5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем

Внастоящее время в системах навигации обычно используются оптронные ОЛС (для ближнего радиуса действия) и лазерные - для дальнего. Информативным параметром является величина сигнала, регистрируемого приемником ОЛС, зависящая, в том числе, и от яркостиL объекта. Для системы, работающей в отраженном свете уро­вень принимаемого сигнала пропорционален отража­ю­щей поверхности объекта или его k_отр. Следовательно, сигнал от объекта с большей отражающей способностью, будет выше и, например, белый объект будет казаться бли­же черного.

Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических пре­образователей (напри­мер, оптронной пары типа светодиод - фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как пра­вило, в ИК диапазоне. Качество обнаружения (де­тек­тиро­ва­ния) определяется следу­ю­щими параметрами: мощностью и направленностью излучения, спектральной характеристикой первичных пре­­образователей (излучающего диода - на стороне излучателя и фото­детектора на стороне приемника) и свойствами отражающей поверхности объекта.

Излучатели и приемники ОЛС состоят из двух основных функциональных блоков: первичного преобразователя и оптической системы.

Первичные преобразователи оптронных ОЛС строятся по тем же схемам, что и преобразователи оптических датчиков положения. Как правило, для излучения света применяются полупроводниковые светодиоды, использующие явление элек­тро­лю­ми­несцен­ции. Их изготавливают на базе фосфида и арсенида галлия (обеспечивая, при этом КПД до 25%), карбида кремния. В оптических системах для приема светового сиг­нала чаще всего используются фото­транзи­сто­ры, действие которых основано на внут­реннем фотоэффекте или фотоумножители с малыми значениями темнового то­ка ( 0,1 мкА) и постоянной времени (10^-2 мкс). Фототранзисторы обладают высокой чувствительностью и линейной фун­кцией преобразования.

Оптическая система, входящая в состав излучателей и приемников оптронных ОЛС предназначена для формирования направленного светового потока и получения изображения объекта. Она, как правило, строятся по схеме «объектив-конденсор».

Объективом обычно называется ближняя к объ­екту ли­н­за (или система линз), дающая его обратное действите­ль­ное изображение. Появление объектива датируется 1840 г., когда венский оптик Й. Петцваль рассчитал первый прибор, который затем использовал для получения портретных изображений. (Его объектив был четырехлинзовым, линзы име­ли большие размеры и выполнялись из двух сортов стекла).

Современный объектив (рис. 5.68) характеризуется:

• фокусным расстоянием F (1 ... 10000 мм);

• углом поля зрения ’ (до 170⁰);

• светосилой S_F или относительным отверстием r = d/F (r = 1:1 ... 1:30).

Кроме объектива в оптической системе может использоваться и окуляр - обычно ближняя к глазу линза (или несколько линз), образующая действительное изображение.

Объектив используется не только на передающей, но и на приемной стороне. Его важнейшая характеристика - фокусное расстояние характеризует величину поля зрения. Чем меньше F, тем больше зона обзора, но меньше разрешающая способность. Следовательно, для каждой конкретной задачи необходимо подбирать объектив с требуемым фокусным расстоянием. Объектив обычно содержит заслонку с отверстием, ограни­чива­ю­щую пучок лучей - диафрагму. (Диафрагмой глаза, например, изменяющей размер зрачка в пределах 1,5 … 8 мм, является его радужная оболочка). Диа­фраг­ма, проходящая через точку пересечения главного луча с оптической осью (в системе с одной линзой она является ее «оп­равой») называется апе­р­турной. Ее изображением в простран­­стве пре­д­ме­тов и изображений являются входной и выходной зрачок, соответст­венно. Характеристикой апертуры является угол поля зрения ’ (или угловое поле зрения) определяется размером диагонали кадра изображения и фокусным расстоянием объектива. Так, для обычных объективов ’ = 45 … 60⁰ (рис. 5.68а), объективы с мень­шим фокусным расстоянием называются широкоугольными (рис. 5.68в); для них характерно большее угловое поле (до 170⁰), и, наконец, телеобъективы или длиннофокусные объективы (рис. 5.68б) имеют угловое поле 5 … 30⁰. В некоторых источниках, в основу разделения объективов по фокусному расстоянию по­ло­жен параметр F^* равный отношению фокусного расстояния к диагонали изображения. Объективы с F^* < 0,9 называются короткофокусными, с F^* > 1,5 - длиннофокусными. Таким образом, с помощью короткофокусных объективов можно увидеть большую зону, чем с помощью длиннофокусных, но с меньшими подробностями.

