Бесконтактные технологии измерения расстояний

Итак, вы хотите измерить форму объекта, выполнить трехмерное сканирование поверхности или провести метрологические тесты поверхности. Google говорит нам, что есть много методов измерения для достижения этих целей. Проблема в том, какой из них лучше для вас?

Методы измерения объекта можно разделить на две основные категории: контактные и бесконтактные. В первом случае объект должен касаться датчика, что обычно усложняет процесс измерения, замедляет его и может повредить исследуемый нами объект. Более того, если измеряемый объект представляет собой мягкий материал, такой как резина, текстиль или ткань, его невозможно измерить вообще. Поэтому здесь мы обсудим только бесконтактные измерительные датчики, в которых датчик и измеряемый объект отделены друг от друга.

Все сводится к определению точного расстояния между двумя и перемещению одного относительно другого, чтобы восстановить форму объекта. Эта цель может быть достигнута с использованием различных оптических методов, каждый из которых лучше всего подходит для различных типов приложений.

Время полета

Возможно, самой простой концепцией измерения является метод времени полета - если мы снимаем импульс света, который отражается от объекта, и измеряем время, необходимое для его возврата к датчику, мы можем рассчитать расстояние до объекта, поскольку скорость света в воздухе постоянно. Проблема в том, что он движется довольно быстро: свет может облететь Землю примерно семь раз за одну секунду ... Если вам нужно измерить крупные объекты, а точность не так важна, это прекрасно. Но если вы хотите точно измерять короткие расстояния, вам понадобится смехотворно быстрая и чрезвычайно дорогая электроника для создания светового импульса и для измерения времени, что делает его непрактичным, если не невозможным. Так что еще мы можем сделать?

триангуляция

Самый распространенный способ - использовать метод триангуляции . Датчик излучает лазерный свет, который попадает на объект под некоторым углом падения, отражается от него и обнаруживается. Поскольку свет движется по прямым линиям, между лазерным источником, измеряемым объектом и детектором образуется треугольник. Измеряя точное местоположение лазера, попадающего в детектор, мы можем рассчитать расстояние до объекта, используя простую геометрию (см. Рис. 1). Звучит здорово, но что произойдет, если мы захотим измерить внутренние отверстия или объекты под крутым углом? В этих случаях световой путь будет перекрыт и не вернется в датчик, что сделает измерение бесполезным. Таким образом, если форма объекта сложная или вам необходимо большое угловое покрытие (например, измерение сферы), датчики на основе триангуляции - это не то решение, которое вам нужно.

Рисунок 1: Датчик расстояния триангуляции (источник: Википедия)

Методы, основанные на видении

Другие методы измерения, которые страдают от тех же проблем, основаны на зрении: для стереоскопического изображения используются две слегка разделенные камеры для измерения расстояний. Огромным преимуществом использования методов, основанных на зрении, является то, что они обычно способны измерять площадь (или объем) без необходимости перемещения объекта или камеры. Это связано с тем, что информация о расстоянии извлекается из двумерных изображений, полученных датчиком.

Но опять же, возникают проблемы при измерении канавок, отверстий и т. Д. Их просто невозможно измерить!

Конфокальное зондирование

Поэтому нам нужно найти коллинеарное решение, в котором свет движется к объекту и обратно от него по одному и тому же пути.

Конфокальное зондирование является одним из таких методов. Здесь свет фокусируется с помощью линзы на измеряемый объект, отражается от него и возвращается в датчик (см. Рис. 2). В монохроматическом конфокальном датчике используется одноцветный свет, и датчик и объект необходимо механически перемещать относительно друг друга, чтобы держать объект в фокусе объектива. Это делает технику очень медленной.

Напротив, конфокальные датчики белого света используют свет, состоящий из множества цветов. Линза фокусирует каждый цвет в немного другом месте, и, измеряя точный цвет возвращаемого света, мы можем оценить расстояние с точностью до нанометра.

Однако эти датчики очень дороги и громоздки, и они ограничены как в своем отклонении, которое является расстоянием между датчиком и объектом, так и в их рабочем диапазоне, который является интервалом расстояния, на котором возможно измерение. Это означает, что они могут измерять только относительно небольшие объекты, расположенные очень близко к ним. Другим недостатком является их относительно высокая температурная зависимость, что означает, что если измерение проводится при температуре, отличной от температуры окружающей среды, во время калибровки, их точность уменьшается.

Рисунок 2: Диаграмма конфокального микроскопа (источник: Википедия)

Методы интерферометрии

Датчики на основе интерферометрии имеют несколько иные недостатки: в этих типах датчиков свет разделяется на два различных пути, один из которых попадает на исследуемый объект, а другой служит эталоном (см. Рис. 3). Опять же, требуется механическое сканирование для смены одного рычага относительно другого, что значительно усложняет и замедляет процесс. Кроме того, могут быть измерены только относительные расстояния, и система должна тщательно контролироваться, чтобы оба плеча интерферометра находились в одинаковых условиях окружающей среды.

Несколько иное решение называется оптической когерентной томографией , в которой мы не меняем длину оптического пути, а сканируем цвет источника света. Хотя это намного быстрее, чем механическое изменение длины одного из плеч, точность снижается, и он в основном используется для медицинских применений.

Рисунок 3: Датчик расстояния на основе интерферометра (источник: Википедия)

Коноскопическая голография

Так что еще можно сделать, спросите вы? Вот где Optimet вступает в историю: в датчиках измерения расстояния Optimet используется уникальная запатентованная технология, называемая коноскопическая голография, которая позволяет быстро и точно измерять чрезвычайно сложные элементы, такие как отверстия и канавки, с угловым охватом ± 85 °.

Этот метод измерения является коллинеарным и допускает большие отклонения и расширенные диапазоны измерений. Как? Кратко поясним: лазерный датчик смещения излучает луч, который отражается от измеряемого объекта и возвращается к датчику коллинеарно (см. Рис. 4). Конус света, собранный линзой, затем проходит через различные оптические элементы, в которых он разделяется на два луча, которые движутся по одному и тому же пути, но имеют ортогональную поляризацию. Два разнополяризованных луча проходят через оптический кристалл, который замедляет скорость одного из них относительно другого, поэтому, когда они измеряются на детекторе, между ними создается относительная задержка. Поскольку свет может быть классически описан его волновым поведением (здесь нет необходимости в квантовой физике!), Это создает измеримую интерференционную картину, которая калибруется, чтобы получить расстояние между объектом и датчиком.

Бывают моменты, когда другие технологии лучше подходят: если вам нужно измерить крупные объекты, а точность не важна для вас, датчик времени полета - лучшее решение. Если у вас очень простые геометрические элементы (то есть нет глубоких отверстий и крутых углов), триангуляционные датчики обычно дешевле. Если вам нужно быстро отсканировать большой объем, технологии на основе зрения работают быстрее. Наконец, если вам нужно нанометрическое разрешение, тогда вам лучше всего подойдут конфокальные или интерферометрические датчики.

Более подробная информация о точечных и линейных датчиках Optimet и их уникальных преимуществах будет доступна в наших следующих публикациях. Оставайтесь в курсе!

Рисунок 4: Световой путь внутри датчика Optimet, основанный на коноскопической голографии

Похожие