu E. «Double grating systems with one steel tape grating» // Optics Communications, 2008, Vol. 281, Issue 23, pp. 5647- 5652; McCurry R. E. «Multiple Source Moire Patterns with Photographic Diffraction Gratings» // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 479 - 482; Patent US4049965, 20.09.1977 «Measurement apparatus» // Pettigrew R. M.; Patent JP2008232643 A, 02.10.2008 «Apparatus and method for measuring solid form» // Tomii T., Kusunoki F., Iwata K.; Moriwaki K., Fukuda H.; Iwata K., Kusunoki F., Moriwaki K., Fukuda H., and Tomii T. «Three-dimensional profiling using the Fourier transform method with a hexagonal grating projection» // Appl. Opt., 2008, Vol. 47, No. 12, pp. 2103-2107; Iwata K., Sando Y., Satoh K., Moriwaki K. «Application of generalized grating imaging to pattern projection in three-dimensional profilometry» // Appl. Opt., 2011, Vol. 50, No. 26, pp. 5115 - 5121; Hassani K., Nahal A., Tirandazi N. «Surface profilometry using the incoherent selfimaging technique in reflection mode» // J. Appl. Phys., 2018, Vol. 123, pp. 035302-1 - 035302-6; Thakur M., Quan С., Tay C. J. «Surface profiling using fringe projection technique based on Lau effect» // Optics and Laser Technology, 2007, Vol. 39, Issue 3, pp. 453- 459; Edmund optics, www_.edmundoptics.eu Standa, w w.standa.lt Artec3D, https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/tumtable Rangevision, imjr-://:~an ew>:on.cmu Thorlabs, Inc. https ://ww . thorlabs.com Грузман И. С., Киричук В. С., Косых В. IT, Перетягин Г. И., Спектор А.А. Цифровая обработка изображений в информационных системах, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 168 с.; Keren E., Livnat A., and Glatt I. «Moire deflectometry with pure sinusoidal gratings» // Optics Letters, 1985, Vol. 10, No. 4, pp. 167 - 169; Collier R. J., Burckhardt С. B., and Lin L. H. Optical Holography, New York, Academic, 1971, Chap. 9; Toto-Arellano N.-L, Gomez J.M. M., Garcia-Lechuga L., Montes-Perez A., Rodrfguez Zurita G., Martinez Garcia A., Martinez Dominguez J.A. «Diffraction theory of binary amplitude and phase gratings with applications for Ronchi test» // Optik, 2015, Vol. 126, Issue 23, pp. 3717-3727; Applied Image I

Figure imgf000043_0001
Buchwald K. «White paper: Fused Silica Transmission Gratings» // Ibsen Photonics, 2007, Publication Version: 1.0 March 2007, https ://ibsen.com/wp-
Figure imgf000043_0002
Patent JP2013114025 A, 29.11.2011 «Grating of Talbot- Lau interferometer» // Iwata K.; Iwata K., Satoh K., and Moriwaki K. «Relaxation of the Talbot condition in generalized grating imaging» // Applied Optics, 2012, Vol. 51, No. 16, pp. 3137 - 3144; Salinas-Luna J., Granados-Agustin F., Comejo-Rodriguez A., Luna E., Sanchez- Escobar J. J., Hernandez-Cid J. M. «Ronchi test with variable-frequency rulings» // Optical Engineering, 2009, Vol. 48, No.l, pp. 013604-1 - 013604-7; Кузьмин M. С., Рогов С. А. «Бинарные фазовые транспаранты на основе жидкокристаллической матрицы видеопроектора» // Журнал технической физики, 2018, Т. 88, Вып. 1, с. 85-88; Компанец И. Н., Андреев А. Л. «Микродисплеи в системах пространственной модуляции света» // Квант, электрон., 2017, Т. 47, № 4, с. 294 - 302; Кадомцев Б. Б. Коллективные явления в плазме, М.: Наука, 1988, 304 с.; Гитлин М. С., Островский Л. А. «Модуляционное эхо в диспергирующих средах» // ЖЭТФ, 1983, Т. 85, Вып. 2, с. 487 - 499; Dubetsky В. and Berman Р. R. «Creating and probing subwavelength atomic gratings using spatially separated fields» // Physical Review A, 1994, Vol. 50, No. 5, pp. 4057- 4068; Dubetsky B. and Berman P. R. «Atom interference using microfabricated structures» // Atom Interferometry, Edited By Paul R. Berman, Academic Press, 1997, pp. 407-468; Garcfa-Rodrfguez L., Alonso J. and Bemabeu E. «Grating pseudo-imaging with polychromatic and finite extension sources» // Optics Express, 2004, Vol. 12, No. 11, pp. 2529-2541; Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Bemabeu E. «Quasicontinuous pseudoimages in sinusoidal grating imaging using an extended light source» // Optics Communications, 2004, Vol. 236, pp. 53-58; Ye G., Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu В. «А theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoder» // Optics Communications, 2015, Vol. 354, pp. 21-27; Sanchez-Brea L. M., Saez-Landete J., Alonso J., Bemabeu E. «Invariant grating pseudoimaging using polychromatic light and a finite extension source» // Applied Optics, 2008, Vol. 47, No. 10, pp. 1470-1477; Olszak A., Wronkowski L. «Analysis of the Fresnel field of a double diffraction system in the case of two amplitude diffraction gratings under partially coherent illumination» // Optical Engineering, 1997, Vol. 36, No. 8, pp. 2149 - 2157; Iwata K. «Interpretation of generalized grating imaging: further analysis and numerical calculation» // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 12, pp. 2939-2944; Case W. B., Tomandl M., Deachapunya S., and Arndt M. «Realization of optical carpets in the Talbot and Talbot-Lau configurations» // Opt. Express, 2009, Vol. 17, Issue 23, pp. 20966 -20974; Tu Jinghong «Theoretical Analysis of the Lau Effect with a Sinusoidal Phase Grating» // J. Modern Optics, 1987, Vol. 34, No. 2, pp. 307-313; Tu Jinhong «The Diffraction Near Fields and Lau Effect of a Square-wave Modulated Phase Grating» // J. of Modern Optics, 1988, Vol. 35, No.8, pp. 1399-1408; Hassani K. and Sohrabi S. «Simple setup to measure the phase map of transparent objects based on incoherent self-imaging» // Optical Engineering, 2022, Vol. 61, No. 3, pp. 034102-1 - 034102-14; Patent US5812629, 22.09.1998 «Ultrahigh resolution interferometric x-ray imaging» // Clauser J. F.; Sanchez-Brea L. M., Alonso J., Saez-Landete J. B., Bemabeu E. «Analytical model of a double grating system with partial temporal and spatial coherence» // Proceedings of SPIE, 2005, Vol. 5858, pp. 585814-1 - 585814-8. 