Качество объектива определяется всеми компонентами, образующими его оптическую систему. Так, каждой из линз объектива свойственнаабер­рация - нелинейное искажение изображения, обу­слов­ленное отклонением свойств реальной линзы от идеальной. Частичная компенсация аберраций достигается в объективах с несколькими линзами (например, склеенными или выполненными из разных материалов), а также применением зеркальных систем, как в фотообъективах. Однако, при малых значениях относительного отверстия и угла поля зрения (r < 1:12 и ’ = 1 … 3^о) аберрации практически отсутствуют. Такие объективы используются в качестве тестовых.

Применительно к объективам светосила определяется выражением: S_F = r²m. Иногда ее вычисляют через относительное отверстие r, величину равную отношению диаметра отверстия диафрагмы d к фокусному расстоянию F. (Например, если диаметра действующего отверстия диафрагмы объектива 25 мм, а его фокусное расстояние 50 мм, то говорят, что его светосила составляет 1:2). Для увеличения светосилы в боль­шин­стве современных объективов с автодиафрагмой используются специальные фильтры с «центральным пятном». Относительное отверстие определяет и разрешающую спо­собность объектива. Для нахождения линейной разрешающей способности K существует эмпирическая зависимость:

K = 1473/N. Размерность K - линий/мм.

При описании объективов наряду со светосилой S_F, используется понятие диафрагменного (апертурного) числа N или эффективного диафрагменного числа k_э, равных, соответствен­но:

N = 1/r = F/d,

k_э = N/2 .

Значения k_э обычно стандартизуют рядом предпочтительных значений - 1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; ... 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16 ... 1:64.

Оптическая (преломляющая) сила линз D зависит от радиуса кривизны R границы раздела двух сред и их коэффициентов преломления n₁ и n₃ (рис. 5.69):

D = - n₁/f = n₃/f’.

Для линзы, находящейся в воздухе (n₁ = n₃  1) справедливо выражение:

D = 1/F,

где D измеряется в диоптриях (дп). Для собирающих линз D > 0, для рассеивающих D < 0. Чем больше оптическая сила, тем ближе к линзе располагается изображение и тем меньше величина этого изображения.

Для вычисления преломляющей силы оптической системы с несколькими линзами D_n используется формула Гу­льстранда, учитывающая количество преломляющих пове­рхностей. Так, если оптическая система состоит из нетонких линз, т.е. каждая из них представляет собой систему с двумя преломляющими поверхностями, то для каждой из линз справедливо:

Здесь D_п и D_з - преломляющие силы передней и задней поверхностей линзы соответственно, d’ - расстояние между ними, n - коэффициент преломления заключенной между ними среды.

В качестве примера рассмотрим глаз человека, представляющий собой оптическую систему с двумя линзами или четырьмя преломляющими поверхностями. Оптическая сила глаза D_г составляет  59 дп. При его напряжении происходит изменение фокусных расстояний хрусталика, и оптическая сила возрастает до 70 дп. Нормальный глаз называется эмметропичес­ким. В этом случае плоскость изображений находится на сетчатке. Близорукость (миопия) возникает, когда задний фокус глаза оказывается перед сетчаткой, дальнозоркость (гиперметропия) - если за ней. Для нормализации близорукого глаза необходимо уменьшить его оптическую силу, для чего к глазу приставляют отрицательную линзу, оптическая сила которой приводит задний фокус на сетчатку. Глаз без хрусталика (афакический) требует для восстановления оптической силы компенсационной очковой линзы силой  11 ... 14 дп. Глаз, как линзовая система, имеет и другие дефекты. Так, например, различие оптической силы глаза в разных направлениях приводит к астигматизму, ко­торый проявляется в том, что изображение двух взаимно перпендикулярных прямых не получаются одинаково резкими.

Важной характеристикой объектива является глубина резкости Т_L, выражаемая через расстояние вдоль оптической оси между точками простра­нства изображений, определяющими границы резкого изо­бражения. Для качественных объективов (с высокой разрешающей способностью и аберрацией ниже 0,015 мм) справедливо эмпирическое выражение:

Например, для относительных отверстий r = 1:2 ... 1:4 глубина резкости составляет  0,05 ... 0,1 мм.

В табл. 5.14 представлены некоторые технические характеристики объективов.

Таблица 5.14. Примеры отечественных промышленных объективов

Модель	Тип	F, мм	r	Угловое поле ’, 0	К, линий/мм	Размеры, мм
Мир-1В	Широкоуголь­ный	27 ... 37	3,5 ... 2,8	57 … 70	23 ... 55	112103
Гелиос	Нормальный	50	2,0	44		5260
Таир	Теле	135 ... 1000	2,8 ... 8,0	17 ... 23	28 ... 52
ОКС	Кино	10 ... 150	2,0 ... 2,8	64 ... 100	35 ... 65	2227
Вариогоир	Трансфокатор	11,8 ... 120,0	1,7 ... 2,5	10 … 72		110235

Примечание. K_F - кратность изменения фокусного расстояния.

Конденсор предназначен для увеличения освещенности в плоскости изображения. Он создает действительное изображение источника света на конечном расстоянии от него. (Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий параллельный световой пучок). В приемнике он устанавливается после объектива, в передатчике перед ним, но во всех случаях - ближе к плоскости изображений. Конструкция конденсора зависит от апертуры. Простейший конденсор представляет собой пло­сковыпуклую линзу, сферическая поверхность которой направлена в сторону далеко удаленного источника света (или его изображения). Более сложные схемы включают 1 … 2 линзы (при малых значениях апертуры) и не менее трех линз, при апертуре большей 30⁰ (рис. 5.70).

Используемые в современной фотографии оптические системы, состоящие из нескольких линз, получили название «объектив-ан­астиг­мат». В частности, известная модель Индустар содержит 4 линзы, две из которых простые, а две склеенные. Такая схема хорошо исправляет аберрации. Промышленно выпускаются объективы с фокусными расстояниями F = 50 ... 1200 мм и относительными отверстиями r = 1:9 ... 1:2,8. Широкое распространение получили оптические системы с переменным фокусным расстоянием - трансфокаторы. Так, известная схема ZOOM, позволяющая изменять фокусное расстояние в десятки раз, содержит от 6 до 10 и более линз.

В робототехнике при расчете ОЛС обычно пытаются удовлетворить трем основным условиям. Первое - это выбор необходимой области зрения, второе - определение раз­решающей способности и третье - нахождение способа компенсации изменение осве­щенности. Первые два требования удовлетворяются при над­лежащем выборе угла обзора, который может составлять от нескольких градусов - для концентрации внимания на удаленном объекте, до 180⁰ - для обзора большой территории. Зная угол обзора можно найти фокусное расстояние оптической системы, причем, чем меньше F, тем больше угол обзора. В этом смысле целесообразно использовать широкоугольные объективы. (Здесь, правда, надо иметь в виду, что объективы с углом зрения больше 120⁰ вносят су­ществен­ные искажения).

Проще всего выбрать оптическую систему, если заранее известна дальность обнаружения или габариты и удаление х_о объекта наблюдения. Тогда:

F = l_в^’х_о/ l_в и F = l_г^’х_о/ l_г,

где l_в, l_г - вертикальный и горизонтальный размеры объекта, l_в^’, l_г^’ - вертикальный и горизонтальный размеры изображения на фотоприемнике.

