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 заявленного технического решения выбрано устройство для лазерного сканирования (патент РФ №2191348, G01B 11/00, 2002 г.), содержащее осветительный узел, формирующий зондирующую световую линию на поверхности объекта измерения, двухканальную приемную измерительную систему, ПЗС матрицу и преобразовательно-вычислительный блок, на вход которого включен выход ПЗС матрицы. Осветительный узел содержит расположенные на общей оптической оси цилиндрическую линзу, проекционный объектив и лазерный диод, установленный в фокальной плоскости объектива. Двухканальная приемная система снабжена двумя пентапризмами и зеркально-приемным разделительным узлом. Двухкоординатная ПЗС матрица установлена на оптической оси проекционного объектива. Осветительный узел формирует зондирующий световой поток, который высвечивает на поверхности объекта узкую световую линию. Диффузно отраженный от объекта световой поток создает в плоскости ПЗС матрицы двумерную систему изображений освещенных точек объекта. Видеосигналы с выхода объекта поступают в компьютер, где определение расстояния до объекта и измерение профиля производится по триангуляционному методу с учетом координат точек двух изображений линии сканирования по двум каналам. Для получения трехмерного цифрового рельефа производится дополнительное перемещение объекта или измерителя.
Недостаток ближайшего аналога заключается в следующем. При сканировании ряда поверхностей (например металлических) обладающих рельефом с резким перепадом высот (впадины, углубления, ступеньки) возникает эффект «теневых зон», когда фотоприемник в триангуляционном измерителе «не видит» световую линию на объекте, которая затеняется выступом, ступенькой, впадиной (фиг. 1а). Устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога, содержит два фотоприемника, расположенные в одной плоскости противоположно друг другу. При этом образуются две плоскости триангуляции, лежащие в одной плоскости. Измеряемый объект может содержать несколько локальных впадин, ступенек, углублений. Сканируя измеряемый объект, измерительное устройство перемещается относительно объекта, неизбежно попадая при этом в «теневые зоны». Это в свою очередь приводит к ошибке в измерении и снижении точности определения трехмерного профиля объекта.
Технический результат от использования полезной модели - повышение точности определения трехмерного профиля сканируемого объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для лазерного сканирования содержит источник зондирующего лазерного излучения, узел развертки лазерного луча, два канала измерения отраженного от сканируемого объекта излучения, объектив, фотоприемник и блок обработки информации и управления, при этом источник зондирующего лазерного излучения, узел развертки лазерного луча, два канала измерения, отраженного от сканируемого объекта излучения, каждый из которых включает систему зеркал образуют две симметричные, диаметрально расположенные плоскости триангуляции, расположены на платформе, поворачивающейся относительно оптической оси объектива на угол, необходимый для исключения теневых зон, устанавливаемый устройством обработки информации и управления (контроллером).
Указанный технический результат достигается также тем, что узел развертки лазерного луча снабжен механизмом сканирования лазерного луча, развернутого в линию.
Указанный технический результат достигается также тем, что поворотная платформа снабжена датчиком угла поворота, подключенным к блоку обработки информации и управления.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1а показан случай отображения на фотоприемнике профиля объекта сканирования с эффектом «теневых зон». Линия лазерного сканирования параллельна пазу на объекте измерения (фиг. 1а). В этом случае часть изображения лазерной линии пропадает. Когда развертка зондирующего луча ортогональна пазу на объекте измерения, изображение восстанавливается (фиг. 1б).
На фиг. 2 схематически изображено заявленное устройство. Устройство для лазерного сканирования 12 включает источник зондирующего лазерного излучения (лазер) 2, снабженный узлом развертки лазерного луча 3, имеющим механизм сканирования лазерного луча, развернутого в линию 4, два канала измерения 6, 7 отраженного от объекта 1 излучения, установленные на поворотной платформе 10 и блок обработки информации и управления 11, выполненный в виде контроллера. Оба канала измерения 6, 7 расположены симметрично в одной плоскости, содержат последовательно расположенные зеркала установленные на платформе 10 и фотоприемник 8 с объективом 9. Выход фотоприемника 8 подсоединен к блоку обработки информации и управления 11. Первый и второй каналы измерения расположены в плоскости с двумя углами триангуляции, симметричными относительно друг друга.
Заявленное устройство работает следующим образом. Луч от лазера 2 проходит через узел развертки лазерного луча 3 и механизм сканирования лазерного луча, развернутого в линию 4, выполненные, например, в виде последовательно расположенных цилиндрической линзы и механического сканатора, сканируя объект 1. Отраженное от объекта излучение посредством зеркал в каналах измерения 6, 7 создает на фотоприемнике 8, снабженном объективом 9, изображение двух профилей объекта 1 с двух диаметрально противоположных сторон. Вид принимаемого изображения в плоскости ПЗС матрицы фотоприемника 8 показан на фиг. 1. Изображения точек зондирующей лазерной линии на объекте измерения, полученных в первом и втором каналах строятся в левой и правой половинах ПЗС матрицы. При сканировании возможны несколько вариантов изображения линий лазерного сканирования. В первом присутствуют обе линии без разрывов. Блок обработки информации и управления вычисляет расстояние до объекта по триангуляционному принципу, при этом результат измерения усредняется по значениям, полученным из обоих каналов измерения. Если присутствует одна неразрывная линия, то результат определяется по ней. В случае, если обе линии имеют прерывистый характер, то после анализа изображения, блок обработки информации и управления выдает команду на поворот платформы 10 до момента, пока одна или две линии станут непрерывны (фиг. 1б). Плоскость триангуляции при этом поворачивается. Однако, поскольку фотоприемник 8 и объект 1 остаются неподвижны относительно друг друга, калибровочные характеристики не нарушаются. Оба профиля обрабатываются в блоке обработки информации и управления 11 для построения трехмерной модели объекта.
Заявляемое устройство дает возможность всестороннего сканирования объекта измерения, при этом изменяется положение плоскости триангуляции, находится оптимальное положение, соответствующее четкому изображению световой линии сканирования. Четкость и непрерывность линии сканирования обеспечивает возможность с высокой достоверностью использовать триангуляционный метод измерения, что дает возможность повысить точность измерения расстояния до исследуемой области объекта и более точно определить трехмерный профиль объекта.
Заявленное устройство может найти применение в различных областях, где требуется высокая точность измерения трехмерного профиля различных изделий, в частности при создании компьютерной модели (прототипа) изделия.