Устройство для определения взаимного расположения элементов пространственной структуры из эластичного материала

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для анализа пространственных периодических и непериодических структур. Сущность изобретения: в устройство, содержащее призму 2 с входной гранью 19, перед которой размещен источник излучения 8, предметной гранью 18 для размещения на ней исследуемой пространственной структуры 22 и выходной гранью 17, объектив 5, фотопреобразователь 9 и регистратор, причем призма 2 выполнена с дополнительной гранью 20 со светопоглощающим покрытием 21, фотопреобразователь выполнен не менее чем из двух позиционно чувствительных элементов 7, между призмой и объективом 5 размещена система плоских зеркал, каждое из которых оптически связано с соответствующим позиционно чувствительным элементом, введен блок управления экспозицией, а угол призмы 2 определяется свойствами ее материала и необходимостью обеспечения условия полного внутреннего отражения. По второму варианту призма 2 выполнена в виде волоконной детали из регулярно уложенных оптических волокон. В этом случае входная и выходная грани совпадают. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может найти применение при анализе пространственных периодических и непериодических структур, в частности для анализа структуры отпечатков пальцев.

Известно устройство для контроля отпечатка пальца [1] содержащее плоскую подложку, с одной стороны которой размещают контролируемый объект, а с другой источник коллимированного света. Свет, отражаясь от поверхности, на которой расположен испытуемый объект, в местах отсутствия контакта испытывает полное внутреннее отражение и, попадая на плоский флуоресцентный элемент, вызывает его генерацию.

Свет, отраженный от мест контакта, поглощается, рассеивается и диффузно отражается в большей степени, что создает разность интенсивности генерируемых флуоресцентным элементом сигналов от первого и второго лучей, ввиду чего структура испытуемого объекта регистрируется глазом или видеокамерой, которые могут располагаться за флуоресцентным элементом.

Недостатком устройства является не очень высокий контраст воспроизведения рисунка пространственной структуры, а также отсутствие средств объективного анализа изображения.

Наиболее близким является фотографическая система регистрации отпечатка пальца [2] Эта система содержит прямоугольную призму, гипотенузная грань которой предназначена для расположения на ней объекта анализа. Источник излучения располагается со стороны одной катетной грани, а со стороны другой катетной грани установлена кинокамера, за которой расположена контрольная система обработки изображения. Система позволяет идентифицировать личность путем сравнения отпечатка пальца, предъявляемого в данный момент, с банком изображений, введенных в память системы обработки.

К недостаткам этого устройства следует отнести невысокое качество изображений, обусловленное ограниченной контрастностью и непостоянством экспозиции при переходе от одного изображения к другому.

Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков.

На фиг. 1 показана схема устройства, вариант 1; на фиг. 2 то же, вариант 2; на фиг. 3 и 4 пояснен оптический принцип формирования контрастного изображения; на фиг. 5 приведен фрагмент полученного с помощью устройства контрастного изображения отпечатка пальца; на фиг. 6, 7 и 8 представлены различные варианты композиционного построения позиционно-чувствительного элемента.

Устройство содержит корпус 1, призму 2, систему 3 плоских зеркал 4, объектив 5, фотопреобразователь, состоящий из корпуса фотопреобразователя 6 и не менее чем из двух позиционно-чувствительных элементов 7, источник излучения 8, фотоприемник 9, процессор 10, блок памяти 11, исполнительный модуль 12, пульт управления 13, анализирующий и исполнительный элемент 14, блок питания 15.

Процессор 10, блок памяти 11 и выходной модуль 12 составляют регистратор (отдельной позицией не обозначен), а фотоприемник 9 с анализирующим и исполнительным элементами 14, конструктивно объединенными в один блок, составляют узел управления экспозицией (позицией не обозначен).

Призма 2, система плоских зеркал 3, объектив 5, фотопреобразователь 6, 7, источник излучения 8 и фотоприемник 9 жестко закреплены в корпусе 1. При этом призма 2, система плоских зеркал 3, объектив 5 и фотопреобразователь последовательно расположены на оптической оси 16.

Каждый из позиционно-чувствительных элементов 7 состоит из одной или нескольких площадок и оптически сопряжен с призмой 2 через объектив 5 и соответствующее зеркало 4 системы плоских зеркал 3. Фотоприемник 9 также оптически сопряжен с призмой 2.

