LASERSKO MERJENJE RAZDALJ IN TRIDIMENZIONALNE OBLIKE …lab.fs.uni-lj.si/kolt/datoteke/osnove_laserske_tehnike/7_Lasersko... · •Druge metode temeljijo še na projiciranju radijskih

Osnove laserske tehnike

LASERSKO MERJENJE RAZDALJ IN TRIDIMENZIONALNE OBLIKE TELES

Razvrstitev metod

Laserska triangulacija

Čas preleta

Interferometrija

1


TEMELJNI PRINCIPI

LASERSKE METODE

MERJENJA RAZDALJ

TRIANGULACIJA

TOČKOVNA LINIJSKA PLOSKOVNA

ČAS PRELETA

BLISKOVNE MODULACIJA

MOČI ŽARKA

INTERFEROMETRIJA

TOČKOVNA

(premiki)

PLOSKOVNA

(topografija)


ZNAČILNOSTI

• Spadajo med AKTIVNE BEZDOTIČNE metode merjenja razdalj.

• Na objekt projiciramo signal – lasersko svetlobo – in analiziramo odboj z namenom določitve razdalje med senzorjem in osvetljeno površino.

• Druge metode temeljijo še na projiciranju radijskih (RADAR) in ultrazvočnih (SONAR) valov.


RAZLIČNE VRSTE ODBOJA SVETLOBE NA POVRŠINAH

4

Izbira ustrezne merilne tehnike je odvisna od vrste površine!


LASERSKA TRIANGULACIJA


LASERSKA TRIANGULACIJA KONSTANTNI FOKUS

VELJA ZA MAJHNE PREMIKE!

SISTEM JE NELINEAREN!


LASERSKA TRIANGULACIJA ZNAČILNOSTI

7

Relativno preprosta in hitra merilna metoda.

Velikost merilnega območja je odvisna od:

Zornega kota kamere (povečava (m) in velikost senzorskega elementa)

Razdalje do merjenca.

Površina mora biti difuzno odbojna, da se lahko del svetlobe odbije proti kameri.

Obliko celotne površine se izmeri s:

premikanjem žarka/profila, ali

s ploskovnim strukturiranim osvetljevanjem.


MERILNE NEGOTOVOSTI PRI TRIANGULACIJI

Nelinearnost in optične popačitve (kalibracija!)

Površinske nezveznosti

robovi,

sence,

neenakomerna odbojnost

Laserska pegavost (temeljna negotovost)


NAPAKE ZARADI POVRŠINSKIH NEZVEZNOSTI

Merilna napaka zaradi napačno detektirane lege laserske pike:

w … širina laserskega snopa

UKREPI ZA ZMANJŠANJE NAPAKE:

1. Tanek laserski žarek

2. Velik triangulacijski kot

Q

w

zerr

Napačno izmerjena površina

Laserski žarek

2 tanerr

wz

Q

Površina z različno svetlobno odbojnostjo


NAPAKE ZARADI POVRŠINE


TEMELJNA MERILNA NEGOTOVOST LASERSKA PEGAVOST

posledica koherence:

Laserska pika posneta ob različnih numeričnih odprtinah (NA)

l … valovna dolžina svetlobe

NA … numerična odprtina objektiva (≈D/2f)

povezava med f/# in NA je sledeča:

NA = 1/(2 f/#)

m … optična povečava

Primer:

l=630nm; NA=0.3; m=0.025

UKREPI ZA ZMANJŠANJE NEGOTOVOSTI:

1. Povečati NA, m in Q

2. Zmanjšati l

sinferrzm NA

l

Q

39ferrz m


IZMERA CELOTNE OBLIKE POVRŠINE Z LASERSKO TRIANGULACIJO

Potrebno premikanje merilnega modula glede na merjeno telo

Površina izmerjena na osnovi ene slike.


LASERSKI VEČLINIJSKI PROJEKTOR

13

Shema laserskega večlinijskega projektorja: Primer osvetljene površine telesa:


PRIMER: MERITEV OBLIKE STOPAL S PLOSKOVNIM OSVETLJEVANJEM

14


PRIMER: MERITEV OBLIKE STOPAL S PLOSKOVNIM OSVETLJEVANJEM

15

Natančnost: ~0.2 mm

Število izmerjenih točk: ~20 000

Merilno območje: 400200150 mm

Slike osvetljenega stopala s posameznih

merilnih modulov:

3D oblika stopala:


OBLIKA STOPALA V GIBANJU

16

STOPALO V GIBANJU:

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8Čat (s)

Z (

mm

)

Sonožni poskok

Stopanje na prste

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0

X (mm)

Z (

mm

)Sonožni poskok

Stopanje na prste

Hitrost merjenja: 25 meritev/sek


OBLIKA STOPALA V GIBANJU

17


PRIMER: MERITEV OBLIKE STOPAL Z LINIJSKIM OSVETLJEVANJEM

18

Princip delovanja:

- Krožno gibanje okrog obeh stopal:

- Uporaba dveh kamer -> manj senčenja:



19

Tehnične karakteristike merilnika:

