Файл: Одномерные методы.pdf

Сфокусированный пучок в виде тонкой полосы попадает на объект контроля, поверхность которого располагается в фокальной плоскости сферической линзы.

Дифракционные оптические элементы (ДОЭ)

При организации оптической системы по схеме Грену с помощью метода светового сечения возможен контроль геометрии протяженных объектов, например лопастей вертолетов

Дисплей

Цифровая

фотокамера

ПЭВМ

Осветитель

Оптико-механический метод

Оптико-механический метод контроля криволинейных поверхностей осуществляется в заранее выбранных точках. В этом методе серию контактных штифтов устанавливают по контуру проверяемого сечения. Отклонения профиля вызывают перемещения контактных штифтов, которые преобразуются в изображения, проектируемые на экран.

Теневой метод

В теневом методе на объект направляется полоса света, которую он частично перекрывает. Для регистрации полученного светового потока используется ПЗС-линейка или матрица.

Метод хорошо зарекомендовал себя для измерения габаритных размеров деталей.

РАСТРОВЫЙ (МУАРОВЫЙ) МЕТОД контроля формы объектов

Под термином «растр» будем понимать совокупность периодически расположенных пространственных или плоских элементов, форма, характер, период и направление распространения которых подчиняются определенному закону.

Измерительные устройства, содержащие растры, часто называют растровыми измерительными сопряжениями. Эти сопряжения позволяют производить косвенные измерения изменений физических величин посредством измерения изменений, происходящих в муаровой картине по смещению или развороту муаровых полос.

Если исследуемый объект меняет свое положение в пространстве или свою форму, в результате чего жестко связанный с ним каким-либо образом растр либо перемещается относительно другого неподвижного растра в направлении, перпендикулярном штрихам одного из них, либо испытывает деформацию, нарушающую взаимное расположение элементов (штрихов) растра, то при этом имеют место значительно большие изменения положения, направления или удаления друга от друга муаровых полос.

Рассмотрим случай (рис.) когда оба растра имеют одинаковый шаг е1 = е2 (e = а + b, где а – ширина

непрозрачного штриха; b – ширина прозрачного промежутка между штрихами). Если расположить растры так, чтобы их штрихи были параллельны, то при перемещении одного из растров в направлении, перпендикулярном его штрихам, освещенность поля за растровым

По аналогии с интерференционными полосами можно ввести понятие «цена муаровой полосы». Этим понятием будем характеризовать те изменения параметров растрового измерительного сопряжения (шага растра, угла между направлениями штрихов, расстояния между плоскостями штрихов растров), которые вызывают смещение либо искривление муаровых полос, равное расстоянию между полосами. На рис. 9.58, (изображена картина муаровых полос, возникающих в результате сопряжения двух одинаковых растров А и В, направления штрихов которых образуют

между собой острый угол . Смещение растра А в направлении, перпендикулярном его штрихам (вдоль оси ОХ), на расстояние X, кратное, например, целому числу его шагов X = пе, приводит к смещению муаровых полос КК' параллельно самим себе (вдоль оси OY) в направлении, перпендикулярном биссектрисе угла . Это смещение муаровых полос, кратное расстоянию между полосами t, определяется по формуле

При п = 1 получается основная формула растрового сопряжения Для малых углов формула принимает вид

Если обозначить 1 / = Гм, где Гм – коэффициент увеличения муарового метода, то получаем простую зависимость, поясняющую его высокую чувствительность, t = е Гм.

Метод спекл-интерферометрии

При когерентном освещении случайнонеоднородных объектов, например – шероховатая поверхность или прозрачная среда с флуктуирующем в пространстве показателем преломления в рассеянном поле формируется спекл-структура (от анг. speckle).

Она образуется в результате интерференции волн, рассеянных неоднородностями.

На рис. б – объективная спекл-картина, в- субъективная спекл-картина.

Лазерная спекл-интерферометрия

Лазерные методы спеклинтерферометрии можно разделить на две группы: двухэкспозиционную спеклфотографию и корреляционную спеклинтерферометрию.

В обоих методах тем или иным способом реализуется интерференционное сравнение оптических образов двух состояний объекта: начального и измененного (смещенного или деформированного). Получаемая интерференционная картина служит сигналом измерительной информации.

Метод двухэкспозиционной спеклфотографии. Спекл-структура несет информацию о поверхности объекта, в частности о ее форме и пространственном положении. Это свойство эффективно используют для изучения малых (микроскопических) смещений поверхности объекта. Смещение или деформация поверхности объекта влечет за собой соответствующее пространственное перемещение объективной и субъективной спекл-структур, измерение которого позволяет определить смещение самой поверхности. Для этого используют двухэкспозиционную регистрацию спеклструктур, соответствующих начальному и измененному состояниям объекта, с последующим наблюдением картины интерференционных полос в поле дифракции лазерного пучка на записанных

спекл-структурах.

Для записи спекл-картины применяют оптическую схему (рис а), в которой регистрирующую среду (например, фотопластинку) помещают или в плоскости изображения объекта, или в расфокусированной области, включая заднюю фокальную плоскость, в которой формируется фурье-образ объекта. В первом случае регистрируются поперечные оптической оси смещения объекта, а во втором – изгибные деформации поверхности или ее наклон. На

фотопластинке в результате двухэкспозицион ной записи оказываются зарегистрированными две взаимно смещенные спекл-картины. Фотопластинку освещают лазерный пучком, который испытывает дифракцию на двойной тонкой спекл-структуре изображения объекта (рис. 2, б). В дифракционном поле формируется система параллельных интерференционных полос.

18. Трехмерные методы контроля формы. Стереоскопический метод, голографический метод.

Трехмерные методы измерения формы объектов

Среди трехмерных бесконтактных методов измерения геометрии различают два – стерео и голографический методы.

Стереонаблюдение - естественный метод дистанционного определения размеров, строиться по аналогии с системой зрения человека. Расстояние до объекта и его размеры определяются по смещению изображений, проецируемых объективами на матрицы ПЗС. Анализируя взаимное расположение проекций, система решает тригонометрическую задачу и определяет координаты поверхности контролируемого объекта.

Их достоинство: получение полной информации об объекте за одну экспозицию. Недостатки – необходимость наличия двух ПЗС-матриц, сложность программной обработки, необходимость наличия реперных точек.

Стереоскопическое зрение

Использование сразу двух глаз – бинокулярное зрение – даёт возможность компенсировать повреждения одного глаза за счёт другого, снимает эффект слепого пятна и лежит в основе

стереоскопического зрения, когда на сетчатках одновременно возникают слегка различающиеся изображения одного и того же предмета,

которые мозг воспринимает как один трёхмерный образ. У человека общее поле зрения охватывает 180°, а стереоскопическое – 140°. Стереоскопическое зрение абсолютно необходимо для хищников; у их «жертв», наоборот, глаза расположены по бокам, что увеличивает обзор.

Способы получения стереопары

Стереосъемку можно получить двумя способами: параллельным и направленным. При параллельном способе направление оптической оси объектива камеры не меняется, а при направленном камера поворачивается таким образом, чтобы оптическая ось объектива была всегда направлена на центральный объект фотографируемой сцены.

Параллельный и направленный способ формирования стереопары

Направленный способ моделирует конвергенцию глаз человека

Конвергенцией называется сведение зрительных осей при взгляде на близко расположенные объекты. Дивергенция (разведение зрительных осей) происходит при взгляде вдаль. При этом объекты, находящиеся на пересечении оптических осей выглядят четкими, а объекты, расположенные дальше или ближе, двоятся.