Выход фотопреобразователя 6 (7) электрически связан с первым входом процессора 10, первый выход которого соединен с входом блока памяти 11, второй вход с выходом блока памяти 11, второй вход с входом исполнительного модуля 12, а третий вход с первым выходом пульта управления 13. Выход фотоприемника 9 подключен к анализирующему входу блока анализирующего и исполнительного элементов 14, управляющий вход которого соединен с вторым выходом пульта управления 13, а исполнительный выход связан с источником излучения 8.

Призма 2 может быть выполнено в виде оптического элемента, выходная грань 17 которого обращена к системе плоских зеркал 3 и ортогональна оптической оси 16, а предметная грань 18 образует с выходной гранью 17 двугранный угол α₁, определяемый из соотношения α₁> arcsin где n показатель преломления материала призмы.

Входная грань 19 призмы 2 может быть параллельна предметной грани 18, при этом на дополнительной грани 20, образующей с выходной гранью 17 двугранный угол α₁', определяемый из соотношения α₁'= 90^о -α₁, нанесено светопоглощающее покрытие 21.

В общем случае предметная грань 18 и входная грань 19 призмы 2 непараллельны, а диапазон их взаимного разворота определяется свойствами материала призмы 2 и необходимостью обеспечения полного внутреннего отражения части лучей при введении исследуемой пространственной структуры 22 и непосредственный контакт с предметной гранью 18.

Во втором варианте устройства призма 2 выполнена в виде волоконной детали из регулярно уложенных оптических волокон, торцы 23 которых, составляющие выходную грань призмы 2, ориентированы ортогонально оптической оси 16, а предметная грань 24 образует с выходной гранью 23 двугранный угол α₂, определяемый из соотношения: α₂> arccos где N и N_o показатели преломления материала соответственно сердцевины и оболочки оптических волокон.

Во втором варианте выполнения устройства источник излучения 8 установлен напротив выходной грани 23, которая совпадает с входной гранью.

Для сокращения габаритов устройства целесообразно использовать дополнительные плоские зеркала 27 и 28.

Корпус 1 выполнен таким образом, что обеспечивает возможность контактирования исследуемой структуры 22 с плоскостью предметной грани 18 (фиг. 1) или 24 (фиг. 2).

Источник излучения 8 может работать в видимом или инфракрасном диапазонах оптического излучения и выполнен в виде лампы накаливания (например, галогенной), дуговой, газоразрядной или импульсной лампы, набора светодиодов или полупроводникового лазера.

Исполнительный модуль 12 может быть выполнен в виде индикатора, на котором отражается необходимая текстовая и цифровая информация или в виде электромеханического элемента, например, запора в случае использования устройства как кодового замка. Носителем информационного кода является зафиксированный отпечаток пальца. В этом случае решается задача идентификации на программном уровне с помощью процессора 10, а массив с отпечатками пальцев хранится в блоке памяти 11.

Устройство работает следующим образом.

При контактировании исследуемого материала, например, поверхности пальца 22 (фиг. 1), с плоскостью предметной грани 18 оптической призмы 2 и подаче с пульта управления 13 сигнала на блок управления экспозицией, включается источник излучения 8. Пучок лучей от источника излучения 8 проходит через входную грань 19 призмы и попадает на обращенную к ней поверхность пальца А-В-А-В (фиг. 3).

Часть отраженного от поверхности пальца 2 света попадает на фотоприемник 9, сигнал с которого поступает на анализирующий вход блока 14, контролирующего по интегральному значению сигнала необходимую величину экспозиции, по достижении которой поступает сигнал о выключении источника излучения 8.

В период воздействия светового излучения формируется контрастная картина благодаря тому, что световой пучок, попадая на места соприкосновения поверхности пальца А-А с предметной гранью 18 призмы 2 и на неконтактирующие участки В-В в разной степени рассеивается на этих участках (показано утолщенными стрелками на фиг. 3). При этом лучи, отраженные от точек соприкосновения А-А, и лучи, отраженные от зазоров В-В, по законам преломления оптического клина, имеют различное направление.

В результате на выходной грани 17 призмы 2 на темном фоне (лучи С-С) будут контрастно выделяться светлые участки (лучи А-А), соответствующие местам контакта участков пальца с предметной гранью призмы 2. Пример такого изображения показан на фиг. 5.

В случае использования в качестве формирователя контрастного изображения 2 волоконной оптической призмы (фиг. 2) лучи света от источника излучения В падают на входную грань 23, совпадающую с выходной гранью, проходят волокна 25 и освещают предметную грань 24 призмы 2.