Natančnost: 1 mm

Število izmerjenih točk: 100 000

Merilno območje: 400200150 mm

Izmeri obe stopali ISTOČASNO

Čas meritve: 10 sekund



20

Neobdelan oblak točk Obdelana meritev:


NAMEN UPORABE MERILNIKOV OBLIKE STOPAL

21

1. Pomoč kupcu in prodajalcu pri izbiri ustreznih čevljev

2. Pomoč pri razvoju nove obutve

3. Osnova za internetno prodajo obutve


METODE MERJENJA NA OSNOVI ČASA PRELETA

Bliskovne (pulz – eho)

Periodična modulacija moči laserskega žarka

Foto detektor

Bliskovni laser

Časovna razlika t

Objekt

Odbita svetloba

Foto detektor

Modulirani laser

Fazni zamik f -> Časovna razlika t

Objekt

Odbita svetloba


Oddaljenost objekta:

t … čas preleta svetlobe od merilnika do objekta in nazaj

c … hitrost svetlobe (0.3E9 m/s)

Ločljivost merjenja:

dt … dolžina laserskega bliska oziroma časovna ločljivost detektorja

Primer: dt = 1 ns -> dL = 0.15 m

BLISKOVNA METODA (PULZ-EHO)

2

c tL

2

c tL

dd

Foto detektor

Bliskovni laser

t

Objekt

Odbita svetloba

L


Maksimalna frekvenca merjenja:

tmax … najdaljši čas preleta od merilnika do objekta in nazaj

Lmax … največja razdalja

Primer: Lmax = 1 km -> fmax = 0.15MHz

BLISKOVNA METODA (PULZ-EHO)

max

max max

1

2

cf

t L

Foto detektor

Bliskovni laser

t

Objekt

Odbita svetloba

L


Skenirni sistem detekcija in

procesiranje

Inercialni poziciski sistem

Diferencialni

GPS

Shranjevanje podatkov

površje

LASER

Tipične karakteristike: Dolžina bliska: Tp = 10 ns Vršna moč: Ppeak = 2000 W Energija bliska: E ≈ Ppeak * Tp = 20 J Frekvenca merjenja: f = 100 kHz Laser: pretežno Nd:YAG (l = 1064 nm) Divergenca žarka: q = 0.3mrad Premer žarka: (na razdalji 1000 m) D = q*L = 0.3 m Merilna razdalja: do 3000 m

PRIMER: PROFILOMETRIJA ZEMELJSKE POVRŠINE Z LETALA


PRIMER: PROFILOMETRIJA ZEMELJSKE POVRŠINE Z LETALA

Kro

šnja

dre

vesa

dal

jno

vod

grm

ovj

e

tla


METODA MODULACIJE MOČI SHEMA SISTEMA


METODA MODULACIJE MOČI MATEMATIČNA ZVEZA

mod

1

2 4

cL c t

f

f

Foto detektor

Modulirani laser

Objekt

Odbita svetloba f

l

Oddaljenost objekta:

fmod … frekvenca modulacije moči laserske svetlobe

Merilno območje:

Primer: fmod = 20MHz -> Lmax = 7.5 m

max

mod2 2

cL

f

l

L


METODA MODULACIJE MOČI VPLIVI NA NATANČNOST

29

Frekvenca modulacije: višja frekvenca -> višja natančnost -> krajši merilni obseg.

Razmerje S/N:

Moč laserskega žarka

Atmosferski vplivi (temperaturni gradienti ter nečistoče)

Dolžina signala, ki se uporabi za izračun faznega zamika (posledično manjša frekvenca merjenja)

Povečanje merilnega obsega ob isti natančnsti:

Uporaba dveh frekvenc modulacije. Nižja služi za grobo, višja pa za fino določitev razdalje:ž

Primer: flo=500kHz -> Lmax=300m -> sL=80mm (S/N = 55 dB)

fhi=20MHz -> Lmax=7.5m -> sL=2mm (S/N = 55 dB)


PRIMER UPORABE V GRADBENIŠTVU

30

Izmera prostora z uporabo „laserskega razdaljemera“, pritrjenega na dvoosni rotacijski sistem:


PRIMERJAVA METOD TRIANGULACIJA IN ČAS PRELETA

Merilno

območje Natančnost

Merilna

frekvenca

Kompleksnost

(cena)

TRIANGULACIJA do 10 m >0.005 mm visoka

(4M točk/s) nizka

MODULACIJA

MOČI do 300 m >1 mm

nizka

(1000 točk/s) srednja

BLISKOVNA

(PULZ-EHO)

do 3000 m

(tudi več) >10 mm

srednja

(100k točk/s) visoka

Zastiranje: Pri metodah na osnovi časa preleta je ta problem bistveno manjši, saj sta lahko laser in

detektor postavljena v isti osi.


LASERSKA INTERFEROMETRIJA

32

Metode temeljijo na interferenci laserske svetlobe.

Za to je potrebna ustrezna KOHERENCA:

Popolnoma koherentno valovanje.

Valovanje ima dobro prostrosko in slabo časovno koherenco.