В устройствах теленаблюдения, например, в зависимости от угла обзора, используют оптические системы с F от 2,8 мм (широко­угольные) до 12 мм и более (узконаправ­ленные). Примеры характеристик некоторых объективов, применяемых в устройствах видеонаблюдения приведены в табл. 5.15.

Таблица 5.15. Микрообъективы

Модель	Тип	F, мм	r	Угловое поле ’,0	К, линий/мм	, мм	m, г
Т/3,5-8	Нормальный	3,5	1 ... 1,4			8	40
Hyosung	Телеобъектив	12				8	30
SL-2	Pin-hole	9		35 ... 28	70	12	50
SL-15	Pin-hole	2,4		115 ... 90	65	12	50
Y1235M	Широкоугольный	2,5	1,4	95		12	30

Примечание. Модель Hyosung разработана фирмой Hyosung, Корея, Т/3,5-8 и SL - фирмами Терна и Фокус, Россия, Y1235M - фирмой Yamano, Япония.

Оптронные ОЛС чаще всего используются в системах бе­зопасности релейного типа. Различают: дискретную и матричную схемы оптронных датчиков.

Классическая схемадискретного датчика содержит первич­ный оптронный преобразователь в виде свето- и фотодиода, объе­­диненных в едином корпусе. Коллимационные линзы, образую­щие кон­денсор, сфокусиро­ваны в одну точку (рис. 5.71). Световой сигнал модулируется частотой 15 … 30 кГц, обеспечивая сред­нюю мощ­ность излучения  0,05 Вт. При работе датчика в отраженном свете его да­льность х, до­стигает 0,7 … 1,0 м, быстродействие  0,3 мс. Диапазон срабатывания датчика х настраивается фокусировкой оптической системы. Недостатком схемы является невысокая дальность действия и чувствительность к помехам и отражающим характеристикам препятствия. Для повышения помехоустойчивости в условиях световых засветок используются оптические фильтры, оставляющие в оптическом диапазоне только ИК область, а также ИМ переменной частоты с синхронным детектированием.

Большей дальностью обладают датчики, работающие в проходящем свете и включающие оптическую систему «объектив-конденсор» и узкополосный ИК оптический фильтр на стороне приемника. Их даль­ность достигает 20 м.

В робототехнике оптронные ОЛС используются очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Например, погрешность ОЛС фирмы Dolan-Jen­ner (США) составляет  0,025 мм, фирм Keyence (Япония) и Balluff (Гер­ма­ния)  5 мкм при измерении расстояний в диапазоне  1мм. Быстродействие систем достигает  2 мс. Функция преобразования ОЛС - нелинейна, поэтому ее датчики обычно калибруются на некоторую эффективную даль­ность, относительно которой и регламентируются все ее метрологические характеристики. Для расширения температурного диапазона работы (до 250 ⁰С) современные модификации оптронных датчиков малых расстояний используют световолоконные каналы передачи данных.

Дискретные бинарные датчики применяются не только в ОЛС, но и в оптических системах идентификации -Smart-картах. Простая схема оптического считывателя приведена на рис. 5.72.

Матричная схема оптронных датчиков предназначена для обнаружения предметов, имеющих рассеяно отражающие свойства, и предполагает применение массива фотодетекторов в виде полупроводниковой матрицы или линейки. Такие схемы используются также в задачах наведения, когда несколько дифференциально включенных детекторов устанавливаются, например, на пальцах захватного устройства робота (рис. 5.73). В этом случае, сигнал позиционирования U формируется в виде разности сигналов детекторов с противоположных пальцев: U₁-U₂. Для получения функции преобразования в виде U = f(x), характеристику нормализуют:  = (U₁-U₂)/(U₁+U₂). Данная ОЛС, содержащая две пары детекторов была разработана в Токийском технологическом ин­­ституте для транспортного робота. Система позволяет определять не только расстояние до объекта х, но и его координаты.

Выпускаемые промышленно оптронные дальномеры измеряют расстояния до 100 мм с погрешностью 1%, причем время измерения не превышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используются оптические отражатели.