При этом аналогично уже описанной работе первого варианта устройства, отраженный свет распространяется по обратному направлению только от участков контакта поверхности пальца 22 с предметной гранью 24 призмы 2. В результате будет получена контрастная картина отпечатка пальца с разрешением, определенным разрешением волоконной призмы (фиг. 4).

Использование волоконной призмы позволяет получить отпечаток в предметной плоскости ортогонально оптической оси, в то время как в случае использования оптической призмы отпечаток всегда наклонен к оптической оси, что приводит к дополнительным погрешностям в изображении.

Полученное изображение размножается оптическими зеркалами 4. Каждое зеркало имеет соответствующий наклон в меридиональной и сагиттальной плоскостях, который определяет распределение изображений по площади в плоскости изображения объектива 5. Изображения по числу зеркал 4 строятся объективом 5 в плоскости позиционно-чувствительных элементов 7, состоящих, как правило, из набора самостоятельных площадок, отделенных друг от друга зазорами. Число позиционно-чувствительных элементов 7 равно числу зеркал 4.

На фиг. 6 показан приемник излучения, у которого 64 площадки 31 и 8 изображений 32; на фиг. 7 то же, 8 площадок 33 и 8 изображений 34; на фиг. 8 то же, площадок 35 и 3 изображения 36.

Устройство позволяет использовать датчики бинарного типа, поскольку полученные изображения характеризуются степенью контрастности, близкой к единице. Применение приемника оптического излучения 6 с набором светочувствительных площадок (31, 33, 35) и формирование нескольких изображений (32, 34, 36) позволяет повысить точность определения элементов пространственной структуры за счет совместной обработки единичных изображений.

Количество изображений выбирается из принципа исключения влияния зазоров между площадками при формировании единого изображения. Принцип такого объединения изображений состоит в определении и учете взаимных разворотов и линейных смещений изображений друг относительно друга (величины которых определяются ориентацией оптических зеркал 4), а также в определении и учете нелинейных коэффициентов при трансформировании изображений.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИЗ ЭЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА, содержащее последовательно установленные источник излучения, призму с входной гранью, обращенной к источнику излучения, выходной гранью и предметной гранью, выполненной с возможностью непосредственного контактирования с исследуемой пространственной структурой, объектив, фотопреобразователь и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено блоком управления экспозицией, фотопреобразователь выполнен не менее чем из двух позиционнно-чувствительных элементов, расположенных в плоскости изображений объектива, между призмой и объективом размещена введенная система зеркал, каждое из которых оптически связано с дополнительной гранью, расположенной между ее входной и предметной гранями, выходная грань призмы обращена к системе плоских зеркал, дополнительная грань снабжена светопоглощающим покрытием, а входная грань расположена напротив предметной грани, блок управления экспозицией выполнен в виде фотоприемника, расположенного между призмой и фотопреобразователем и электрически связанного с источником излучения через анализирующий и исполнительный элементы, а двугранный угол α₁ между предметной и выходной гранями призмы удовлетворяет соотношению α₁> arcsin(1/n) , где n показатель преломления материала призмы.

2. Устройство для определения взаимного расположения элементов пространственной структуры из эластичного материала, содержащее последовательно установленные источник излучения, призму с входной гранью, обращенной к источнику излучения, выходной гранью и предметной гранью, выполненной с возможностью непосредственного контактирования с исследуемой пространственной структурой, объектив, фотопреобразователь и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено блоком управления экспозицией, фотопреобразователь выполнен не менее чем из двух позиционно-чувствительных элементов, расположенных в плоскости изображений объектива, между призмой и объективом размещена введенная система плоских зеркал, каждое из которых оптически свзяано с соответствующим позиционно-чувствительным элементом, призма выполнена в виде волоконной детали из регулярно уложенных оптических волокон, ориентированных ортогонально входной грани, обращенной к системе плоских зеркал и являющейся одновременно выходной гранью призмы, блок управления экспозицией выполнен в виде фотоприемника, расположенного между призмой и фотопреобразователем и электрически связанного с источником излучения через анализирующий и исполнительный элементы, а предметная грань призмы образует с ее входной и выходной гранями двугранный угол α₂, определенный соотношением где N и N_о показатели преломления материала соответственно сердцевины и оболочки оптических волокон.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8