Valovanje je nekoherentno.


MICHELSONOV INTERFEROMETER

33

Pogoj za KONSTRUKTIVNO interferenco žarkov 2‘ in 3‘:

razlika optičnih poti je večkratnik valovne dolžine.

V tem primeru fotodetektor zazna svetlo progo (močan signal)

Če se pomično zrcalo premakne za l/4, nastane destruktivna interferenca.

Fotodetektor zazna šibak signal.

laser

Zrcalo

Pomično zrcalo

Delilnik žarka

Fotodetektor

1 2

3

2‘

3“ 2“

3‘

L


OSNOVE INTERFEROMETRIČNEGA MERJENJA RAZDALJ

34

Električni poljski jakosti žarkov 2‘ in 3‘ popišemo na ravnini fotodetektorja kot:

Fotodetektor meri INTENZITETO, ki je kvadrat vsote obeh valovanj:

Fotodetektor ne more slediti frekvencam 2w, ki so velikostnega reda 1014Hz, zato signal časovno povpreči. Tako je odziv fotodetektorja sorazmeren:

2 2( ) cos(E t a tw q 3 3( ) cos(E t a tw

2 2 2

2 3 2 3 2 3

2 2

2 3 2 3

22

322 3

( ) 2

( cos( )) ( cos( )) 2 cos( )cos( )

1 cos(2 ) 1 cos(2 ) 2 cos(2 ) cos( )2 2

I E E E E E E

a t a t a a t t

aat t a a t

w q w w q w

w q w w q q

2 2

2 32 32 cos

2

a aI a a q

0 0 0


OSNOVE INTERFEROMETRIČNEGA MERJENJA RAZDALJ

35

Fazni zamik žarka 2‘ v glede na 3‘ je v odvisen od razlike optičnih poti. Privzemimo, da sta optični poti obeh žarkov enaki, ko je L=0. Fazni zamik q je tako:

2 2

2 32 3

4 42 cos

2

a aL LI a a

q

l l

Na tem mestu je detektor neobčutljiv na pomik DL!

Najvišja občutljivost.


UGOTAVLJANJE SMERI PREMIKA KVADRATURNI INTERFEROMETER

36

Z enim fotodetektorjem ne moremo ugotoviti smeri pomika zrcala.

Interferometer tudi nima konstantne občutljivosti.

Zato se običajno uporablja dodatni fotodetektor, postavljen tako, da je njegov signal v kvadraturi (fazno zamaknjen za /2):

L

I

1. fotodetektor 2. fotodetektor

trenutna pozicija

I1

I2

b

Premik L se meri preko kota b, ki je linearno odvisen od L.


KVADRATURNI INTERFEROMETER

37

Z uporabo retroreflektorjev se drugi izhod iz interferometra loči od laserskega žarka.

S tem preprečimo motnje v laserskem resonatorju in

omogočimo namestitev 2. fotodetektorja.

Signalni procesor


UPORABA INTERFEROMETRA ZA MERJENJE NERAVNOSTI POVRŠINE

38

Z uporabo razširjenega laserskega snopa je možno izmeriti oblikovna odstopanja med testno in referenčno površino z ločljivostjo l/20 (~30nm).

referenčna površina

testna površina

valovni fronti

laser

zaslonka (prostorski filter)

razširjevalnik žarka dobro korigirana optika!

interferogram


PODROČJA UPORABE LASERSKE 3D METROLOGIJE

VZVRATNI INŽINEERING

NADZOR IZDELKOV RESTAVRATORSTVO (Digitalno arhiviranje umetnin)

ROBOTIKA

VARNOST (vojska, policija, forenzika)

MEDICINA GEOGRAFIJA (GIS – geografski informacijski sistem)

METEOROLOGIJA

GRADBENIŠTVO ZABAVNA INDUSTRIJA

TRGOVINA

ŠPORT


SKUPNE ZNAČILNOSTI LASERSKIH 3D MERILNIH SISTEMOV

PREDNOSTI:

USMERJENOST -> visoka ločljivost

ENOBARVNOST (monokromatičnost) -> enostavna obdelava signalov, dober kontrast

MAJHNE DIMENZIJE -> miniaturizacija

SLABOSTI:

OBČUTLJIVOST NA VRSTO MERJENE POVRŠINE

IZMERI SE “LE” POVRŠINA, NE PA NOTRANJOST

OBČUTLJIVOST NA “UMAZANO OZRAČJE” (dim, megla, temperaturni gradient)


RESTAVRATORSTVO


NADZOR IZDELKOV


VARNOST


MEDICINA

Monitor 3-d measuring

system

Patient


MEDICINA


ROBOTIKA


TRGOVINA

-OBLEKA IN OBUTEV PO MERI

-INTERNETNA TRGOVINA (boljša vizualizacija)

Documents

LASERSKO MERJENJE RAZDALJ IN TRIDIMENZIONALNE OBLIKE …lab.fs.uni-lj.si/kolt/datoteke/osnove_laserske_tehnike/7_Lasersko... · •Druge metode temeljijo še na projiciranju radijskih