устройство для определения структуры поверхности объекта

Формула изобретения

1. Устройство для определения структуры поверхности объекта, включающее источник света, формирователь оптического изображения выбранного участка поверхности контролируемого объекта и средство пространственной фиксации контролируемого объекта относительно плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка, отличающееся тем, что в качестве формирователя оптического изображения использован цифровой фотоаппарат, а средство пространственной фиксации контролируемого объекта относительно плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка выполнено в виде опорной поверхности, которая установлена в плоскости проецирования с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом применен дополнительный источник света, источники света установлены по разные стороны фотоаппарата на установочной поверхности штатива с возможностью поворота вокруг своей оси и перемещения фотоаппарата и источников света относительно друг друга, причем установочная поверхность штатива расположена перпендикулярно фокальной оси объектива фотоаппарата с возможностью перемещения вдоль нее и вращения относительно опорной поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источники света помещены в теплоизоляционные кожуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам распознавания образов с использованием средств оптики, в частности к устройствам определения структуры поверхности объекта, например обнаружения на поверхности каких-либо включений.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является создание устройства, формирующего однозначно воспринимаемое оптическое изображение для любого выбранного участка поверхности объекта, в том числе поверхности взрывопожароопасного объекта, минимально необходимыми средствами простой оптики.

Известно устройство для определения структуры поверхности объекта, например детектор для обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), в частности пластичных ВВ с отпечатков пальцев, оставленных на посадочных талонах, заранее розданных при регистрации авиапассажирам (патент РФ № 2148825, описание опубликовано 10.05.2000 г.). Известное устройство содержит источник света для освещения поверхности талона, чтобы вызвать получение Рамановского рассеянного света (сканирование гелиево-неоновым лазером), детектор для обнаружения Рамановского рассеянного света, полученного от поверхности талона, и узкополосный фильтр, ширина полосы которого около 20 см ^-1 с центром на значении около 880 см^-1, установленный между талоном и детектором. Детектор реагирует на присутствие на талоне любой из частиц двух активных химических ингредиентов, входящих в состав ВВ.

Недостатком известного устройства является то, что оно позволяет определять наличие ВВ на поверхности объекта с минимальным его содержанием и не дает возможности работать с взрывопожароопасными объектами, где массовая доля ВВ несоизмерима с содержанием ВВ в рассмотренном объекте.

Известно устройство для определения структуры поверхности объекта, основанное на формировании оптического изображения выбранного участка поверхности контролируемого объекта в рассеянном отраженном излучении, дающего информацию о рельефе и макроструктуре данного участка поверхности, и которое сравнивается с запомненным ранее эталонным оптическим образом этого же участка поверхности (патент РФ № 2117989, описание опубликовано 20.08.1998 г.). Данное устройство выбрано в качестве прототипа к заявляемому решению как наиболее близкое по количеству сходных признаков и решаемой задаче. Известное устройство включает корпус с фотодетектором, электронным блоком и оптическим трактом, содержащим входное окно и средства пространственной фиксации входного окна, т.е. плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка поверхности контролируемого объекта, и самого объекта относительно друг друга. Единообразный контакт входного окна с выбранным участком поверхности контролируемого объекта обеспечивается с помощью штырей с ответными отверстиями на контролируемом объекте. Симметрично относительно окна в корпусе размещены последовательно друг за другом собирающая линза, источник света, например светодиод, светонепрозрачный экран, фотодетектор и электронный блок с аналого-цифровым преобразователем, микропроцессором и блоком управления. Источник света установлен в фокальной плоскости линзы, а экран непосредственно за ним. При запуске микропроцессора выдается команда на блок управления, который запускает источник света и фотодетектор, после чего излучение, выходя из фокуса линзы и пройдя ее, превращается в квазипараллельное, падает на выбранный участок поверхности и отражается от него. Зеркально-отраженное излучение также является квазипараллельным, пройдя через линзу, собирается в ее фокусе, т.е. в области размещения светодиода. Светонепрозрачный экран защищает поверхность детектора и на его поверхность воздействует только рассеянное отраженное (диффузное) излучение, формируя распределение освещенностей, соответствующее особенностям конкретного участка поверхности. Далее сигналы подаются на преобразователь и микропроцессор, где кодируются и высвечиваются на индикаторе, после чего сравниваются с эталонным оптическим образом этого же участка, формируемым и обрабатываемым, как описано выше.

