УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для трехмерного сканирования профиля различных объектов, например, при создании компьютерной модели (прототипа) изделия.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбрано устройство для лазерного сканирования, включающее источник зондирующего лазерного излучения, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, и блок обработки информации. Каждый канал измерения содержит объектив и фотоприемник, при этом упомянутые каналы расположены в пространстве симметрично относительно источника лазерного излучения и противоположно друг относительно друга таким образом, что первый фотоприемник и источник лазерного излучения лежат в первой плоскости триангуляции, второй фотоприемник и источник лазерного излучения лежат во второй плоскости триангуляции, и обе упомянутые плоскости триангуляции принадлежат одной общей плоскости. Измерение расстояния до объекта и, соответственно, определение его трехмерного профиля производится с помощью триангуляционного метода при перемещении сканирующего лазерного луча в двух направлениях по поверхности объекта, причем отраженные от поверхности объекта сигналы принимаются одновременно двумя фотоприемниками (Trucco. E. and Fisher R.B. Acquisition of consistent range data using local calibration // Proceeding IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, pp.3410 - 3415, 1994).
Недостаток ближайшего аналога заключается в следующем.
При сканировании ряда поверхностей (например, металлических) в поле обзора фотоприемника возникают нежелательные вторичные зеркальные переотражения (фиг.1), обусловленные наличием на поверхности объекта локальной структуры (впадины, углубления, неровности рельефа и т.п.), ориентированной, как правило, в одном направлении - перпендикулярно или параллельно плоскости триангуляции (плоскости чертежа фиг.1). В этом случае фотоприемник 3 регистрирует два сигнала, один из которых - отраженный от объекта 2 в результате сканирования объекта 2 лазерным лучом 1 в точке А - является «истинным», а другой - отраженный в точке В - «ложным». Один фотоприемник не может выделить из двух сигналов «истинный сигнал», и точность измерения расстояния до объекта и, соответственно, точность определения его трехмерного профиля снижается.
Устройство - ближайший аналог содержит два фотоприемника, но их оппозитное (противоположное) расположение в одной плоскости, содержащей две плоскости триангуляции, не позволяет отделить «ложный» сигнал от «истинного» в случае возникновения вторичных зеркальных переотражений от сканируемой поверхности. Как следствие, снижается точность измерения расстояния до объекта и точность определения его трехмерного профиля.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности определения трехмерного профиля объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерного сканирования, содержащем источник лазерного излучения, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, каждый их которых включает (последовательно расположенные) объектив и фотоприемник, и блок обработки информации, связанный с упомянутыми каналами измерения, при этом источник лазерного излучения и первый канал измерения расположены в первой плоскости триангуляции, а второй канал измерения и источник лазерного излучения расположены во второй плоскости триангуляции, первый и второй каналы измерения снабжены зеркалами, размещенными перед объективами, и ориентированы в пространстве относительно источника лазерного излучения с возможностью измерения отраженного от объекта излучения во взаимно ортогональных первой и второй плоскостях триангуляции.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для лазерного сканирования снабжено первым и вторым лазерными маркерами, расположенными на заданном расстоянии от сканируемого объекта и ориентированными в пространстве с возможностью формирования лазерных лучей, параллельных лучу, формируемому источником зондирующего лазерного излучения, при этом первый лазерный маркер расположен в первой плоскости триангуляции, а второй лазерный маркер расположен во второй плоскости триангуляции.
Указанный технический результат достигается также тем, что лазерные маркеры выполнены в виде лазерных диодов.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 иллюстрируется возникновение вторичных зеркальных переотражений, на фиг.2 схематически изображено заявляемое устройство.
1
2
1
2
Устройство для лазерного сканирования включает источник зондирующего лазерного излучения 4, два канала измерения отраженного от объекта 2 излучения и блок обработки информации 5, выполненный в виде процессора. Первый канал измерения содержит последовательно расположенные зеркало 6, объектив 7 и фотоприемник 8, а второй канал измерения содержит последовательно расположенные зеркало 9, объектив 10 и фотоприемник 11. Выходы фотоприемников 8 и 11 подсоединены к блоку обработки информации 5. Первый канал измерения и источник зондирующего лазерного излучения 4 расположены в первой плоскости триангуляции (или, говоря иначе, оптическая ось O первого канала измерения и направление зондирующего лазерного луча 1, сканирующего поверхность объекта 3, лежат в первой плоскости триангуляции), а второй канал измерения и источник зондирующего лазерного излучения 4 расположены во второй плоскости триангуляции (или, говоря иначе, оптическая ось O второго канала измерения и направление лазерного луча 1, сканирующего поверхность объекта 2, лежат во второй плоскости триангуляции), при этом первая и вторая плоскости триангуляции являются взаимно ортогональными, т.е. угол между оптическими осями O и О равен 90°.
Заявляемое устройство также содержит первый лазерный маркер 12, расположенный в первой плоскости триангуляции, и второй лазерный маркер 13, расположенный во второй плоскости триангуляции. Маркеры 12 и 13 расположены на заданном (заранее известном) расстоянии от поверхности сканируемого объекта 2, при этом маркеры 12 и 13 ориентированы в пространстве таким образом, что формируемые ими лучи 14 и 15 параллельны лучу 1, формируемому источником зондирующего лазерного излучения 4 (и, как следствие - параллельны друг другу). Маркеры 12 и 13 могут быть выполнены, например, в виде лазерных диодов.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При помощи лазерных маркеров 12 и 13 производится масштабирование объекта 2 для каждого канала измерения, т.е. определяется положение отраженного луча на фотоприемниках 8 и 11 для известных расстояний между лазерными маркерами 12 и 13 и объектом 2. Поскольку лучи 14 и 15, формируемые маркерами 12 и 13, параллельны лучу 1, данные, полученные на этапе масштабирования, остаются корректными в процессе сканирования луча 1 по поверхности объекта 2.
1
2
Далее лазерный луч 1 сканирует в двух взаимно перпендикулярных направлениях по поверхности объекта 2 для получения информации об его трехмерном профиле. Отраженные от объекта 2 сигналы посредством зеркал 6 и 9 направляются вдоль оптических осей O и О через объективы 7 и 10 в фотоприемники 8 и 11, соответственно, т.е. отраженные сигналы регистрируются одновременно в двух взаимно ортогональных плоскостях-плоскостях триангуляции. При существовании вторичных зеркальных переотражений один из фотоприемников - например фотоприемник 8 -зарегистрирует два сигнала - «истинный» и «ложный», а другой фотоприемник - например фотоприемник 11 - зарегистрирует только один «истинный» сигнал, что связано с указанной выше преимущественной ориентацией локальной структуры на поверхности объекта в одном направлении. Блок 5 производит обработку полученных с фотоприемников 8 и 11 сигналов и выделяет сигнал, зарегистрированный обоими фотоприемниками, который и является «истинным» сигналом, несущим корректную информацию о расстоянии до объекта. Как следствие, повышается точность измерения расстояния до исследуемой области объекта и более точно определяется трехмерный профиль объекта. Применение лазерных маркеров обеспечивает возможность корректировки масштаба изображения с целью поддержания его постоянным, и, как следствие - также способствует повышению точности определения трехмерного профиля объекта.
Заявляемое устройство может найти применениях в различных областях, где требуется высокая точность измерения трехмерного профиля различных изделий, в частности, при создании компьютерной модели (прототипа) изделий.