6-2-воротников
.pdf
8. Оптические локационные системы
Общие сведения
Оптические локационные системы (ОЛС) предназначены для получения информации об предмете на основании анализа его оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных и рентгеновских волн. Такими параметрами являются
спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа
поверхности предмета, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла падения излучения.
ОЛС является важнейшим элементом информационного обеспечения современных роботов и их принято разделять на два больших класса:
• системы локации (рис. 86, а);
• системы технического зрения (рис. 86, б).
Классификация ОЛС
по типу ЧЭ |
|
по принципу локации |
по структуре |
||||||||
|
|
|
вакуумные |
|
|
|
активные |
|
|
|
коллиматорные |
|
|
|
оптронные |
|
|
|
пассивные |
|
|
|
телескопические |
|
|
||||||||||
|
|
|
лазерные |
|
|
|
|
|
|
|
проекционные |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фокусирующие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а |
б |
Рис. 86. Лазерный дальномер (а) и телекамера (б)
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Характеристика источников света
Оптические явления создают электромагнитные поперечные волны, представляющие собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (табл. 4).
|
Таблица 4. |
Диапазоны электромагнитных волн |
|
|
|
|
|
Тип излучения |
λ, м |
|
f, Гц |
|
|
|
|
Радиоволны |
105… 10– 4 |
|
3…3 · 1012 |
Инфракрасное излучение |
(100…0,76) · 10– 6 |
|
3·1012 …4 · 1014 |
Видимый свет |
(0,76…0,4) · 10– 6 |
|
4·1014 …7,5 · 1014 |
Ультрафиолетовое излучение |
(0,4…0,01) · 10– 6 |
|
7,5·1014…3 · 1016 |
Рентгеновское излучение |
(1…0,001) · 10– 8 |
|
3·1016 … 3 · 1019 |
Гамма-излучение |
(1…0,001) ·10–11 |
|
3·1019 … 3 · 1022 |
Излучение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Излучения с длиной волны λ = c/T = 380…750 нм образуют видимый свет (рис. 87).
Источники света
|
некогерентные |
когерентные |
|
||
Коэффициентом монохроматичности называется |
|||||
выражение |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Kм f / f , |
|
|
|
где |
f — ширина спектра излучения. |
Рис. 87. Длины волн видимого света |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
|||
Основные законы геометрической оптики
Теоретическую основу геометрической оптики составляют:
•закон взаимной независимости световых лучей;
•принцип наименьшего времени (принцип Ферма, рис. 88).
Частными случаями принципа Ферма можно рассматривать законы отражения и преломления света (рис. 89, а).
|
|
n1sin 1 = n2sin 2 , |
|
|
Рис. 88. |
Великий математик |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где 1 |
и 2 — угол между нормалью к поверхности раздела и падающим лучом в первой и второй |
|||||||||||||
среде |
соответственно (рис. 81, б). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
n1 n2 |
2 |
|
|
||||||
Отношение потока отраженного света к потоку падающего света |
|
|
|
|||||||||||
|
kотр; его вычисляют |
|
kотр |
|
|
|
|
|
||||||
называется коэффициентом отражения |
n |
n |
||||||||||||
через показатели преломления сред: |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Скорость распространения и длина световых волн в среде определяются выражениями: |
|
|
|
|||||||||||
|
! |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где n > 1; f — частота излучения. |
с c0/n; |
|
с/ f , |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
б
а
Рис. 89. Иллюстрация законов отражения и преломления света: а – лазерный луч, б - схема
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Вспомним школу…
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями, преломляющими световые лучи (рис. 90).
Линза характеризуется следующими параметрами:
•фокусом (задним и передним);
•фокусным расстоянием (передним и задним);
•сопряженным фокусным расстоянием.
Выпукло-вогнутая линза называется |
мениском |
Рис. 90. Виды линз. 1…3 — собирающие, |
(позиции 3 и 6 на рис. 90). |
|
|
|
4 … 6 — рассеивающие. |
Все лучи, параллельные оптической оси сферической поверхности раздела, преломляются так, что сходятся в одной точке, называемой фокальной, или фокусом (рис. 91).
Фокусное расстояние зависит от радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления
стёкол и толщин.
!
Рис. 91. Фокусные расстояния линз и зеркал
Совокупность оптических деталей (линз, зеркал, призм и т. д.), образующих изображение предметов на фотоприемнике, называется оптической системой.
В оптической системе различают пространство предметов — область, в которой расположены предметы, и пространство изображений — область, в которой размещается изображение.
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Свойства оптического стекла
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Собирающая линза
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Рассеивающая линза
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Основные параметры линзы
Линза содержит две поверхности раздела сред и имеет два фокуса: передний fп (со стороны
пространства предметов) и задний fз (со стороны пространства изображений). В ней выделяют две
главные точки (переднюю Н и заднюю Н’), а также переднюю N и заднюю N’ узловые точки (рис. 85, а).
Для тонкой линзы переднее и заднее фокусные расстояния одинаковы и равны расстоянию вдоль оптической оси от центра линзы до ее фокальной точки.
Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы
называются сопряжёнными фокусными расстояниями.
б
а
Рис. 85: а – основные оптические точки линзы, б – учитель Ньютона
Формула тонкой линзы (закон Барроу, рис. 85, б):
|
1 |
= |
1 |
+ |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
f |
|
xп |
xи |
|
|
где xп – расстояние до предмета, xи – расстояние до изображения.
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Формулы линзы
Фокусное расстояние f и сопряженные фокусные расстояния u и v тонкой линзы (рис. 86, а) связаны между собой формулой И. Барроу:
1/f = 1/u + 1/v
б
а
Рис. 86. Ход лучей в тонкой линзе (а) и системе линз (б)
Оптическая (преломляющая) сила линзы:
FD n1/fп n2/fз .
У собирающих линз FD > 0, у рассеивающих FD < 0. Оптическая сила системы из двух тонких линз равна
FD (1/f = 1/f1 + 1/f2) FD1 + FD2.
Если линзы расположены на некотором расстоянии L друг от друга (рис. 8, б), то
FD (1/f = 1/f1 + 1/f2 – L/f1f2) FD1 + FD2 – L D1D2
Пример:
рассеивающая линза с фокусным расстоянием 20 см (1/5 м) имеет оптическую силу 5 диоптрий.
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Изготовление линзы
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |