Способ видения объектов с помощью лазерной подсветки и устройство для его осуществления

 

Изобретения относятся к системам видения удаленных объектов в различных участках спектрального диапазона. Отличительной особенностью способа является то, что фотоэлементы матрицы приборов с зарядовой связью разделяют линейные или матричные группы, на каждую из выделенных групп фотоэлементов проецируют систему интерференционных полос стоячей световой волны когерентного светового излучения путем размещения между приемным объективом и выделенными группами фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью отражающего зеркала, частично пропускающего световое излучение, и тонкого частично пропускающего слоя, при этом регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты, а выделенные с каждой группы электрические сигналы подаются на монитор. Способ видения объектов с помощью лазерной подсветки осуществляется на устройстве, включающем передающий канал, содержащий лазер и оптическую систему формирования лазерного пучка, приемный канал, содержащий оптически сопряженные приемный объектив, матрицу приборов с зарядовой связью, тонкий частично пропускающий слой, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, а также блок обработки данных, спектроанализатор и монитор. Технический результат - повышение эффективности обнаружения объекта в мутной среде. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к системам видения удаленных объектов в различных участках спектрального диапазона.

Известен способ видения, основанный на подсветке удаленного объекта инфракрасными прожекторами с последующим формированием изображения удаленного объекта с помощью оптико-электронной системы [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001, с.40].

К недостаткам данного способа следует отнести низкую эффективность обнаружения уже на дальностях, превышающих 700-800 м.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ лазерного видения, включающий подсветку объекта когерентным световым излучением, формирование изображения объекта по отраженному от него упомянутому излучению посредством приемного объектива, запись изображения объекта посредством матрицы приборов с зарядовой связью с последующим выводом видеосигналов на монитор [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001, с.318 (прототип)].

Данный способ обладает достаточно хорошей эффективностью обнаружения на расстояниях в 2-3 км. К недостаткам данного способа можно отнести низкую эффективность обнаружения объекта в рассеивающей среде.

Задачей изобретения является повышение эффективности обнаружения объекта в среде, рассеяние когерентного светового излучения в которой происходит на крупных неоднородностях, например в мутной среде, за счет регистрации отраженного от объекта когерентного светового излучения в виде видеосигналов пространственной частоты.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе лазерного видения, включающем подсветку объекта когерентным световым излучением, формирование изображения объекта по отраженному от него упомянутому излучению посредством приемного объектива, запись изображения объекта посредством матрицы приборов с зарядовой связью с последующим выводом видеосигналов на монитор, фотоэлементы упомянутой матрицы приборов с зарядовой связью разделяют в линейные или матричные группы, на каждую из упомянутых выделенных групп фотоэлементов проецируют систему интерференционных полос стоячей световой волны упомянутого когерентного светового излучения путем размещения между приемным объективом и упомянутыми выделенными группами фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью отражающего зеркала, частично пропускающего световое излучение, и тонкого частично пропускающего слоя, толщиной не более λ/2, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, расположенного между приемным объективом и упомянутым отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом упомянутого когерентного светового излучения, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой линейной или матричной группе матрицы приборов с зарядовой связью и анализируют, затем выделенные с каждой упомянутой группы электрические сигналы пространственной частоты подают в качестве видеосигналов на упомянутый монитор.

При этом упомянутую систему интерференционных полос проецируют на линейную или матричную группу фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью с возможностью смещения изображения интерференционных полос относительно входных окон фотоэлементов упомянутой линейной или матричной группы, при этом период упомянутых фотоэлементов р в ряду упомянутой группы задают относительно размера входного окна b этих фотоэлементов в том же ряду в пределах р=(2-100)b.

Упомянутую матрицу приборов с зарядовой связью устанавливают с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с направлением распространения упомянутого светового излучения.

Известно устройство видения, содержащее инфракрасный прожектор, обеспечивающий подсветку удаленного объекта, и оптико-электронную систему, формирующую изображение упомянутого объекта [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001, с.40].

К недостаткам данного устройства видения следует отнести низкую эффективность обнаружения уже на дальностях, превышающих 700-800 м.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство лазерного видения, включающее передающий канал, содержащий лазер и оптическую систему формирования лазерного пучка, приемный канал, содержащий приемный объектив и матрицу приборов с зарядовой связью, содержащую фотоэлементы, блок обработки данных и монитор [Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. - М.: изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2001, с.318 (прототип)].

Данное устройство лазерного видения обладает достаточно хорошей эффективностью обнаружения на расстояниях в 2-3 км. К недостаткам данного устройства можно отнести низкую эффективность обнаружения объекта в рассеивающей среде.

