Глава 5 (Учебник в электронном виде), страница 15
Описание файла
Файл "Глава 5" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 5"
Текст 15 страницы из документа "Глава 5"
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 | 112103 |
Гелиос | Нормальный | 50 | 2,0 | 44 | 5260 | |
Таир | Теле | 135 ... 1000 | 2,8 ... 8,0 | 17 ... 23 | 28 ... 52 | |
ОКС | Кино | 10 ... 150 | 2,0 ... 2,8 | 64 ... 100 | 35 ... 65 | 2227 |
Вариогоир | Трансфокатор | 11,8 ... 120,0 | 1,7 ... 2,5 | 10 … 72 | 110235 |
Примечание. KF - 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 хо объекта наблюдения. Тогда:
F = lв’хо/ lв и F = lг’хо/ lг,
где lв, lг - вертикальный и горизонтальный размеры объекта, lв’, lг’ - 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.
К лассическая схема дискретного 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.
М атричная 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.
5.4.4. Лазерные оптические локационные системы
Самым мощным и точным средством дистанционного обнаружения и распознавания объектов является ОЛС на базе оптического квантового генератора - лазера. Он позволяет получать бесконтактную информацию на расстояниях свыше 100 м.
ХХ век недаром иногда называют лазерным веком. Лазер сейчас является одним из самых распространенных приборов, да и совершенствование схем идет полным ходом. Впервые же идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована в 1954 году. Изготовленный Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, получил название мазер (от англ - Microwave Amplification by Stumulated Emission of Radiation). В качестве активной среды использовался аммиак. Идея о переводе излучения в видимый диапазон, предложенная в 1959 г. А. Джаваном, Н.Г. Басовым и др., привела к появлению первых лазеров (Light Amplification …) - сначала твердотельного рубинового (в 1960 г. Т. Мейманом), а затем газового He-Ne (в 1961 А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом). За работы в этой области несколько человек были удостоены Нобелевской премии - в том числе советские физики Н. Басов и А. Прохоров.
В основе работы лазера лежит свойство системы возбужденных атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда) способна усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с «инверсией заселенностей» . В этом состоянии число атомов на возбужденном энергетическом уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.