5. Marrugo A.G., Gao F., and Zhang S. “State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review” // J. Opt. Soc. Am. A, 2020, Vol. 37, Issue 9, pp. B60-B77; Patent US 10557939, 02/11/2020 “Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise” // Campbell SR, Eichenholz JM, Weed MD; Patent US20150055853, 02.26.2015 “Method and system for providing three-dimensional and range inter-planar estimation” // Gordon E., Zalevsky Z., Duadi H.; Patent US20120140243A1, 06/07/2012 “Non-contact surface characterization using modulated illumination” // Colonna de Lega XM; Takeda M., Aoki T., Miyamoto Y., Tanaka H., Gu R., Zhang Z. “Absolute 3-D shape measurements using coaxial and coimage plane optical systems and Fourier fringe analysis for focus detection” // Optical Engineering, 2000, Vol. 39, No.l, pp. 61-68; Otani Y. “Uniaxial 3D Shape Measurement” // Handbook of 3D Machine Vision. Optical Metrology and Imaging, Edited By Song Zhan, CRC Press. 2013, Chapter 11, pp. 275-281; Cheng N.-J., Hsu C.-Y., Lin Y.-A., Su W.-H. “3D image retrieval based on ID scanning fringe projections” // Proc. SPIE, 2018, Vol. 10755, pp. 1075514-1 - 1075514-6; Xu Y. and Zhang S. “Uniaxial three-dimensional shape measurement with projector defocusing” // Optical Engineering, 2012, Vol. 51, No. 2, pp. 023604-1 - 023604-6; Jing H., Su X., and You W. “Uniaxial three-dimensional shape measurement with multioperation modes for different modulation algorithms” // Optical Engineering, 2017, Vol. 56, No. 3, pp. 034115-1 - 034115-11; Patent US6376818 B l, 04/23/2002 “Microscopy imaging apparatus and method” // Wilson T., Neil MAA, Juskaitis R.; Neil MAA, Juskaitis R., and Wilson T. "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope" // Opt. Lett. 1997, Vol. 22, No. 24, pp. 1905-1907; Patent US4657394 , 14.04.1987 «Apparatus and method for obtaining three dimensional surface contours» // Halioua M.; Patent US20140253929, 11.09.2014 «Apparatus and method for 3D surface measurement» // Huang L., Ng CS, Koh HJ, Asundi AK ; Patent RU2232373C1, 10.07.2004 “Method of optical measurement of the surface shape of a three-dimensional object (variants)” // Levin G. G., Vishnyakov G. N., Loshchilov K. E.; Guzhov V. I. Methods for measuring the SD profile of objects. Phase methods, Novosibirsk, NSTU Publishing House, 2016, 82 p. Geng J. "Structured-light 3D surface imaging: a tutorial" // Advances in Optics and Photonics, 2011 , Vol. 3, Issue 2, pp. 128-160; Patent US5289264, 22.02.1994 «Method and apparatus for ascertaining the absolute coordinates of an object» // Steinbichler H.; Patent US5612786, 18.03.1997 «Contour measurement system» // Huber ED, Williams RA, Shough DM, Kwon OY, Welling RL; Patent US20100299103 Al, 25.11.2010 "Three dimensional shape measurement apparatus, three dimensional shape measurement method, and computer program" // Yoshikawa H.; Patent RU2148793, 10.05.2000 "Method for measuring the shape and spatial position of the surface of objects" // Filippov E. . I., Neiland A. B., Boyko V. V., Babichev G. S., Sivokhin A. V.; McCurry R. E. “Multiple Source Moire Patterns” // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 467 - 472; Ebbeni J. "New aspects of the phenomenon of moire" // New Review of Optical Applique, 1970, Vol. 1, No. 5, pp. 333-342; Roblin ML “Realization D'unsysteme de Franges Achromatiques a Pas Variable” // Optica Acta: International Journal of Optics, 1971, Vol. 18, No. 7, pp. 539-545; Swanson GJ and Leith EN “Analysis of the Lau effect and generalized grating imaging” // J. Opt. Soc. Am. A, 1985, Vol. 2, No. 6, pp. 789-793; Patent US3812352, 05/21/1974 “Encoder readout system” // MacGovem AJ; Pettigrew RM "Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology" // Proc. SPIE, 1978, Vol. 136, pp. 325-332; Patorski K. “The Self-Imaging Phenomenon and Its Applications” // Progress in Optics XXVII, Edited By E. Wolf, Elsevier Science Publishers, 1989, 107 p. Crespo D., Alonso J., and Bernabeu E. “Generalized imaging using an extended monochromatic light source,” J. Opt. Soc. Am. A, 2000, Vol. 17, No. 7, pp. 1231- 1240; Iwata K. “Interpretation of generalized grating imaging” // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 9, pp. 2244-2250; Lau E. “Beugungserscheinungen an Doppelrastern” // Ann. Phys., 1948, Vol. 437, Issue 7-8, pp. 417-423; Swanson GJ and Leith EN “Lau effect and grating imaging” // J. Opt. Soc. Am., 1982, Vol. 72, No. 5, pp. 552-555; Torcal-Milla FJ, Sanchez-Brea LM, and Bernabeu E. “Double grating systems with one steel tape grating” // Optics Communications, 2008, Vol. 281, Issue 23, pp. 5647-5652; McCurry RE "Multiple Source Moire Patterns with Photographic Diffraction Gratings" // J. Appl. Phys., 1966, Vol. 37, Issue 2, pp. 479 - 482; Patent US4049965, 09.20.1977 “Measurement apparatus” // Pettigrew RM; Patent JP2008232643 A, 10/02/2008 “Apparatus and method for measuring solid form” // Tomii T., Kusunoki F., Iwata K.; Moriwaki K., Fukuda H.; Iwata K., Kusunoki F., Moriwaki K., Fukuda H., and Tomii T. “Three-dimensional profiling using the Fourier transform method with a hexagonal grating projection” // Appl. Opt., 2008, Vol. 47, No. 12, pp. 2103-2107; Iwata K., Sando Y., Satoh K., Moriwaki K. “Application of generalized grating imaging to pattern