Задачей изобретения является повышение эффективности обнаружения объекта в среде, рассеяние когерентного светового излучения в которой происходит на крупных неоднородностях, например в мутной среде, за счет регистрации отраженного от объекта когерентного светового излучения в виде видеосигналов пространственной частоты.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что устройство лазерного видения, включающее передающий канал, содержащий лазер и оптическую систему формирования лазерного пучка, приемный канал, содержащий приемный объектив и матрицу приборов с зарядовой связью, содержащую фотоэлементы, блок обработки данных и монитор, приемный канал дополнительно содержит оптически сопряженные отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, и установленное между упомянутыми приемным объективом и матрицей приборов с зарядовой связью, и тонкий частично пропускающий слой, толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный между упомянутыми приемным объективом и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ -длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а блок обработки данных дополнительно содержит спектроанализатор.

Устройство лазерного видения может быть дополнительно снабжено экраном, ограничивающим размеры входных окон упомянутых фотоэлементов, установленным на упомянутой матрице приборов с зарядовой связью со стороны упомянутого отражающего зеркала, при этом упомянутый тонкий частично пропускающий слой и упомянутое отражающее зеркало выполнены с возможностью смещения относительно упомянутого экрана и упомянутой матрицы приборов с зарядовой связью, содержащей фотоэлементы, в направлении чередования интерференционных полос.

Упомянутая матрица приборов с зарядовой связью, содержащая фотоэлементы, может быть также установлена с возможностью ее разворота по оптической оси приемного канала.

Сущность изобретения поясняется чертежами на которых представлена схема устройства лазерного видения (фиг.1) и схема расположения системы интерференционных полос на выделенной матричной группе фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью (фиг.2).

Устройство лазерного видения, включающее передающий канал 1, содержащий лазер 2 и оптическую систему 3 формирования лазерного пучка, приемный канал 4, содержащий приемный объектив 5 и матрицу 6 приборов с зарядовой связью, содержащую фотоэлементы 7, блок 8 обработки данных и монитор 9, приемный канал 4 дополнительно содержит оптически сопряженные отражающее зеркало 10, выполненное частично пропускающим световое излучение, и установленное между приемным объективом 5 и матрицей 6 приборов с зарядовой связью, и тонкий частично пропускающий слой 11, толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный между приемным объективом 5 и отражающим зеркалом 10 под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 11 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система 12 которых образуется в тонком частично пропускающем слое 11 при воздействии стоячей световой волны, а блок 8 обработки данных дополнительно содержит спектроанализатор 13.

Устройство лазерного видения может быть дополнительно снабжено экраном 14, ограничивающим размеры входных окон 15 фотоэлементов 7, установленным на матрице 6 приборов с зарядовой связью со стороны отражающего зеркала 10, при этом тонкий частично пропускающий слой 11 и отражающее зеркало 10 выполнены с возможностью смещения относительно экрана 14 и матрицы 6 приборов с зарядовой связью, содержащей фотоэлементы 7, в направлении чередования интерференционных полос.

Матрица 6 приборов с зарядовой связью, содержащая фотоэлементы 7, может быть также установлена с возможностью ее разворота по оптической оси приемного канала 4.

Устройство лазерного видения снабжено блоком 16 управления. Фотоэлементы 7 матрицы 6 приборов с зарядовой связью разделяют в линейные или матричные группы 17 (фиг.2). На каждую из выделенных групп 17 фотоэлементов 7 проецируют систему 12 интерференционных полос стоячей световой волны упомянутого когерентного светового излучения.

Тонкий частично пропускающий слой 11 может быть нанесен на одну из поверхностей оптического клина 18. Отражающее зеркало 10 при этом может быть выполнено на другой поверхности оптического клина 18 в виде отражающего покрытия с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50.

Смещение тонкого частично пропускающего слоя 11 и отражающего зеркала 10 относительно экрана 14 и матрицы 6 приборов с зарядовой связью в направлении чередования интерференционных полос упомянутой системы 12 (т.е. в направлении, перпендикулярном интерференционным полосам в плоскости отражающего зеркала 10 или в плоскости тонкого частично пропускающего слоя 11) достигается за счет ультразвуковой вибрации оптического клина 18 при присоединении пьезоэлемента 19 к основанию оптического клина 18. Питание пьезоэлемента 19 осуществляется от ультразвукового генератора 20.

При использовании оптического клина 18 угол ϕ между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 11 и плоскостью отражающего зеркала 10 задан из соотношения sinϕ = λ/2dn, где λ - длина световой волны; d- период системы 12 интерференционных полос, n - показатель преломления материала оптического клина 18.

Заявленный способ лазерного видения осуществляется на настоящем устройстве следующим образом.

