УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF LINEAR DIMENSIONS OF 3D OBJECTS

Устройство для бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения размеров и визуализации профиля сплошной поверхности трехмерных объектов.
Известно устройство для бесконтактного измерения линейных размеров объектов объемной формы (патент на изобретение RU №2316727 C1). Устройство для бесконтактного контроля и распознания трехмерных объектов методом структурированной подсветки содержит источник структурированной подсветки, формирующей изображение структурированной подсветки в виде множества полос на поверхности объекта контроля, который может быть выполнен, например, в виде источника света и транспаранта, содержащего изображение параллельных полос (но полосы могут быть, например, в виде концентричных колец), блок регистрации изображения полос, искаженных рельефом поверхности объекта, который может быть выполнен в виде телевизионной камеры, регистрирующей изображения поверхности контролируемого объекта и структурированной подсветки на нем, N-канальный цифровой электронный блок обработки изображения полос, искаженных рельефом, содержащий модуляторы, генераторы опорных сигналов, запоминающие устройства, электронные цифровые блоки интерполяции и блок определения координат рельефа поверхности контролируемого объекта.
Недостатками данного устройства являются высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта структурированной подсветки в виде множества параллельных полос возникает изображение полос, в котором искажения, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями и, тем более, сквозными отверстиями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Поскольку высота профиля определяется по величине искажений линий, отсутствие в изображении собственно линий из-за наличия отверстий не позволяет распознать отверстия на контролируемой поверхности.
Известно устройство для контроля объектов сложной формы (патент на изобретение RU №2099759 C1). Устройство содержит первую и вторую оптоэлектронные головки, установленные по разные стороны от контролируемого объекта и состоящие каждая из источника излучения, двух объективов и многоэлементного фотоприемника, блок разверток, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первыми и вторыми входами многоэлементных фотоприемников первой и второй оптоэлектронных головок.
Недостатками этого устройства являются: 1) относительно низкое быстродействие устройства, что связано с тем, что формирование кодов X1 и Х2 на выходе осуществляется последовательно во времени - сначала формируется X1, затем Х2. 2) относительно узкие функциональные возможности, связанные с тем, что на выходе устройства отсутствует информация о толщине контролируемого объекта.
Наиболее близким изобретением по наибольшему количеству сходных признаков, технической сущности, схемному решению и достигаемому при использовании техническому результату является устройство, выбранное в качестве прототипа (патент на изобретение RU №2099759 C1). Устройство для тепловизионного распознавания формы объекта содержит объектив, сканирующее устройство, приемник теплового излучения, усилитель, видеоконтрольное устройство, устройство синхронизации, запоминающее устройство и блок обработки информации, в устройство введен вращающийся ИК линейный поляризатор, который устанавливается перпендикулярно оптической оси устройства в любом месте по ходу теплового излучения от объекта до приемника этого излучения.
1
1
2
В устройстве распознавания формы объекта (патент на изобретение RU №2099759) предлагается формировать два поляризационных тепловизионных изображения с линейными азимутами 0° и 45° с последующей обработкой полученных сигналов по предложенному алгоритму. Тепловое излучение от объекта и окружающего его фона проходит ИК-поляризационную насадку, азимут поляризации которой установлен и зафиксирован при угле 0°, и объектив. С помощью сканирующего устройства излучение от элементов поверхности объекта направляется на приемник излучения, который формирует выходной сигнал U(N, K). Далее этот сигнал усиливается в усилителе и подается на видеоконтрольное устройство, на экране которого формируется визуализированное поляризационное тепловизионное изображение объекта с азимутом поляризации 0°. Для синхронизации оптико-механического сканирования поверхности объекта с электронным сканированием элементов изображения в схеме имеется блок синхронизации. В запоминающем устройстве сигналы U(N, K) запоминаются. После этого азимут поляризационной насадки устанавливается и фиксируется при угле 45°. При этом угле азимута поляризации насадки аналогично получаются, оцифровываются и запоминаются сигналы U(N, K) для всех N×K элементов кадра. В результате формируются два поляризационных тепловизионных изображения, которые накоплены в запоминающем устройстве и обрабатываются в блоке обработки информации.
Недостатком данного устройства является то, что для измерения линейных размеров объемных объектов необходимо запомнить и сохранить два тепловизионных изображения и на их основе восстанавливать трехмерное изображение исследуемого объекта, что замедляет процесс измерений и не позволяет проводить их в реальном масштабе времени.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства для дистанционного измерения параметров объекта по его собственному тепловому оптическому излучению на основе регистрации и обработки одного тепловизионного изображения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в трехмерной визуализации объекта в реальном масштабе времени, расширении информативности тепловизионного канала тепловизоров.
Поставленная задача достигается устройством для бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов, состоящим из оптической системы, матричного приемника излучения, блока усиления, блока обработки информации, согласно изобретению введением в него комбинированного инфракрасного поляризационного фильтра перпендикулярно оптической оси устройства перед матричным приемником излучения.
На фигуре 1 изображена схема устройства для бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов.
Устройство содержит комбинированный инфракрасный поляризационный фильтр 1, за которым расположен объектив 2, после которого находится матричный приемник излучения (МПИ) 3, сигнал, формируемый которым поступает в расположенный за ним блок усиления 4, блок обработки информации 5 и устройство вывода информации 6.
В качестве комбинированного поляризационного фильтра используется последовательно расположенные ахроматическая пластинка λ/4 с углом ориентации быстрой оси Θ=45° и линейный инфракрасный поляризатор с азимутом α=0°. Матрицы пропускания пластинки λ/4 и линейного поляризатора имеют вид:
λ/4
n
где τ, τ - энергетический коэффициент пропускания пластинки λ/4 и поляризатора.
Работа устройства заключается в следующем: тепловое излучение исследуемого объекта проходит комбинированный инфракрасный поляризационный фильтр 1 и фокусируется объективом 2 на матричный приемник излучения 3, сигнал от МПИ поступает на вход блока усиления 4, из которого поступает в блок обработки информации 5, производится обработка и вычисление декартовых координат, две из трех декартовых координат определяются размерами теплового изображения, а вычисление третьей координаты осуществляется за счет функциональной зависимости степени поляризации теплового излучения каждого из элементов изображений от угла ориентации излучающей площадки относительно направления ее наблюдения и передается на устройство вывода информации 6.
Устройство для бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов может быть использовано в измерительной технике для измерения размеров и визуализации профиля измеряемой поверхности трехмерных объектов. Главное преимущество предлагаемого устройства для реализации способа бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов перед известными устройствами заключается в трехмерной визуализации объекта в реальном масштабе времени в отсутствии необходимости обеспечивать подсветку измеряемого объекта, что упрощает использование и реализацию устройства, а также значительно расширяет сферу его использования в науке и технике.