projection in three-dimensional profilometry” // Appl. Opt., 2011, Vol. 50, No. 26, pp. 5115 - 5121; Hassani K., Nahal A., Tirandazi N. “Surface profilometry using the incoherent selfimaging technique in reflection mode” // J. Appl. Phys., 2018, Vol. 123, pp. 035302-1 - 035302-6; Thakur M., Quan S., Tay C.J. “Surface profiling using fringe projection technique based on Lau effect” // Optics and Laser Technology, 2007, Vol. 39, Issue 3, pp. 453-459; Edmund optics, www_.edmundoptics.eu Standa, w w.standa.lt Artec3D, https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/tumtable Rangevision, imjr-://:~an ew>:on. cmu Thorlabs, Inc. https ://ww . thorlabs.com Gruzman I. S., Kirichuk V. S., Kosykh V. IT, Peretyagin G. I., Spektor A. A. Digital image processing in information systems, Novosibirsk : Publishing house of NSTU, 2000, 168 p.; Keren E., Livnat A., and Glatt I. “Moire deflectometry with pure sinusoidal gratings” // Optics Letters, 1985, Vol. 10, No. 4, pp. 167 - 169; Collier R. J., Burckhardt S. B., and Lin L. H. Optical Holography, New York, Academic, 1971, Chap. 9; Toto-Arellano N.-L, Gomez JMM, Garcia-Lechuga L., Montes-Perez A., Rodrfguez Zurita G., Martinez Garcia A., Martinez Dominguez JA “Diffraction theory of binary amplitude and phase gratings with applications for Ronchi test " // Optik, 2015, Vol. 126, Issue 23, pp. 3717-3727; Applied Image I
Figure imgf000043_0001
Buchwald K. “White paper: Fused Silica Transmission Gratings” // Ibsen Photonics, 2007, Publication Version: 1.0 March 2007, https://ibsen.com/wp-
Figure imgf000043_0002
Patent JP2013114025 A, 11.29.2011 “Grating of Talbot-Lau interferometer” // Iwata K.; Iwata K., Satoh K., and Moriwaki K. “Relaxation of the Talbot condition in generalized grating imaging” // Applied Optics, 2012, Vol. 51, No. 16, pp. 3137 - 3144; Salinas-Luna J., Granados-Agustin F., Comejo-Rodriguez A., Luna E., Sanchez-Escobar JJ, Hernandez-Cid JM “Ronchi test with variable-frequency rulings” // Optical Engineering, 2009, Vol. 48, No.l, pp. 013604-1 - 013604-7; Kuzmin M. S., Rogov S. A. "Binary phase transparencies based on a liquid crystal matrix of a video projector" // Journal of Technical Physics, 2018, Vol. 88, Issue 1, pp. 85-88; Kompanets I. N., Andreev A. L. "Microdisplays in spatial light modulation systems" // Quantum, electron., 2017, Vol. 47, No. 4, pp. 294 - 302; Kadomtsev B. B. Collective phenomena in plasma, Moscow: Science, 1988 , 304 pp.; Gitlin M. S., Ostrovsky L. A. “Modulation echo in dispersive media” // JETP, 1983, Vol. 85, Issue 2, pp. 487–499; Dubetsky V. and Berman R. R. “Creating and probing subwavelength atomic gratings using spatially separated fields” // Physical Review A, 1994, Vol. 50, No. 5, pp. 4057-4068; Dubetsky B. and Berman PR “Atom interference using microfabricated structures” // Atom Interferometry, Edited By Paul R. Berman, Academic Press, 1997, pp. 407-468; Garcfa-Rodrfguez L., Alonso J. and Bemabeu E. “Grating pseudo-imaging with polychromatic and finite extension sources” // Optics Express, 2004, Vol. 12, No. 11, pp. 2529-2541; Sanchez-Brea L.M., Alonso J., Bemabeu E. “Quasicontinuous pseudoimages in sinusoidal grating imaging using an extended light source” // Optics Communications, 2004, Vol. 236, pp. 53-58; Ye G., Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu W. “A theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoder” // Optics Communications, 2015, Vol. 354, pp. 21-27; Sanchez-Brea L.M., Saez-Landete J., Alonso J., Bemabeu E. “Invariant grating pseudoimaging using polychromatic light and a finite extension source” // Applied Optics, 2008, Vol. 47, No. 10, pp. 1470-1477; Olszak A., Wronkowski L. “Analysis of the Fresnel field of a double diffraction system in the case of two amplitude diffraction gratings under partially coherent illumination” // Optical Engineering, 1997, Vol. 36, No. 8, pp. 2149 - 2157; Iwata K. “Interpretation of generalized grating imaging: further analysis and numerical calculation” // J. Opt. Soc. Am. A, 2008, Vol. 25, No. 12, pp. 2939-2944; Case W.B., Tomandl M., Deachapunya S., and Arndt M. “Implementation of optical carpets in the Talbot and Talbot-Lau configurations,” Opt. Express, 2009, Vol. 17, Issue 23, pp. 20966 -20974; Tu Jinghong “Theoretical Analysis of the Lau Effect with a Sinusoidal Phase Grating” // J. Modern Optics, 1987, Vol. 34, No. 2, pp. 307-313; Tu Jinhong “The Diffraction Near Fields and Lau Effect of a Square-wave Modulated Phase Grating” // J. of Modern Optics, 1988, Vol. 35, No.8, pp. 1399-1408; Hassani K. and Sohrabi S. “Simple setup to measure the phase map of transparent objects based on incoherent self-imaging” // Optical Engineering, 2022, Vol. 61, No. 3, pp. 034102-1 - 034102-14; Patent US5812629, 09/22/1998 “Ultrahigh resolution interferometric x-ray imaging” // Clauser JF; Sanchez-Brea LM, Alonso J., Saez-Landete JB, Bemabeu E. “Analytical model of a double grating system with partial temporal and spatial coherence” // Proceedings of SPIE, 2005, Vol. 5858, pp. 585814-1 - 585814-8.

Claims