Недостатком известного устройства является сложность эксплуатации и конструкции ввиду того, что к процессу контроля предъявляются требования по получению рассеянного света, необходимости использования линзы и защитного светонепроницаемого экрана, электронного блока с аналого-цифровым преобразователем, микропроцессором и блоком управления, а также того, что единообразный контакт входного окна с выбранным участком поверхности контролируемого объекта обеспечивается с помощью штырей с ответными отверстиями на контролируемом объекте. К тому же, со временем записи в память набора цифровых параметров, характеризующих эталонный оптический образ, до времени контроля с оптическим трактом могут произойти случайные изменения (освещенности, светопропускающей способности линзы), которые влияют на достоверность контроля, а чтобы это влияние уменьшить, необходимо прибегать к дополнительным мерам. Следует также отметить, что известное устройство позволяет осуществлять контроль поверхности объектов относительно небольших размеров и определенной конфигурации, что сужает его функциональные возможности и не позволяет производить контроль поверхности взрывопожароопасных объектов ввиду невозможности применения взрывозащитного кожуха для источника света.

Техническим результатом заявляемого устройства является его упрощение и расширение функциональных возможностей. Дополнительным техническим результатом, который может быть достигнут при применении заявляемого изобретения, является возможность осуществления контроля поверхности взрывопожароопасных объектов.

Указанный технический результат осуществляется за счет того, что в устройстве для определения структуры поверхности объекта, включающем источник света, формирователь оптического изображения выбранного участка поверхности контролируемого объекта и средство пространственной фиксации контролируемого объекта относительно плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка, в качестве формирователя оптического изображения использован цифровой фотоаппарат, а средство пространственной фиксации контролируемого объекта относительно плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка выполнено в виде опорной поверхности, которая установлена в плоскости проецирования с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом применен дополнительный источник света, который вместе с фотоаппаратом и другим источником света размещен на установочной поверхности штатива, которая расположена перпендикулярно фокальной оси объектива фотоаппарата с возможностью перемещения вдоль нее и вращения относительно опорной поверхности, причем источники света установлены по разные стороны фотоаппарата с возможностью поворота относительно своей оси, и фотоаппарат и источники света размещены с возможностью перемещения относительно друг друга.

Источники света могут быть помещены во взрывозащитные кожуха. Использование в качестве формирователя оптического изображения цифрового фотоаппарата позволяет расширить возможности устройства и осуществлять формирование оптического изображения выбранного участка поверхности контролируемого объекта без применения электронного блока с аналого-цифровым преобразователем, микропроцессором и блоком управления, а также снять требования по получению рассеянного света и применению светонепроницаемого экрана и собирающей линзы.

Выполнение средства пространственной фиксации контролируемого объекта относительно плоскости проецирования оптического изображения выбранного участка в виде опорной поверхности, которая установлена в плоскости проецирования с возможностью поворота в горизонтальной плоскости вокруг своей оси, позволяет размещать на ней контролируемые объекты с различными конфигурациями поверхностей и габаритами и осуществлять контроль различных участков поверхностей без установки единообразного контакта входного окна с выбранным участком поверхности контролируемого объекта с помощью штырей с ответными отверстиями на контролируемом объекте, как в прототипе.

Применение двух источников света, размещенных по разные стороны фотоаппарата с возможностью поворота относительно своей оси и перемещения относительно фотоаппарата и фотоаппарата относительно них, позволяет простыми мерами сформировать требуемую для качественного оптического изображения освещенность поверхности, независимо от ее конфигурации, что приводит в конечном результате к обеспечению контроля с высокой степенью достоверности.

Размещение источников света вместе с фотоаппаратом на установочной поверхности штатива перпендикулярно фокальной оси объектива фотоаппарата с возможностью перемещения вдоль нее и вращения относительно опорной поверхности позволяет простой манипуляцией выбрать любой участок контролируемого объекта и добиться его оптимальной освещенности (равномерности освещения контролируемой поверхности), максимального количества точек автофокусировки фотоаппарата, что, в конечном итоге, позволит избежать размытости изображения и световых бликов на нем. Поскольку можно быстро и легко добиться оптимальной освещенности любого участка объекта с различной конфигурацией, то данное устройство позволяет произвести быстро контроль всей поверхности объекта, чередуя размеченные участки.