Через блок 16 управления включается лазер 2 и осуществляется подсветка объекта когерентным световым излучением. Затем по отраженному от объекта упомянутому излучению при помощи приемного объектива 5 формируется изображение упомянутого объекта и запись изображения объекта посредством матрицы 6 приборов с зарядовой связью с последующим выводом видеосигналов на монитор 9. Так как на каждую из выделенных групп 17 фотоэлементов 7 спроецирована система 12 интерференционных полос стоячей световой волны упомянутого когерентного светового излучения с периодом d, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем 11 и волновым фронтом упомянутого когерентного светового излучения, λ - длина световой волны, регистрацию системы 12 интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d в каждой выделенной группе 17 фотоэлементов осуществляют в виде видеосигнала пространственной частоты. Это осуществляется за счет того, что полученные с фотоэлементов 7 электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения фотоэлементов 7 в линейной или матричной группе 17 матрицы 6 приборов с зарядовой связью и анализируют, затем выделенные с каждой группы 17 электрические сигналы пространственной частоты подают в качестве видеосигналов на монитор 9.

При этом, за счет смещения изображения интерференционных полос упомянутой системы 12 относительно фотоэлементов 7 матрицы 6 при помощи пьезоэлемента 19, обеспечивается также и временная модуляция упомянутого светового излучения. Период фотоэлементов 7 р в ряду матрицы 6 задают относительно размера входного окна 15 b фотоэлементов 7 в том же ряду в пределах р=(2-100)b. При этом период d интерференционных полос упомянутой системы 12 задают в пределах р=(2-100)d. Записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 13, на выходе которого получают их частотное преобразование. При выполнении матрицы 6 с зарядовой связью с возможностью ее разворота по оптической оси устройства, записанные электрические сигналы подвергаются преобразованию Фурье на спектроанализаторе 3 по двум пространственным координатам. При этом достигается высокое разрешение длин волн отраженного когерентного светового излучения на каждой линейной или матричной группе 17. Это позволяет выделять видеосигнал с каждой группы 17 определенной пространственной частоты и получать из этих видеосигналов изображение объекта на мониторе 9. При этом световое излучение, рассеянное на крупных неоднородностях, содержащихся, например в мутной воде, и являющееся некогерентной фоновой засветкой, в виде видеосигнала пространственной частоты не выделяется.

Предлагаемый способ лазерного видения и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность обнаружения объекта в среде, рассеяние когерентного светового излучения в которой происходит на крупных неоднородностях, например в мутной среде, за счет регистрации отраженного от объекта когерентного светового излучения в виде видеосигналов пространственной частоты.

Формула изобретения

1. Способ видения объектов с помощью лазерной подсветки, включающий подсветку объекта когерентным световым излучением, формирование изображения объекта по отраженному от него упомянутому излучению посредством приемного объектива, запись изображения объекта посредством матрицы приборов с зарядовой связью, отличающийся тем, что фотоэлементы матрицы приборов с зарядовой связью разделяют в линейные или матричные группы, на каждую из упомянутых выделенных групп фотоэлементов проецируют систему интерференционных полос стоячей световой волны когерентного светового излучения путем размещения между приемным объективом и выделенными группами фотоэлементов матрицы приборов с зарядовой связью отражающего зеркала, частично пропускающего световое излучение, и тонкого частично пропускающего слоя толщиной не более λ/2, рассеивающего или поглощающего энергию электрического поля стоячей световой волны, расположенного между приемным объективом и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом когерентного светового излучения, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, при этом регистрацию системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в зависимости от местоположения этих фотоэлементов в линейной или матричной группе матрицы приборов с зарядовой связью и анализируют, затем получают изображение объекта на мониторе.

2. Способ видения объектов с помощью лазерной подсветки по п. 1, отличающийся тем, что период фотоэлементов р в ряду группы задают относительно размера входного окна b этих фотоэлементов в пределах р= (2-100)b.

3. Способ видения объектов с помощью лазерной подсветки по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что матрицу приборов с зарядовой связью устанавливают с возможностью вращения вокруг оптической оси, совпадающей с направлением распространения светового излучения.

4. Устройство видения объектов с помощью лазерной подсветки, включающее передающий канал, содержащий лазер и оптическую систему формирования лазерного пучка, приемный канал, содержащий приемный объектив и матрицу приборов с зарядовой связью, содержащую фотоэлементы, блок обработки данных и монитор, отличающееся тем, что приемный канал дополнительно содержит оптически сопряженные отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение и установленное между приемным объективом и матрицей приборов с зарядовой связью, и тонкий частично пропускающий слой, толщиной не более λ/2, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны и расположенный между приемным объективом и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а блок обработки данных дополнительно содержит спектроанализатор.

5. Устройство видения объектов с помощью лазерной подсветки по п. 4, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено экраном, ограничивающим размеры входных окон фотоэлементов, установленным на матрице приборов с зарядовой связью со стороны отражающего зеркала, при этом тонкий частично пропускающий слой и отражающее зеркало выполнены с возможностью смещения относительно экрана и матрицы приборов с зарядовой связью, содержащей фотоэлементы.

6. Устройство видения объектов с помощью лазерной подсветки по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что матрица приборов с зарядовой связью, содержащая фотоэлементы, установлена с возможностью ее разворота по оптической оси приемного канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2