43 Формула изобретения 43 Invention formula 1. Способ бесконтактной дальнометрии и профилометриии, включающий в себя проецирование на поверхность объекта световой периодической муаровой структуры, формируемой с помощью проекционного устройства, содержащего пространственно протяженный источник света, который также называется осветителем, а также первую, ближнюю к источнику света, и вторую, выходную, плоские решетки с пространственнопериодической зависимостью коэффициента пропускания, регистрацию с помощью устройства регистрации изображений изображения поверхности объекта, на который спроецирована эта периодическая муаровая структура, расчет вычислительным устройством зависимости яркости изображения поверхности объекта от координат на изображении, отличающийся тем что формируют и проецируют на объект по меньшей мере одну муаровую структуру, локализованную в направлении, которое перпендикулярно плоскости выходной решетки и которое называется продольным, где локализация муаровой структуры означает, что наименьшая глубина резкости этой муаровой структуры по крайней мере в четыре раза меньше расстояния от плоскости выходной решетки проекционного устройства до параллельной ей плоскости, на которой контраст этой муаровой структуры имеет наибольшее значение, находят путем математической обработки изображения поверхности объекта изолинию наибольшего контраста проекции на объект локализованной муаровой (ЛМ) структуры, перемещают проекцию ЛМ структуры по поверхности объекта, совмещают изолинию наибольшего контраста проекции ЛМ структуры с одной или большим числом точек на поверхности объекта, определяют продольные координаты этих точек, используя для этого известное значение расстояния от плоскости выходной решетки проекционного устройства до плоскости наибольшего контраста ЛМ структуры, находят значения поперечных координат точек поверхности объекта и ее форму, используя для этого найденные значения их продольных координат и изображение объекта. 1. A method for contactless ranging and profilometry, which includes projecting onto the surface of an object a periodic moiré light structure formed using a projection device containing a spatially extended light source, which is also called an illuminator, as well as a first, closest to the light source, and a second, output, flat grating with a spatially periodic dependence of the transmittance, recording using an image recording device an image of the surface of the object onto which this periodic moiré structure is projected, calculating by a computing device the dependence of the brightness of the image of the surface of the object on the coordinates in the image, characterized in that at least one moiré structure is formed and projected onto the object, localized in a direction that is perpendicular to the plane of the output grating and which is called longitudinal, where the localization of the moiré structure means that the smallest depth of field of this moiré structure is at least four times less than the distance from the plane of the output grating of the projection device to a plane parallel to it, on which the contrast of this moiré structure has the greatest value, is found by mathematical processing of the image of the surface of the object, the isoline of the greatest contrast of the projection onto the object of the localized moire (LM) structure, moving the projection of the LM structure along the surface of the object, combining the isoline of the greatest contrast of the projection of the LM structure with one or more points on the surface of the object, determining the longitudinal coordinates of these points, using for this the known value of the distance from the plane of the output grating of the projection device to the plane of the greatest contrast of the LM structure, finding the values of the transverse coordinates of the points of the surface of the object and its shape, using for this the found values of their longitudinal coordinates and the image of the object. 2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одну локализованную муаровую структуру формируют в области геометрической оптики проекционного устройства. 2. The method according to claim 1, characterized in that at least one localized moire structure is formed in the area of the geometric optics of the projection device. 3. Способ по и. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одну локализованную муаровую структуру формируют в области дифракции Френеля проекционного устройства. 44 3. The method according to claim 1, characterized in that at least one localized moire structure is formed in the Fresnel diffraction region of the projection device. 44 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность объекта проецируют локализованную муаровую структуру, обозначаемую индексами (N, М), где N и М - натуральные числа, которую формируют с помощью проекционного устройства, включающего в себя пространственно протяженный источник света, а также первую, ближнюю к источнику света, и вторую, выходную, плоские одномерные решетки, которые расположены в параллельных плоскостях с одной стороны от источника света, причем эти решетки имеют одинаковое направление полос, вдоль которого направлена поперечная ось у, и периодическую зависимость амплитудного коэффициента пропускания от поперечной координаты х, перпендикулярной направлению их полос, определяют зависимость контраста квазипериодического в направлении оси х изменения яркости изображения поверхности объекта от координат на изображении, причем учитывают, что пространственный период изменения яркости поверхности объекта в направлении оси х равен периоду PNM муаровой структуры (N, М), который вычисляют по формуле
Figure imgf000046_0001
где RNM = Mp Np2 > 1 , и 2 - период первой и второй решетки соответственно, вычисляют расстояние от плоскости выходной решетки до плоскости, где контраст муаровой структуры (N,M) максимален, по формуле
Figure imgf000046_0002
где - расстояние между плоскостями первой и второй решетки, на основе этих данных определяют продольные координаты точек, находящихся на изолинии наибольшего контраста проекции муаровой структуры (N,M~).