На фиг.1, 2 изображен общий вид заявляемого устройства, где 1 - опорная поверхность (вращающийся диск), 2 - фотоаппарат, 3 - источник света, 4 - штатив с установочной поверхностью и направляющими.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства является устройство определения структуры поверхности объекта, снаряженного ВВ. Структура его поверхности контролируется на предмет наличия следов ВВ на участках, на которых их не должно быть по требованиям, предъявляемым к работе контролируемого объекта. Данное устройство позволяет осуществить фотографический контроль поверхности объекта и содержит стенд, на столешницу (не показана) которого установлена опорная поверхность в виде вращающегося диска для размещения на ней контролируемого объекта. Поскольку необходимо получить изображения различных участков поверхности контролируемого объекта, составляющих поверхность объекта в целом, то для маркировки изображения использован трафарет с маркировочными знаками, который устанавливается на столешницу. В качестве формирователя оптического изображения использован цифровой фотоаппарат CANON EOS 40D, который вместе с источниками света (применены фары во взрывозащитном кожухе) размещен на установочной поверхности штатива, расположенной перпендикулярно фокальной оси объектива фотоаппарата. Источники света размещены по разные стороны фотоаппарата с возможностью вращения вокруг своей оси и перемещения относительно фотоаппарата и друг друга, а также фотоаппарата относительно источников света. Установочная поверхность штатива перемещается по направляющим вдоль фокальной оси и поворачивается относительно опорной поверхности.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Фотографический контроль интересующего нас объекта основан на фотографировании его поверхности цифровым фотоаппаратом 2, переносе изображения с CF-карты на жесткий диск компьютера (ПК), получении фотографии и последующем сравнении фотографии поверхности контролируемого объекта с фотографией поверхности эталонного (стандартного) образца. За эталонный образец принята фотография объекта с дефектами, где присутствуют следы ВВ в виде наплывов, перемычек, дорожек и т.д. Для маркировки изображения был использован трафарет с маркировочными знаками. Трафарет требуется установить на столешницу, при этом он не должен перекрывать поле контролируемого участка. Поскольку поверхность контролируемого объекта отлична от плоской, то ее разбивают на пояса, которые делят на участки. Трафарет должен содержать индекс и заводской номер контролируемого объекта, а также номер контролируемого участка и пояса. Далее объект устанавливают торцевой поверхностью в центр вращающегося диска 1. Далее на установочной поверхности штатива 4 закрепляют фары 3, соединенные с источником питания. Потом включают источник постоянного тока и устанавливают выходное напряжение +12 V. Перемещением фар 3 по установочной поверхности штатива 4 и изменением угла светового потока от них добиваются равномерного освещения поверхности контролируемого участка, после чего закрепляют фотоаппарат 2 на установочной поверхности штатива 4 на расстоянии примерно 400 мм от поверхности контролируемого объекта. Передвигая по направляющим установочную поверхность штатива 4 с фотоаппаратом 2 в пределах ±50 мм от первоначально установленного положения, добиваются мигания максимального количества точек автофокусировки на дисплее фотоаппарата. Производят фотографирование первого участка, нажав кнопку дистанционного переключателя RS-80 N3 фотоаппарата или кнопку спуска затвора. Переносят файл изображения первого участка контролируемого объекта с CF-карты фотоаппарата на жесткий диск ПК. Выводят изображение поверхности первого участка на фотобумагу и сравнивают с изображением поверхности эталонного образца. Допускается производить сравнение изображений поверхности контролируемого участка и стандартного образца на экране монитора ПК. Далее, вращением диска 1 устанавливают контролируемый объект в положение, соответствующее следующему контролируемому участку, и повторяют все заново до окончания фотографирования всех участков поверхности контролируемого объекта. Переносят файлы изображения поверхности всех контролируемых участков распределителя с CF-карты фотоаппарата 2 на жесткий диск ПК и с помощью принтера получают фотографии поверхности всех контролируемых участков. Производят оценку наличия ВВ на поверхности контролируемого объекта на тех местах, где его не должно быть, сравнивая фотографию поверхности каждого участка с ранее полученной фотографией поверхности эталонного образца. Контролируемый объект считается годным, если на фотографии участков поверхности не обнаружены дефекты, соответствующие изображениям наплывов и перемычек из ВВ, которые присутствуют на фотографии поверхности эталонного образца.

Т.о. предлагаемое устройство позволяет формировать однозначно воспринимаемое оптическое изображение любого выбранного участка поверхности объекта с различной конфигурацией и различных габаритов минимально необходимыми средствами простой оптики, в том числе позволяет контролировать качество изготовления взрывопожароопасных объектов.