Достоинство параллельного способа в простоте - не надо поворачивать камеру, недостаток - требуется дополнительная обработка фотографий - компенсационный сдвиг. Компенсационный сдвиг заключается в относительном смещении фотографий стереопары таким образом, чтобы добиться нулевого параллакса (отсутствия двоения) на одном из объектов композиции. Объекты с нулевым параллаксом при просмотре

стереоизображения будут восприниматься удаленными на расстояние носителя картинки; объекты, расположенные в реальном мире ближе к фотографу - будут иметь отрицательный параллакс и казаться зрителю выступающими вперед; объекты, расположенные в реальном мире дальше объекта, по которому выполнено совмещение, будут иметь положительный параллакс и восприниматься углубленными в. На показан компенсационный сдвиг при котором совмещение стереопары выполнено по синей пирамидке - этот объект имеет нулевой параллакс.

Стереоскопическая видеосистема

Средства отображения стереоизображений

Традиционные стереодисплеи являются однофокусными. Они настроены либо на "бесконечность", либо на расстояние наилучшего зрения 250-330 мм. В дисплеях первого типа (нашлемных) стереопары изображений воспроизводятся и оптически переносятся на "бесконечность" отдельными для левого и правого глаза дисплейными каналами, выполненными обычно на базе жидкокристаллических микроматриц. В дисплеях второго типа стереопары воспроизводятся, как правило, на экране телевизионного монитора. Для разделения стереопар используются либо очки, снабженные

"обтюраторами" на жидких кристаллах, либо растровые щелевые или лентикулярные экраны (из тонких цилиндрических линз), либо ретрорефлективные зеркала.

Стерео очки

Наглазные устройства для воспроизведения стереопар бывают трех основных типов: поляроидные, цветные и обтюрационные. Поляроидный метод сепарации изображений поясняется на рис. Два кинескопа 1 и 4 располагаются перпендикулярно друг к другу, а воспроизводимые ими изображения совмещаются на полупрозрачном зеркале 2. Перед экранами установлены поляроидные пленки Р1 и Р2 с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Очки 3 снабжаются такими же поляроидными пленками, чтобы левый глаз мог воспринимать изображение только с кинескопа 4, а правый — с кинескопа 1. Аналогично производится сепарация изображений с помощью цветных очков (ангифов). В это случае перед кинескопами

устанавливаются цветные светофильтры (можно также использовать кинескопы с разными цветами экранов), а очки снабжаются соответствующими цветными стеклами с достаточно узкими спектральными характеристиками. При этом объемное изображение оказывается близким к черно-белому.

В последнее время для сепарации изображений стали применяться различные обтюрационные очки, основанные на электрооптическом эффекте в жидких кристаллах, пъезокерамике и других материалах. Восприятие изображений по очереди левым Л и правым П глазом осуществляется чередующейся подачей импульсов на левую и правую часть очков. Применение обтюрационной сепарации позволяет построить стереоскопическую систему по одноканальному принципу и снабдить ее одним кинескопом (рис.). Сигналы изображения с двух передающих камер ПК1 и ПК2 коммутируются в электронном коммутаторе ЭК, частотой кадров и поочередно передаются в канал связи КС, с выхода которого после усиления поступают на кинескоп. Одновременно на обтюрационные очки ОО подаются импульсы от синхрогенератора СГ,

также синхронизированные с генератором кадровой развертки ГР. В результате левый глаз будет воспринимать изображение, поступающее только с первой камеры, а правый — со второй. Поскольку частота мельканий каждого изображения оказывается вдвое меньше частоты полукадров, последнюю приходится удваивать по сравнению с принятым стандартом и соответственно расширять полосу пропускания канала связи.

Голографический метод

В голографическом методе для проведения контроля сначала регистрируется голограмма объекта, восстанавливается его изображение и далее для получения количественных данных измерений восстановленное изображение обрабатывается. Способ регистрации голограмм и последующего восстановления изображения объекта основан на интерференции двух волн: исследуемой — отраженной или прошедшей через объект и когерентной с ней опорной волны с известным распределением фаз. Для восстановления исследуемой волны, формирующей объемное изображение, на голограмму направляется восстанавливающая волна, совпадающая с опорной волной при записи. Восстановленное объемное изображение является точной копией исследуемого объекта и обладает всеми свойствами, присущими оригиналу.