4. The method according to claim 1, characterized in that a localized moire structure designated by indices (N, M), where N and M are natural numbers, is projected onto the surface of the object, which is formed using a projection device that includes a spatially extended light source, as well as a first, closest to the light source, and a second, output, flat one-dimensional gratings that are located in parallel planes on one side of the light source, wherein these gratings have the same direction of stripes along which the transverse y-axis is directed, and a periodic dependence of the amplitude transmittance on the transverse coordinate x, perpendicular to the direction of their stripes, determine the dependence of the contrast of a quasi-periodic change in the brightness of the image of the object's surface in the direction of the x-axis on the coordinates in the image, and take into account that the spatial period of the change in the brightness of the object's surface in the direction of the x-axis is equal to the period P NM of the moire structure (N, M), which is calculated using the formula
Figure imgf000046_0001
where R NM = Mp Np 2 > 1 , and 2 are the periods of the first and second gratings, respectively, the distance from the plane of the output grating to the plane where the contrast of the moire structure (N, M) is maximum is calculated using the formula
Figure imgf000046_0002
where is the distance between the planes of the first and second lattices; based on these data, the longitudinal coordinates of the points located on the isoline of the greatest contrast of the projection of the moire structure (N, M~) are determined.
5. Способ по и. 4, отличающийся тем, что для его реализации используют по меньшей мере одну из ЛМ структур: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) и (3,1). 5. The method according to item 4, characterized in that at least one of the LM structures is used for its implementation: (1,3), (1,2), (1,1), (2,1) and (3,1). 6. Способ по и. 1, отличающийся тем, что для его реализации используют по меньшей мере одну ЛМ структуру, у которой наибольшее значение контраста превосходит 0,2. 6. The method according to claim 1, characterized in that for its implementation at least one LM structure is used, the greatest contrast value of which exceeds 0.2. 7. Способ по и. 1, отличающийся тем, что, используя одно проекционное устройство, формируют несколько локализованных муаровых структур, одновременно или последовательно перемещают их проекции по поверхности одного или большего числа объектов. 45 7. The method according to item 1, characterized in that, using one projection device, several localized moire structures are formed, and their projections are simultaneously or sequentially moved over the surface of one or more objects. 45 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перемещение проекции одной или большего числа ЛМ структур по поверхности объекта осуществляют путем поступательного перемещения проекционного устройства или объекта. 8. The method according to paragraph 1, characterized in that the movement of the projection of one or more LM structures along the surface of the object is carried out by means of translational movement of the projection device or object. 9. Способ по и. 1, отличающийся тем, что перемещение проекции одной или большего числа ЛМ структур по поверхности объекта осуществляют путем поворота проекционного устройства и/или объекта. 9. The method according to item 1, characterized in that the movement of the projection of one or more LM structures along the surface of the object is carried out by rotating the projection device and/or the object. 10. Способ по и. 1, отличающийся тем, что перемещение проекции одной или большего числа локализованных муаровых структур по поверхности объекта осуществляют путем изменения расстояния от плоскости выходной решетки проекционного устройства до плоскости наибольшего контраста ЛМ структуры. 10. The method according to item 1, characterized in that the movement of the projection of one or more localized moire structures along the surface of the object is carried out by changing the distance from the plane of the output grating of the projection device to the plane of greatest contrast of the LM structure. 11. Способ по и. 4, или и. 10, отличающийся тем, что изменение расстояния от плоскости выходной решетки проекционного устройства до плоскости наибольшего контраста ЛМ структуры осуществляют путем изменения расстояния между первой и второй решетками, установленными в проекционном устройстве. 11. The method according to item 4, or item 10, characterized in that the change in the distance from the plane of the output grating of the projection device to the plane of greatest contrast of the LM structure is carried out by changing the distance between the first and second gratings installed in the projection device. 12. Способ по и. 4, или и. 10, отличающийся тем, что изменение расстояния от плоскости выходной решетки проекционного устройства до плоскости наибольшего контраста ЛМ структуры осуществляют путем изменения пространственного периода по меньшей мере одной из решеток, установленной в проекционном устройстве. 12. The method according to item 4, or item 10, characterized in that the change in the distance from the plane of the output grating of the projection device to the plane of greatest contrast of the LM structure is carried out by changing the spatial period of at least one of the gratings installed in the projection device. 13. Способ по и. 1, отличающийся тем, что осуществляют перемещение изолинии наибольшего контраста проекции по меньшей мере одной ЛМ структуры по всей контролируемой части поверхности объекта, причем при каждом положении изолинии наибольшего контраста определяют координаты множества точек поверхности, находящихся на этой изолинии. 13. The method according to item 1, characterized in that the isoline of greatest contrast of the projection of at least one LM structure is moved along the entire controlled part of the surface of the object, and at each position of the isoline of greatest contrast, the coordinates of a set of points of the surface located on this isoline are determined. 14. Способ по и. 4, отличающийся тем, что формируют локализованную муаровую структуру (N, М), используя для этого проекционное устройство, включающее в себя первую и вторую тонкие амплитудные решетки, а также осветитель с плоской однородной светящейся поверхностью, которая параллельна плоскостям решеток и имеет форму прямоугольника со сторонами параллельными осям х и у, причем полуширина в плоскости у = ys углового спектра излучаемого осветителем света 6хт 14. The method according to item 4, characterized in that a localized moire structure (N, M) is formed using a projection device for this purpose, which includes first and second thin amplitude gratings, as well as an illuminator with a flat homogeneous luminous surface, which is parallel to the planes of the gratings and has the shape of a rectangle with sides parallel to the x and y axes, wherein the half-width in the y plane = y s of the angular spectrum of the light emitted by the illuminator is 6 xm 71 меньше — , а ограничивающие первую и вторую решетку оправы не виньетируют осветитель в направлении оси х при его наблюдении из центральной области ЛМ структуры (N, M), оценивают глубину резкости этой ЛМ структуры при |х| < 0,5 D^M по формуле
