УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к бесконтактным оптическим средствам измерения расстояния до различных объектов.
Известны бесконтактные оптические средства измерения расстояния, использующие принцип лазерной триангуляции. Они состоят из излучающей системы, включающей источник излучения - лазер, и линзы, посредством которой на поверхность объекта проектируется коллимированный зондирующий лазерный луч, и приемной системы, включающей объектив и фотоприемник, который регистрирует диффузно отраженное от поверхности объекта излучение [1-5]. Оптические оси излучающей и приемной системы не совпадают друг с другом и угол между ними называется углом триангуляции. Расстояние до объекта вычисляется по углу триангуляции и известной базе - расстоянию между объективом и оптической осью излучающей системы.
Недостатком бесконтактных оптических средств измерения расстояния, использующих триангуляционный принцип, является снижение точности измерения при наличии на поверхности объекта различных нерегулярностей, ступенек рельефа и т.п. ввиду несоосности излучающей и приемной систем.
Известно оптическое устройство для измерения расстояния с соосным расположением излучающей и приемной систем [6]. Оно включает источник излучения, систему проектирования луча на поверхность объекта и последовательно расположенную за ней приемную систему, формирующую изображение отраженного излучения в виде кольцеобразной зоны, положение которой изменяется при изменении расстояния до объекта.
Указанное устройство с соосным расположением излучающей и приемной систем по сравнению с триангуляционными измерительными устройствами позволяет избежать необходимости установки приемного устройства под некоторым углом, и, соответственно, повысить точность измерения.
В качестве прототипа заявляемого технического решения выбрано устройство для оптического измерения расстояния с соосными излучающей и приемной системами [7]. Известное устройство содержит последовательно расположенные проекционную оптическую систему проектирования зондирующего луча на поверхность объекта, состоящую из первой и второй плосковыпуклых линз, обращенных друг к другу своими вогнутыми поверхностями, причем первая, ближайшая к объекту линза, является асферической; источник излучения; асферическую плосковыпуклую линзу с размещенной перед ней диафрагмой, образующую вместе с первой линзой проекционной оптической системы приемную оптическую систему, и систему регистрации излучения, включающую зеркальную диафрагму и два фотоприемника.
Известное устройство работает следующим образом. Проекционная оптическая система проектирует на поверхность объекта точечное зондирующее пятно. Отраженное излучение попадает на периферию первой линзы приемной системы и переносится параллельно на периферию (края) второй линзы приемной системы, формируя на ней кольцеобразную зону. Затем выходящие из второй линзы лучи отклоняются к оси устройства, образую в некотором месте на оси изображение зондирующего пятна, имеющее вид кольца, которое регистрируется приемниками. Зная радиус этого кольца, можно определить расстояние до объекта.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является его сложность, обусловленная использованием нескольких линз, две из которых являются асферическими, более сложными в изготовлении по сравнению с
обычно используемыми в подобного рода устройствах сферическими линзами, и организацией системы регистрации отраженного излучения, включающей два фотоприемника и зеркальную диафрагму.
Задача, решаемая полезной моделью - упрощение устройства для бесконтактного измерения расстояния.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для бесконтактного измерения расстояния, содержащем коаксиально расположенные на его оптической оси источник излучения, средства проектирования зондирующего излучения на поверхность объекта и приема отраженного излучения, и фотоприемник, упомянутые средства проектирования зондирующего излучения на поверхность объекта и приема отраженного излучения выполнены в виде фокусирующей линзы, а фотоприемник размещен между источником излучения и фокусирующей линзой и снабжен сквозным отверстием для прохода зондирующего луча. В сквозном отверстии фотоприемника установлена направляющая трубка, а фокусирующая линза выполнена сферической.
Полезная модель иллюстрируется чертежом. На фиг.1 схематически изображено устройство для бесконтактного измерения расстояния. Устройство содержит источник излучения 1, выполненный, например, в виде лазера, приемник отраженного излучения 2, представляющий собой прибор с зарядовой связью (ПЗС линейка или матрица), и фокусирующую линзу 3. В приемнике 2 выполнено сквозное отверстие 4 для прохода зондирующего лазерного луча, в котором установлена защитная трубка 5, выступающая на некоторую высоту над поверхностью активной области приемника и предохраняющая ее от засветки зондирующим лазерным лучом.
Устройство для бесконтактного измерения расстояния работает следующим образом. Излучаемый лазером 1 луч при помощи линзы 3 проектируется на поверхность объекта 6, формируя на нем зондирующее пятно 7. Отраженное от поверхности объекта 6 излучение фокусируется при
помощи линзы 3 на фотоприемник, формируя на нем пятно изображения 8. Расстояние до объекта определяется исходя из размеров пятна изображения на фотоприемнике 2, параметров линзы 3, расстояния между линзой 3 и фотоприемником 2, и результатов предварительной калибровки устройства.
Заявляемое устройство имеет, по крайней мере, такую же точность определения расстояния до объекта, как и устройство - прототип, но характеризуется по сравнению с ним более простым конструктивным решением за счет организации средств проектирования зондирующего излучения на поверхность объекта и приема отраженного излучения в виде одной сферической фокусирующей линзы, использования одного приемника отраженного излучения и и выполнения в приемнике сквозного отверстия для прохода зондирующего лазерного луча.
ЛИТЕРАТУРА
1. B.T.Kilgis, D. Svetkoff. Imaging geometry and error sensitivity in triangulation - based optical receivers. Proceedings of SPIE, Vol.2599, pp.106-119.
2. J.E.Romanie, E.I.Chaleff. Object Dimensioning Using Scanned Laser and Linear CCD Triangulation. Proceedings of SPIE, Vol.3131, pp.232-240.
3. Патент США №4575237, МКИ G 01 C 3/00, 1986.
4. Патент США №5905567, МКИ G 01 C 3/00, 1999.
5. Патент США №6031612, МКИ G 01 B 11/24, 2000.
6. Патент Германии №3331552, МКИ G 01 B 11/14, 1985 г.
7. Патент Германии №3507445, МКИ G 01 C 3/00, 1986 г. (прототип)