ЛАЗЕРНЫЙ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим средствам измерения геометрических размеров различных объектов.
Одна из основных проблем при измерении геометрических размеров шероховатых поверхностей посредством лазерной триангуляции заключается в появлении измерительных ошибок, связанных с нарушениями параксиальности и эффектами вторичного отражения от различных локальных неровностей поверхности. При падении зондирующего пучка на исследуемую поверхность свет зеркально переотражается от плоских микрофацет, моделирующих поверхностную шероховатость, к соседним микрофацетам. В результате приемник регистрирует кроме «истинного» сигнала и множественные вторичные переотражения, причем достаточно часто вторичные отражения содержат зеркальную компоненту, интенсивность которой больше сигнала от исследуемого участка объекта [1]. Кроме того, отклонение общего вектора отражения от оптической оси приемника и вторичные переотражения могут приводить к тому, что положение максимума кривой распределения светового сигнала будет асимметричным, что, в свою очередь, будет обуславливать изменение положения центроиды изображения пятна.
Одним из способов снижения влияния на точность измерений эффекта вторичного отражения является сужение угла обзора объектива в приемной системе лазерного триангуляционного измерителя, так как свет, распространяющийся в широком телесном угле, может быть причиной появления эффектов вторичного отражения. С этой целью в приемную систему триангуляционного измерителя вводят диафрагму с фиксированной или варьируемой апертурой, имеющей, например, круговую или прямоугольную форму [2].
В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран лазерный триангуляционный измеритель, содержащий источник излучения -лазер и приемную систему, включающую две линзы, между которыми размещена щелевая диафрагма, и фотоприемник [3]. Диафрагма располагается в фокусе первой, ближайшей к измеряемому объекту линзы и размер ее щели подбирается в соответствии с размером зондирующего пятна на поверхности объекта. Отраженное от поверхности объекта световое излучение фокусируется первой линзой в плоскость щели и сформированное таким образом промежуточное изображение затем фокусируется в плоскость объектива, который, в свою очередь, фокусирует световое пятно на фотоприемник.
Такое выполнение приемной системы не позволяет полностью избавиться от рефлексов, возникающих в результате эффектов вторичного отражения или рассеяния, хотя и уменьшает их влияние на определение центра изображения пятна на фотоприемнике и, соответственно, повышает точность измерения лазерного триангуляционного измерителя.
Недостатки указанного лазерного триангуляционного измерителя обусловлены следующим. При отражении светового излучения от шероховатой поверхности пятно изображения на фотоприемнике окружено ореолом, обусловленным Ламбертовским характером отражения светового излучения. Кроме того, ориентация общего вектора отражения, как правило, не совпадает с направлением оптической оси приемной системы. Использование в этих условиях для подавления эффектов вторичного отражения дополнительной линзы и диафрагмы в приемной системе триангуляционного измерителя, неэффективно, что, в конечном итоге, ведет к погрешности определения центра изображения пятна на фотоприемнике и снижению точности измерений.
Задача, решаемая полезной моделью - повышение точности измерений.
Указанная задача решается том, что в лазерном триангуляционном измерителе, содержащем источник излучения и приемную систему, включающую первую апертурную диафрагму, объектив и фотоприемник, приемная система снабжена, по крайней мере, второй апертурной диафрагмой, расположенной между первой диафрагмой и измеряемым объектом, а величина числовой апертуры объектива со стороны фотоприемника выбирается равной не менее 0,5. Форма отверстий в диафрагмах выбирается аналогичной форме зондирующего лазерного пятна на объекте; размер отверстия во второй диафрагме выбирается больше размера отверстия в первой диафрагме, при этом первая и вторая диафрагмы расположены, соответственно, на расстоянии 2/3 L и 1/3 L от объекта, где L - расстояние между объектом и объективом.
Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображен лазерный триангуляционный измеритель.
Лазерный триангуляционный измеритель включает лазер 1 и приемную систему, состоящую из апертурных диафрагм 2 и 3, объектива 4 и фотоприемника 5. Форма отверстий в диафрагмах 2 и 3 выбирается аналогичной форме зондирующего лазерного пятна на объекте 6 (круг, эллипс, прямоугольник), причем размер отверстия в диафрагме 2 выбирается больше размера отверстия в диафрагме 3, т.е. отверстие в диафрагме 2 имеет больший радиус или большую ширину щели. В предпочтительном варианте полезной модели диафрагмы 2 и 3 расположены, соответственно, на расстоянии 2/3 L и 1/3 L от объекта, где L - расстояние между объектом 6 и объективом 4. Величина числовой апертуры объектива 4 со стороны фотоприемника выбирается не менее 0,5.
Заявляемый измеритель работает следующим образом. Лазер 1 формирует на поверхности объекта 6, имеющего шероховатую поверхность, зондирующее световое пятно. Диафрагма 2 отсекает ореол, окружающий отраженное пятно, и обусловленный Ламбертовским характером отражения и
случайными переотражениями на микрофацетах шероховатой поверхности, и общий фон отражения, за исключением светового отраженного потока по контуру пятна. Диафрагма 3 пропускает поток отражения по точному контуру пятна, срезая часть светового отраженного потока, приходящуюся на область отклонения от оптической оси приемной системы. Поэтому апертурное отверстие диафрагмы 3 выбирается несколько меньше по сравнению с размером переносимого пятна в данной точке оптической оси. Использование объектива 4 с большой величиной числовой апертуры со стороны фотоприемника 5, выбираемой не менее 0,5, обеспечивает достаточный уровень светового сигнала на фотоприемнике 5.
Заявляемое решение приемной оптической системы лазерного триангуляционного измерителя позволяет значительно снизить влияние несовпадения общего вектора отражения с оптической осью приемной системы и эффектов вторичного отражения и рассеяния на определение центра изображения пятна на фотоприемнике и, соответственно, повысить точность измерения лазерного триангуляционного измерителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. J. dark and E. Tmcco. Polarization-based peak detection in laser triangulation range sensors. Proceedings ofSPIE, Vol. 2599, 1996, pp.81-92.
2. Патент США №5024529, НКИ 356/376, 1991 г.
3. Патент США №5815272, НКИ 356/375, 1998 г., ( прототип ).