Figure imgf000048_0001
где DNM - ширина центральной области муаровой структуры (N, М), которая вычисляется по формуле
Figure imgf000048_0002
71 less — , and the frames limiting the first and second gratings do not vignette the illuminator in the direction of the x-axis when it is observed from the central region of the LM structures (N, M), estimate the depth of field of this LM structure at |x| < 0.5 D^ M using the formula
Figure imgf000048_0001
where D NM is the width of the central region of the moire structure (N, M), which is calculated using the formula
Figure imgf000048_0002
0Ех - наименьшая из величин 0sx и 6хт , 0 Ex is the smallest of the values 0 sx and 6 xt , 0sx - угловой размер в плоскости у = ys половины апертуры рабочей поверхности осветителя, равный
Figure imgf000048_0003
0 sx - angular size in the plane y = y s of half the aperture of the working surface of the illuminator, equal to
Figure imgf000048_0003
Нх - ширина апертуры рабочей поверхности осветителя, H x - aperture width of the working surface of the illuminator, Lo - расстояние между плоскостью рабочей поверхности источника света и плоскостью первой решетки, ys - координата центра рабочей поверхности осветителя по оси у . L o is the distance between the plane of the working surface of the light source and the plane of the first grating, y s is the coordinate of the center of the working surface of the illuminator along the y axis.
15. Способ по и. 1 отличающийся тем что для его реализации формируют локализованную муаровую структуру, у которой наименьшая относительная глубина резкости меньше трех процентов. 15. The method according to item 1, characterized in that for its implementation a localized moire structure is formed, the smallest relative depth of field of which is less than three percent. 16. Система дальнометрии и профилометриии, включающая в себя по меньшей мере, одно устройство регистрации изображений, вычислительное устройство и проекционное устройство, содержащее пространственно протяженный источник некогерентного света, первую и вторую плоские периодические решетки, которые расположены в параллельных плоскостях с одной стороны от источника света, и которые освещаются упомянутым источником света, причем на вторую решетку падает свет, прошедший через первую решетку, отличающаяся тем, что в системе применено по меньшей мере одно устройство для осуществления перемещения изолинии наибольшего контраста проекции ЛМ структуры, формируемой проекционным устройством, по поверхности по меньшей мере одного объекта. 16. A rangefinding and profilometry system comprising at least one image recording device, a computing device and a projection device containing a spatially extended source of incoherent light, first and second flat periodic gratings which are located in parallel planes on one side of the light source and which are illuminated by said light source, wherein the light that has passed through the first grating falls on the second grating, characterized in that the system uses at least one device for moving the isoline of the greatest contrast of the projection of the LM structure formed by the projection device along the surface of at least one object. 17. Система по и. 16, отличающаяся тем, что в ней применено проекционное устройство, в котором в качестве первой и второй решетки использованы одномерные периодические решетки, причем их полосы направлены параллельно. 17. The system according to claim 16, characterized in that it uses a projection device in which one-dimensional periodic gratings are used as the first and second gratings, with their stripes directed parallel. 18. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в оптическом проекционном устройстве в качестве осветителя использован источник диффузного света. 18. The system according to item 16, characterized in that a diffuse light source is used as an illuminator in the optical projection device. 19. Система по и. 16, отличающаяся тем, что в ней дополнительно применено устройство для определения координат и ориентации проекционного устройства в глобальной системе координат. 19. The system according to item 16, characterized in that it additionally uses a device for determining the coordinates and orientation of the projection device in the global coordinate system. 20. Система по и. 16, отличающаяся тем, что в ней применено по меньшей мере одно устройство, осуществляющее поступательное перемещение проекционного устройства и/или объекта и определяющее величину этого перемещения. 20. The system according to item 16, characterized in that it uses at least one device that carries out the translational movement of the projection device and/or object and determines the magnitude of this movement. 21. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в ней применено по меньшей мере одно устройство, осуществляющее поворот проекционного устройства или объекта и определяющее величину этого поворота. 21. The system according to claim 16, characterized in that it uses at least one device that rotates the projection device or object and determines the magnitude of this rotation. 22. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в ней применено устройство, которое контролируемо изменяет расстояние между плоскостями первой и второй решеток, установленных в проекционном устройстве. 22. The system according to item 16, characterized in that it uses a device that controllably changes the distance between the planes of the first and second gratings installed in the projection device. 23. Система по п. 17, отличающаяся тем, что дополнительно применено устройство, которое контролируемо перемещает по меньшей мере одну из решеток, установленных в проекционном устройстве, вдоль поперечной координаты х, перпендикулярной направлению полос решеток. 23. The system according to claim 17, characterized in that a device is additionally used that controllably moves at least one of the gratings installed in the projection device along the transverse coordinate x, perpendicular to the direction of the grating strips. 24. Система по п. 16, отличающаяся тем, что оптическая ось по меньшей мере одного устройства регистрации изображений параллельна продольной оси проекционного устройства. 24. The system according to claim 16, characterized in that the optical axis of at least one image recording device is parallel to the longitudinal axis of the projection device. 