Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Диафрагмой глаза, 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 является входной и выходной зрачок соответственно. В расчетах чаще всего используют угловую апертуру, под которой понимают угол у„между точкой предмета на оптической оси и диаметром входного зрачка или угол у„между изображающей точкой на оптической оси и диаметром выходного зрачка (см. рис. 5;33). Обычно угловое поле оценивают через угол, под которым в оптической системе изображение получается резким. Например„угловое поле проекци- о опных объективов составляет около 60 .
Человеческий глаз имеет большое угловое поле — - около 125 но вертикали и 150 по горизонтали, однако область резкого фотопического зрения, ограниченная.желтым пятном, не превышает у него 5...7 (см. рис. 5,32, а). Угол восприятия сгереоизображения у О' человека составляет 60...70 . Разрешающая способность связана со свойством оптической системы получать контрастное изображение, т. е. воспроизводить раздельно две точ.- ки. Ее также можно определить в угловых и линейных единицах.
Угловую разрешающую способность у вычисляют по формуле Рэлея: 1,22 яп ~р = — 'ХГ, Р ~~вх где Ивх — диаметр входного зрачка. Линейную разрешающую способность К„определяют с помощью тсстобъектов, называемых мирами. Различают нприховые миры (миры Фуко) и 5.4, Оггпгическгге локациоггиые сиспгемьг радиальные. Штриховая мира указывает число линий на миллиметр самой мелкой черно-белой линейной диаграммы, которая может бызь ясно зафиксирована в пространстве изображений данной оптической системой. В робототехникс разрешающая способность К, оптических систем достигает 100 линий на 1 мм.
Разрешающая способность глаза зависит от диаметра его зрачка (1,5...8 мм) и растет с увеличением последнего. Опа максимальна при освещенности '.3 около 50 лк и длины волны излучения Х = 0,55 мкм. В среднем ~~„составляет 1, однако может достигать и 1О '. 5.4.3. Элементы и схемы оптических локациоиных систем В настоящее время в системах навигации, как правило, используют опврониые ОЛС для ближнего и лазерные ОЛС для дальнего радиуса действия. Информативным параметром является амплитуда регистрируемого приемником ОЛС сигнала, зависящая от оптических свойств объекта, в том числе от его яркости. Для системы, работающей в отраженном свете, уровень принимаемого сигнала пропорционален отражающей способности объекта, определяемой его коэффициентом отражения /0Т .
Следовательно, сигнал от объекта с большей отражающей способностью, будет выше. Например, белый объект будет казаться ближе черного. Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических преобразователей (например. оптронной пары светодиод — фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как правило, в инфракрасном 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 оптроиных ОЛС строятся по тем же схемам, что и преобразователи оптических датчиков положения. Как правило, для излучения света применяют полупроводниковые светодиоды. Их изготавлинают иа базе фосфила и арсенида галлия (обеспечивая при этом КПД до 25 %) или карбида кремния.
В оптических системах для приема светового -';::-'.;:;, сигнала чащс всего используются матрицы фотоэлементов (фотодиодов или фототранзисторов), обладающие высокой чувствительностью и линейной функцией преобразования. Обычно матрицы имеют прямоугольную форму, а их размер характеризуется форматом — параметром, соотвстствуюгцнм ',"::. диаметру эквивалентного по площади круглого фотоприемника.
Промыш- !'::: лепно выпускаемые фотоматрицы имеют формат 1/2, 1/3 или 1/4 дюйма. В некоторых случаях в качестве приемников света применяют фотоумпожнтс- ~:,", 'ли с малыми значениями тсмнового тока (около О,1 мкА) и постоянной вре- исни (до 1О мкс). 5. Локаиионные инфорл~ачиониые системы Оптическая система, входящая в состав излучателей и приемников оптрониых ОЛС, предназначена для формирования направленного светового потока и получения изображения объекта.
Ес, как правило, сгроят по схеме обьсктив — конденсор. Объективом называется ближняя к объекту линза (или система линз), дающая его обратное действительное изображение. Изображение объекта формируется объективом в области анализатора, оправой которого являстся диафрагма.
Конденсор, расположенный за анализатором, переносит изображение в плоскость чувствительного слоя фотоприемника. Современный объектив характеризуется фокусным расстоянием Г (1...10 000 мм), угловым полем ахи (до ! 70 ), светосилой 5у.; относительным отверстием гоз„= И„„/Г или диафрагмеппым числом Ф = 1/ г Объектив используют как в излучателях, так и в присмниках ОЛС. Его важнейшая характеристика — фокуснос расстояние характеризует угловое поле. В зависимости от фокусного расстояния различакзт короткофокусные, нормальные и длиннофокусные объективы.
Чем меньше фокусное расстояние. тем больше зона обзора, поэтому короткофокусные объективы называют также широкоулиьными. Хотя угловос поле таких объективов достигает 170, разрешающая способность их невысока. Для нормальных объективов о характерно угловое поле щ, = 45...60, а для длипнофокусных (тедеобъеко живов) — 5...30 . Следовательно, для каждой конкретной задачи необходимо подбирать объектив с требуемым фокусным расстоянием.
Иногда в основу разделения обьективов по фокусному расстоянию положен параметр /~~,равный отношению фокусного расстояния к диагонали изображения. Объективы с й~ <0,9 относятся к короткофокусным, а с й~ >1,5 — длинно- фокусным. Таким образом, короткофокусные обьективы позволяют увидеть ббльшую зону, чем длиннофокуспые, но с меньшими подробностями. Качество объектива определяется всеми образующими его элементами.
При этом каждой линзе объектива свойственна аберрация — нелинейное искажение изображения, обусловлсшюе отклонением свойств реальной линзы от идеальной..Выделяют три основныс причины аберрации: 1) невозможность отображения одной точки объекта в одну точку изображения при использовании линз со сферическими поверхностями; 2) зависимость положения фокальной точки от длины волны света; 3) зависимость оптических искажений от апертуры оптической системы.
Частичная компенсация аберраций достигается в объективах с несколькими линзами, например склее|шыми или выполненными из разных материалов (рис. 5.34), а также применением зеркальных систем, как в фотообьПоявление объектива датируется !840 г., когда венский оптик И. Петдваль рассчитал первый прибор, который затем использовал для получения портретных изображений. Его объектив был четырсхлинзовым, линзы имели больпзие размеры и были выполнены из двух сортов стекла. 230 5.4. Оптические локициоиные систены Рис. 5.34. Схема симметрич- ного объектива Гаусса: ! — выпуклая линза; 2 — выпук- лый мениск; 3 — вогнутый' ме- ниск; 4 — двояковыпуклая линза", 5 — вогнутая линза ы повышают современных тном.
нное (апер- непосредстзначает, что рциональна увеличения бусе вместо с число иральным пя я диафрагме се объектива пип 01,2 1. о братно пропо мнсе по мере ~ва на его ту иафрагмснно з ряда прсдп ль„равный учитывают т очтительных Л : 1,О; 1,а; от факт, что уменьшается половину соых камерах с я ряда равно ~вполовину значит, на современн е множител стем ы, состоя сти„известная клеенные. плие из пескольмодель «Инду- 231 ективах . Считается, что при малых значениях 1 2 3 относительного отверстия и углового поля (готн < 1:12, ~1ц < 5 ) аберрации практически отсутствуют. Такие объективы используют в качестве тестовых. Допустимое значение аберраций достигается в объективах, параметры которых связаны эмпирической зависимостью Ч~н О О1 ~ ~а —" — '=О,24...О,5О.
вх 2 г ° "* Яркость изображения У пропорциональна квадрату светосилы объектива, которая, в свою очередь, зависит от относительного отверстия объектива. Светосила обьектива определяется выражением Е отн пр Как правило, готн < 1, 11оэтому для увеличения светосил коэффициент пропускания света, для чего в большинстве ..""-::-,::: . об'ьективов используют специальные фильтры с це~ Распространенной оценкой светосилы являстс турное) число Ж.
Его значение указывают на тубу венпо или косвенно. Например, маркировка Е1 85 Ф = 1,2, т. е. 1 = 1,2 двх. Яркость изображения У о квадрату числа Ф, т. е. изображение становится те /К Для учета этого факта при маркировке объект диафрагменного числа Ф указывают эффективное д ж,ф -ивой--г~(Гга,„). Допустимыс значения Фзф обычно выбирают и ~-'.::: —: значений, отличающихся между собой па множите ~',::;:::."2,0; 2,8; 4; 5,б; 8; ! 1; 16; 22; 32 ... Таким образом ~,:::,::::::.
при каждой последующей установке диафрагмы 1 количество света, проходящего через объектив, а крагцасгся яркость изображения. Заметим, что в электронным управлением и индикацией значени У2 или 1/3. 1 Используемые в современной фотографии оптические си а-'.',::-.
ких линз, получили название «объектив-анастигмат». В частно ~,-,::.':.",:,стар» содержит четыре линзы, две из которых простые, а две с 5. Локациоиные икформациоииые системы Диафрагменное число определяет также разрешающую способность и глубину резкости объектива. Для нахождения линейной разрешающей способности К„существует следующая эмпирическая зависимость: К =1473/№ Р Всем объективам свойственны определенные аберрации, в час гности астигматизм, поэтому они не могуг идеально сводить лучи от 'гочки объекта (т, е.
образовывать точку изображения с нулевой площадью). На поверхности фотоприемника изображение образуется совокупностью светочувствительных точек, имеющих конечные размеры. Поскольку изображение становится мснее резким при увеличении размеров этих точек, они получили название кругов нерсзкости (рис. 5.35). Максимально допустимый диаметр круга нерсзкости с/„р для объектива с фокусным расстоянием 35 мм не должен превышать ИООО...!/1500 характерного размера фотоприемника (обычно диагонали матрицы). В объективах с элсктронной фокусировкой минимальный круг нсрезкости не превышает 0,035 мм.
тот Рис. 5.35. Определение глубины резкости объектива 2/ Ь/ —— Г /К вЂ” 1 Из этой 1) глуб больших; 2) чем меньше глу зависимости можно сделать следующие выводы: ипа резкости на малых фокусных расстояниях больше, чем на более открыта диафрагма (меньше диафрагменное число), тем бина резкости; Глубина резкости Ь/ выражается через расстояние вдоль оптической оси между точками пространства предметов, определяющими границы резкого изображения. Другими словами, это область перед и позади объекта, где размытость изображения в плоскости фотоприемника находится в пределах допустимого круга нерезкости. Глубина резкости зависит от фокусного расстояния Г объектива, апертуры (диафрагмснного числа Ф), расстояния / до объекта и минимального диаметра круга нерезкости с/„,р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