25. Система по п. 16, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка. 25. The system according to item 16, characterized in that it uses a projection device in which at least one amplitude grating is installed. 26. Система по п. 17, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором установлена по меньшей мере одна амплитудная решетка с синусоидальной зависимостью величины изменения амплитудного коэффициента пропускания от поперечной координаты. 26. The system according to claim 17, characterized in that it uses a projection device in which at least one amplitude grating is installed with a sinusoidal dependence of the magnitude of the change in the amplitude transmittance coefficient on the transverse coordinate. 27. Система по п. 17, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором в качестве по меньшей мере одной решетки использован амплитудный бинарный растр. 27. The system according to claim 17, characterized in that it uses a projection device in which an amplitude binary raster is used as at least one grating. 28. Система по п. 16, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором по меньшей мере одна решетка является фазовой решеткой. 48 28. The system according to claim 16, characterized in that it uses a projection device in which at least one grating is a phase grating. 48 29. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в ней применено проекционное устройство, в котором характеристики по меньшей мере одной решетки можно изменять. 29. The system according to claim 16, characterized in that it uses a projection device in which the characteristics of at least one grating can be changed. 30. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в ней применено проекционное устройство, в котором для формирования по меньшей мере одной решетки использован пространственный модулятор света. 30. The system according to claim 16, characterized in that it uses a projection device in which a spatial light modulator is used to form at least one grating. 31. Система по п. 17, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором первая и вторая решетки являются амплитудными решетками. 31. The system according to item 17, characterized in that it uses a projection device in which the first and second gratings are amplitude gratings. 32. Система по п. 16, отличающаяся тем, что в ней применено проекционное устройство, в котором установлены тонкие первая и вторая решетки, при прохождении через которые угловой спектр света, излучаемого осветителем, сужается менее чем на 20%. 32. The system according to item 16, characterized in that it uses a projection device in which thin first and second gratings are installed, when passing through which the angular spectrum of light emitted by the illuminator narrows by less than 20%. 33. Система по п. 17, отличающаяся тем, что в проекционном устройстве использован осветитель с однородной плоской светящейся поверхностью, которая параллельна плоскостям решеток и имеет форму прямоугольника со сторонами, параллельными осям х и у. 33. The system according to item 17, characterized in that the projection device uses an illuminator with a uniform flat luminous surface that is parallel to the planes of the gratings and has the shape of a rectangle with sides parallel to the x and y axes. 34. Система по п. 31, отличающаяся тем, что для формирования ЛМ структуры (N, М) в ней применено проекционное устройство, в котором первая и вторая решетки расположены на расстоянии друг от друга L Т, меньше Р1Р2 >
Figure imgf000050_0001
34. The system according to item 31, characterized in that for the formation of the LM structure (N, M), a projection device is used in it, in which the first and second gratings are located at a distance from each other L T, less than P1P2 >
Figure imgf000050_0001
Ят = Д, + ДЯ , Яр - центральная длина волны света, излучаемого осветителем, АЛ - полуширина его спектра по длине волны. I t = D, + DY, DY is the central wavelength of light emitted by the illuminator, AL is the half-width of its spectrum by wavelength.
35. Система по п. 31, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором первая и вторая решетки имеют синусоидальную зависимостью величины изменения амплитудного коэффициента пропускания от координаты х. 35. The system according to item 31, characterized in that it uses a projection device in which the first and second gratings have a sinusoidal dependence of the magnitude of the change in the amplitude transmittance on the x coordinate. 36. Система по п. 33, отличающаяся тем, что в проекционном устройстве использованы осветитель, первая и вторая тонкие амплитудные решетки с угловыми размерами в плоскости у = ys больше, чем ширина в этой плоскости углового спектра света, излучаемого осветителем, где упомянутые угловые размеры осветителя и решеток определяются из центра плоскости, в которой максимален контраст ЛМ структуры, используемой для измерений. 36. The system according to item 33, characterized in that the projection device uses an illuminator, first and second thin amplitude gratings with angular dimensions in the plane y = y s greater than the width in this plane of the angular spectrum of light emitted by the illuminator, where the said angular dimensions of the illuminator and gratings are determined from the center of the plane in which the contrast of the LM structure used for measurements is maximum. 37. Система по и. 33, отличающаяся тем, что ней применено проекционное устройство, в котором установлены первая и вторая тонкие амплитудные решетки с угловым размером в плоскости у = const больше, чем угловой размер рабочей апертуры 49 осветителя, и установлен осветитель, у которого тангенс углового размера в плоскости у = const половины его рабочей апертуры и тангенс полуширины в этой плоскости углового спектра излучаемого им света более, чем в пять раз превышают отношение р 1 NM NM37. The system according to item 33, characterized in that it uses a projection device in which first and second thin amplitude gratings are installed with an angular size in the plane y = const greater than the angular size of the working aperture. 49 illuminator, and an illuminator is installed, for which the tangent of the angular size in the plane y = const of half of its working aperture and the tangent of the half-width in this plane of the angular spectrum of the light emitted by it exceed the ratio p 1 NM NM by more than five times 38. Система по и. 35, отличающаяся тем что в ней применено проекционное устройство, в котором использованы источник света с полушириной спектра по длине волны АЛ меньше, чем 0, 4 Ло 1 4 , первая решетка с пространственным периодом больше, чем пространственный период второй решетки р} > р2 , причем первая и вторая решетки расположены на расстоянии друг от друга в пределах диапазонов (vj -0,
Figure imgf000051_0001
(vj + 0,2)/^ (2ц) , где Vj = 1, 2, 3, ... .
38. The system according to item 35, characterized in that it uses a projection device that uses a light source with a spectrum half-width in wavelength λλ less than 0.4 L o 1 4 , a first grating with a spatial period greater than the spatial period of the second grating p } > p 2 , and the first and second gratings are located at a distance from each other within the ranges (vj -0,
Figure imgf000051_0001
(vj + 0.2)/^ (2ts) , where Vj = 1, 2, 3, ... .
39. Система по п. 35, отличающаяся тем, что в ней применено проекционное устройство, в котором использованы источник света с полушириной спектра по длине волны АЛ меньше, чем 0, 4 ог1 -1 , первая решетка с пространственным периодом больше, чем удвоенный пространственный период второй решетки д > 2/>2 , причем первая и вторая решетки расположены на расстоянии друг от друга в пределах диапазонов от39. The system according to claim 35, characterized in that it uses a projection device in which a light source with a spectrum half-width in wavelength λλ less than 0.4 o r 1 -1 , a first grating with a spatial period greater than twice the spatial period of the second grating d >2/> 2 , and the first and second gratings are located at a distance from each other within the ranges from ( , -0.2)144) до (] + 0, 2)1441. ( , -0.2)144) to (] + 0 , 2)1441.
PCT/RU2023/050299 2023-02-28 2023-12-19 Method and system for non-contact rangefinding and profilometry Ceased WO2024181887A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2023104481A RU2807409C1 (en) 2023-02-28 Method and system of non-contact ranging and profilometry
RU2023104481 2023-02-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024181887A1 true WO2024181887A1 (en) 2024-09-06

Family

ID=92590717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/050299 Ceased WO2024181887A1 (en) 2023-02-28 2023-12-19 Method and system for non-contact rangefinding and profilometry

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024181887A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267087C1 (en) * 2004-06-09 2005-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет Device for determining topology of surface
JP2008232643A (en) * 2007-03-16 2008-10-02 Develo Solutions Kk Three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring method
RU2583852C2 (en) * 2014-07-11 2016-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) Graph-projection moire method of measurement
RU178298U1 (en) * 2017-08-03 2018-03-29 Богдан Валентинович Соколенко Profiler
US10508903B2 (en) * 2015-12-22 2019-12-17 Ckd Corporation Three-dimensional measurement device
US11375124B2 (en) * 2019-02-25 2022-06-28 Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Optical measurement equipment and method for measuring warpage of a workpiece

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2267087C1 (en) * 2004-06-09 2005-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет Device for determining topology of surface
JP2008232643A (en) * 2007-03-16 2008-10-02 Develo Solutions Kk Three-dimensional shape measuring apparatus and three-dimensional shape measuring method
RU2583852C2 (en) * 2014-07-11 2016-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет" (ТюмГНГУ) Graph-projection moire method of measurement
US10508903B2 (en) * 2015-12-22 2019-12-17 Ckd Corporation Three-dimensional measurement device
RU178298U1 (en) * 2017-08-03 2018-03-29 Богдан Валентинович Соколенко Profiler
US11375124B2 (en) * 2019-02-25 2022-06-28 Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Optical measurement equipment and method for measuring warpage of a workpiece

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8923603B2 (en) Non-contact measurement apparatus and method
Jia et al. Two-step triangular-pattern phase-shifting method for three-dimensional object-shape measurement
JP6937482B2 (en) Surface shape measuring device and its stitching measuring method
JP2005530147A (en) Interferometric optical system and method for scanning optical path length and focus simultaneously
CA2915855C (en) Device for optical profilometry with conical light beams
CN105953749B (en) A kind of optical 3-dimensional topography measurement method
JP2025029169A (en) Method and system for optically measuring objects having specular and/or partially specular reflecting surfaces and corresponding measuring device - Patents.com
CN105209852A (en) Surface-geometry measurement method and device used therein
CN108332684A (en) A kind of measuring three-dimensional profile method based on Structured Illumination microtechnic
CN101556143A (en) Three-dimensional measurement and detection device and method
CN110618537B (en) Coated lens device and three-dimensional reconstruction imaging system using the same
WO2024181887A1 (en) Method and system for non-contact rangefinding and profilometry
RU2807409C1 (en) Method and system of non-contact ranging and profilometry
KR101333299B1 (en) 3D Shape Mesurement Mehod and Device by using Amplitude of Projection Grating
CN110595389A (en) Acquisition device and 3D reconstruction imaging system based on monocular lens
KR20040071531A (en) Three-dimensional image measuring apparatus and method thereof
Kemper et al. Quantitative determination of out-of-plane displacements by endoscopic electronic-speckle-pattern interferometry
CN108413872A (en) Three-dimensional dimension precision measurement method based on Fabry-Perot multiple-beam interference
US20150324657A1 (en) Method and apparatus for measuring 3d shape by using derivative moire
JP3806769B2 (en) Position measuring device
JP7493960B2 (en) Shape measuring device and shape measuring method
JP2015099048A (en) Standard gauge, three-dimensional measuring device, and three-dimensional measuring device calibration method
Ikeuchi et al. Structured Light
Hirose Moire Deflectometry for Measuring Specular Surface Shape
JP2023156980A (en) Shape information acquisition device

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23925531

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE