Устройство для идентификации объекта

Изобретение относится к области дифракционной оптики и предназначено для проведения экспресс-анализа геометрического рельефа, находящегося на поверхности объекта, а также цветной графической информации, содержащейся на ней. Его применение позволяет получить технический результат в виде разработки устройства для создания набора эталонных данных поверхности объекта и последующей идентификации геометрического рельефа поверхности и цветной графической информации. Этот результат достигается благодаря тому, что в устройстве за счет применения акустооптического перестраиваемого фильтра обеспечивается формирование потока оптического излучения, освещающего поверхность объекта с заданными величинами интервала селекции, а также благодаря отсутствию необходимости механического перемещения фотодетекторного устройства. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области дифракционной оптики и предназначено для проведения экспресс-анализа специального геометрического рельефа, находящегося на поверхности объекта, а также цветной графической информации, содержащейся на ней.

Известно устройство контроля подлинности голограмм, содержащее последовательно расположенные на оптической оси когерентный источник света, коллимирующую оптическую систему, устройство для позиционирования голограммы, фазовую маску, фурье-объектив и диффузный экран (патент РФ №2103741, G 07 D 7/00, G 06 K 19/16, опубл. 27.01.98).

Недостатками вышеуказанного устройства являются жесткие требования к позиционированию, невозможность проведения спектрального анализа цветной графической информации, а также ограниченность применения вследствие использования когерентного источника света с одной длиной волны для освещения объекта и фазовой маски, пригодной для идентификации только одного объекта, что приводит в итоге очень значительному удорожанию при использовании данного устройства.

Известно устройство для распознавания оптических дифракционных меток, содержащее источник света для проецирования параллельного светового пучка на документ, снабженный элементом защиты, оптический коллекторный элемент, фотодетекторы для преобразования световых пучков, дифрагировавших на метках, или лучей, отраженных на подложке, в электрические сигналы, вычислительный блок для анализа указанных сигналов (патент РФ №2208248, G 06 K 19/16, опубл. 2003.07.10).

Недостатками указанного устройства являются жесткие требования к позиционированию объекта и фотодетекторного устройства, недостаточное выявление свойств объекта вследствие использования источника света с несколькими дискретными длинами волн.

В основу изобретения положена задача создания универсального устройства для создания набора эталонных данных поверхности объекта, а также последующей идентификации специального геометрического рельефа поверхности различных объектов и цветной графической информации, содержащейся на ней, с целью выявления соответствия спектральных, пространственных и других оптических характеристик соответствующим эталонным параметрам, в котором за счет применения акустооптического перестраиваемого фильтра обеспечивается формирование потока оптического излучения, освещающего поверхность объекта с заданными величинами интервала селекции, количества этих интервалов и границ спектрального диапазона, а также отсутствует необходимость механического перемещения фотодетекторного устройства.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для идентификации объекта, содержащем источник света, оптическое устройство для формирования пространственных характеристик пучка света, устройство для позиционирования объекта, оптическое устройство для проекции светового потока, фотодетекторное устройство, на которое проецируется световой поток, отраженный от поверхности объекта, контроллер обмена данными с персональным компьютером и с программным обеспечением для управления устройством и обработки данных, для регистрации геометрического рельефа объекта между оптическим устройством для формирования пространственных характеристик пучка света и устройством для позиционирования объекта дополнительно установлено устройство, обеспечивающее спектральную перестройку оптического излучения в заданном спектральном диапазоне, блок управления этим устройством, а на выходе устройства, обеспечивающего перестройку длины волны оптического излучения, установлено оптическое устройство, проецирующее световой поток на фотодетекторное устройство, при этом в качестве фотодетекторного устройства установлено многоэлементное фоточувствительное устройство.

В качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне использован акустооптический перестраиваемый фильтр, который может быть помещен между двумя скрещенными поляризаторами. В устройстве может быть установлен последовательно дополнительный акустооптический перестраиваемый фильтр, а также блок управления им и поляризатор. Акустооптический перестраиваемый фильтр, а также блок управления им и поляризатор могут быть установлены после объекта.

В устройстве при позиционировании объекта обеспечена возможность его поворота на произвольно задаваемый угол вокруг оси, перпендикулярной плоскости объекта, в диапазоне углов от 0 до 360°.

В устройстве обеспечена программно задаваемая с произвольным изменением величина угла между падающим пучком света, освещающим плоскость объекта, и направлением, перпендикулярным этой плоскости.

Фотодетекторное устройство установлено неподвижно. Также может быть установлено дополнительное фотодетекторное устройство.

В качестве фотодетекторного устройства может применяться многоэлементное двумерное фоточувствительное матричное устройство.

В качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне для освещения объекта применен комплект светоизлучающих элементов.

В устройство может быть включен дополнительный комплект светоизлучающих элементов, а также дифракционные элементы и формирователи оптических пучков, обеспечивающие угол падения светового потока, на поверхность объекта, а также дополнительные оптические компоненты, проецирующие изображение поверхности объекта или его фрагментов на многоэлементный матричный фотоприемник, расположенный под углом в диапазоне от 20 до 30° к нормали к поверхности объекта, а также встроенный микрокомпьютер, в память которого записаны эталонные данные объекта, обеспечивающие автоматическую идентификацию объекта.

В устройстве обеспечена возможность пространственного перемещения устройства позиционирования с объектом.

В устройстве может быть применена многоэлементная линейка фотодетекторов, контроллер линейки фотодетекторов, обеспечивающий регистрацию строчного массива данных с поверхности объекта и передачу их на персональный компьютер, в программном обеспечении которого содержится управляющая устройством программа, а также эталонные данные, а в качестве многоэлементной линейки фотодетекторов может быть применена многоэлементная линейка фотодиодов или ПЗС-линейка.

В устройстве перед фотодетекторными устройствами по ходу оптического луча могут быть установлены дополнительные поляризаторы.

В состав устройства могут быть включены элементы автономного электропитания.

Устройство отличается тем, что для освещения поверхности объекта применяется спектрально перестраиваемое устройство, обладающее возможностью выделения из (входного) светового потока, распространяющегося от источника излучения, спектральных интервалов (полос пропускания), с программно и в произвольном режиме задаваемыми значениями в широком диапазоне длин волн, что обеспечивает возможность освещать поверхность объекта излучением с необходимыми заданными характеристиками и дает возможность максимально выявить информацию, содержащуюся в геометрическом рельефе поверхности, а также цветной графической информации, находящейся на ней.

В качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне использован акустооптический перестраиваемый фильтр, при помощи которого осуществляется формирование светового потока, с произвольно задаваемым значением длины волны света, на которой производится фильтрация оптического излучения, а также выделяемого спектрального интервала. В устройстве может быть установлен последовательно за поляризатором дополнительный акустооптический перестраиваемый фильтр, который обеспечивает уменьшение полосы пропускания устройства, что ведет к улучшению селективности. Акустооптический перестраиваемый фильтр, который обеспечивает дополнительный анализ спектра отраженного сигнала, а также блок управления им и поляризатор могут быть установлены после объекта.

Так как акустооптический перестраиваемый фильтр помещен между двумя скрещенными поляризаторами, первый из которых обеспечивает линейную поляризацию света на входе акустооптического перестраиваемого фильтра и тем самым повышает эффективность дифракции, а второй поляризатор гасит прошедший и неотфильтрованный свет в нулевом порядке и тем самым устраняет паразитную и неинформативную световую помеху, то значительно уменьшаются габаритные размеры устройства в целом.

При позиционировании объекта обеспечена возможность его поворота вместе с устройством позиционирования на произвольно задаваемый угол вокруг оси, перпендикулярной плоскости объекта, в диапазоне углов от 0 до 360°, что необходимо для определения максимальной интенсивности дифракции света для конкретной длины волны и соответствующей величине спектрального интервала Δλ.

В устройстве обеспечено программно задаваемая с произвольным изменением величина угла между падающим пучком света, освещающим плоскость объекта, и направлением, перпендикулярным этой плоскости, что позволяет использовать разновидность устройства на основе применения одного многоэлементного фотоприемного устройства и одного спектрального устройства, перестраиваемого по длине волны света, предназначенного для одновременной, параллельной и независимой регистрации данных о спектральных и пространственных характеристиках микрорельефа поверхности объекта на одном фотодетекторном устройстве, а также данных о спектральных и пространственных характеристиках цветной графической информации, находящейся на поверхности объекта, при помощи дополнительного фотодетекторного устройства при оптимальных для регистрации углах и без изменения угла падающего света.

Фотодетекторное устройство установлено неподвижно, что позволяет высокоточную регистрацию данных о параметрах рельефа поверхности объекта и цветной графической информации, находящейся на ней в последовательном режиме, изменяя угол падения светового потока по отношению к нормали к поверхности объекта.

Также может быть установлено дополнительное фотодетекторное устройство, предназначенное для одновременной, параллельной и независимой регистрации данных о спектральных и пространственных характеристиках рельефа поверхности объекта на одном фотодетекторном устройстве, а также данных о спектральных и пространственных характеристиках цветной графической информации, находящейся на поверхности объекта, при оптимальных для регистрации углах и без изменения угла падающего света.

В качестве фотодетекторного устройства может применяться многоэлементное двумерное фоточувствительное матричное устройство, обеспечивающее регистрацию пространственных и спектральных характеристик геометрического рельефа поверхности объекта, а также компонент, составляющих цветную графическую информацию, находящуюся на ней, в двумерном адресном пространстве.

В качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне для освещения объекта применен комплект светоизлучающих элементов, спектральные характеристики которых подобраны таким образом, что совокупный, излучаемый световой поток имеет заданное значение равномерности амплитуды во всем спектральном диапазоне, а также значения границ спектрального диапазона излучения.

В устройство может быть включен дополнительный комплект светоизлучающих элементов, а также дифракционные элементы и формирователи оптических пучков, обеспечивающие угол падения светового потока, на поверхность объекта, а также дополнительные оптические компоненты, проецирующие изображение поверхности объекта или его фрагментов на многоэлементный матричный фотоприемник, расположенный под углом в диапазоне от 20 до 30° к нормали к поверхности объекта, а также встроенный микрокомпьютер, в память которого записаны эталонные данные объекта, обеспечивающие автоматическую идентификацию объекта. Это существенно улучшает спектральную селективность устройства и позволяет расширить область применения устройства, например использование его в качестве контрольно-стендового оборудования для тестирования и аттестации других подобных приборов, обладающих меньшей селективностью.

В устройстве обеспечена возможность пространственного перемещения устройства позиционирования с объектом, что обеспечивает идентификацию поверхности объектов произвольного масштаба.

В устройстве может быть применена многоэлементная линейка фотодетекторов или ПЗС-линейка, обеспечивающее регистрацию строчного массива данных произвольного формата с поверхности объекта, контроллер линейки фотодетекторов, обеспечивающий регистрацию строчного массива данных с поверхности объекта и передачу их на персональный компьютер, в программном обеспечении которого содержится управляющая устройством программа, а также эталонные данные.

В устройстве перед фотодетекторными устройствами по ходу оптического луча могут быть установлены дополнительные поляризаторы, которые предназначены для регистрации данных о изменениях направлений поляризации и амплитуды оптических сигналов, которые могут служить косвенной характеристикой формы рельефа поверхности объекта, технологии его изготовления и свойств защитного покрытия.

В состав устройства могут быть включены элементы автономного электропитания, обеспечивающие работу устройства в портативном исполнении.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1-5, на которых показаны варианты устройств для идентификации объекта со следующими обозначениями:

1 - источник излучения

2 - формирующая пространственные характеристики излучения оптика

3 - акустооптический перестраиваемый фильтр

4 - блок управления акустооптического перестраиваемого фильтра

5 - устройство позиционирования

6 - фотодетекторное устройство

7 - контроллер обмена данными с персональным компьютером

8 - персональный компьютер

9 - поляризатор

10 - анализатор

11 - дополнительный акустооптический перестраиваемый фильтр

12 - дополнительный блок управления к акустооптическому перестраемому фильтру

13, 14 - дополнительные поляризаторы

Устройство работает следующим образом.

На фиг.1 показан вариант устройства, в котором свет от источника излучения 1, сформированный при помощи формирующей оптики 2 в хорошо коллимированный пучок, поступает в область акустооптического взаимодействия акустооптического перестраиваемого фильтра 3 с блоком управления 4. Отфильтрованное излучение с последовательно изменяющейся длиной волны с выхода акустооптического перестраиваемого фильтра 3 падает на поверхность объекта, который предварительно устанавливается в устройстве позиционирования 5. В устройстве идентификации предусмотрена возможность перемещения устройства позиционирования вместе с объектом вдоль двух горизонтальных координат и по вертикали. Отклоненный от плоскости объекта пучок света, пройдя через формирующую оптику 3, попадает на многоэлементное фотодетекторное матричное устройство 6. Регистрируемые оптические сигналы, преобразованные в электронный вид, при помощи контроллера фотодетекторного устройства 7 поступают на персональный компьютер 8. Программное обеспечение предназначено для управления всеми узлами устройства, управления автоматическими процедурами необходимых измерений, обработки регистрируемой пространственной и спектральной информации, создания набора эталонных данных, описывающих геометрический рельеф поверхности объекта, а также находящуюся на нем цветную графическую информацию. На основе полученных эталонных данных о параметрах поверхности объекта возможно обеспечить непрерывный мониторинг значения пространственной частоты рельефа поверхности, а также выявить соответствие параметров геометрического рельефа поверхности объекта и цветной графической информации, находящейся на ней, эталонным данным.

Компоненты поверхности объекта в виде искусственных или натуральных нитей, волокон или фрагментарных включений будут регистрироваться устройством в виде данных об их линейных параметрах и пространственных координатах на поверхности объекта аналогично элементам цветной графической информации.

На фиг.2 показан вариант устройства, содержащий источник излучения 1, формирующую пучок оптику 2, поляризатор 9, акустооптический перестраиваемый фильтр 3 с блоком управления 4. В этом варианте свет от источника 1 после прохождения акустооптического перестраиваемого фильтра 3 проходит через анализатор 10 и падает на поверхность объекта, размещенного на устройстве позиционирования 5. Поляризатор 9 предназначен для формирования плоскополяризованного пучка света, а анализатор 10 выполняет роль режекторного фильтра для света, прошедшего через акустооптический перестраиваемый фильтр 3 без дифракции.

На фиг.3 показан вариант устройства, которое содержит дополнительный фильтр 11 с блоком управления 12. Последовательное применение двух фильтров 3 и 11 позволяет увеличить селективность устройства по длине волны.

Фиг.4 иллюстрирует механизм разделения отраженных пучков от диффузно отражающей полихромной поверхности и от зеркального геометрического рельефа поверхности объекта.

Вариант устройства, показанный на фиг.5, дополнительно содержит поляроиды 13 и 14, установленные на пути пучков света, отраженных от диффузной полихромной поверхности объекта и от геометрического рельефа поверхности объекта. С помощью этих поляроидов обеспечивается фильтрация помех, создаваемых бликами и другими источниками.

Базовым компонентом устройства является акустооптический перестраиваемый фильтр, который обеспечивает скоростное, электронно-управляемое выделение спектральных компонент из входного оптического излучения с заданной величиной спектрального интервала, перестройкой в заданных границах спектрального диапазона и произвольным доступом к любой его точке. При этом обеспечивается программное управление перестройкой длины волны излучения в рабочем спектральном диапазоне акустооптического перестраиваемого фильтра, а также модуляцией интенсивности отфильтрованного излучения.

Рельеф поверхности объекта может состоять из комплекта разнонаправленных дифракционных решеток. При перестройке падающей длины волны излучения, падающего на геометрический рельеф поверхности объекта, будет меняться интенсивность отклоненного (отраженного) света, причем каждой конкретной длине волны падающего света должна строго соответствовать максимальная интенсивность отклоненного (отраженного) пучка света от соответствующего конкретного фрагмента изображения (дифракционной решетки) поверхности объекта.

В основе изобретения лежит возможность определения пространственной частоты геометрического рельефа поверхности объекта.

Рассмотрим падение плоской световой волны на спектрально перестраиваемое устройство, например фазовую синусоидальную отражающую дифракционную решетку (см. фиг.4). Пусть падение света происходит под углом α к нормали. Падающая световая волна может быть описана комплексной амплитудой

где х - координата вдоль поверхности решетки, λ - длина волны света, а ω - его угловая частота.

Предположим, что период дифракционной решетки Λ намного больше ее глубины d. Тогда отраженный свет описывается комплексной амплитудой

где Ω=2π/Λ - пространственная частота решетки в угловом исчислении. Минус во втором сомножителе появляется в силу симметрии при отражении света от решетки.

Третий сомножитель представляет собой образующую функцию для бесконечной суммы функций Бесселя первого рода

Тогда первый дифракционный порядок будет описываться волной с амплитудой

Таким образом, интенсивность света в пучке первого дифракционного порядка будет пропорциональна квадрату функции Бесселя первого порядка от аргумента 2πd/λ, а угол пучка первого порядка к нормали будет равен

Можно произвести расчет максимальной точности при измерении пространственной частоты геометрического рельефа поверхности.

Величина угла дифракции от геометрического рельефа поверхности составляет

где λ - длина волны оптического излучения,

Ω - пространственная частота геометрического рельефа.

Если многоэлементный фотоприемник неподвижен и считается, что для регистрации используется только один элемент, то

ϕ - const,

λ Ω - const.

Селективностью устройства идентификации является λ Ω. Нижней границей интервала селективности (величины полосы пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра) является длина волны оптического излучения λ, а верхней границей λ+Δλ. В этом случае полоса селективности устройства определяется

после преобразования выражения (6) в форму

и пренебрегая величиной ΔλΔ Ω, получаем соотношение

Так, например: если λ=500 нм, Δλ=10 нм, а Ω=100 лин/мм, то максимальная точность измерений составит Δ Ω=2 лин/мм.

На основе этого устройства может быть обеспечено конструирование ряда приборов, предназначенных для идентификации различных объектов с геометрическим рельефом поверхности, а также с цветной графической информацией, содержащихся на ней.

1. Устройство для идентификации объекта, содержащее источник света, оптическое устройство для формирования пространственных характеристик пучка света, устройство для позиционирования объекта, оптическое устройство для проекции светового потока, фотодетекторное устройство, на которое проецируется световой поток, отраженный от поверхности объекта, контроллер обмена данными с персональным компьютером и с программным обеспечением для управления устройством и обработки данных, отличающееся тем, что для регистрации геометрического рельефа объекта между оптическим устройством для формирования пространственных характеристик пучка света и устройством для позиционирования объекта дополнительно установлено устройство, обеспечивающее спектральную перестройку оптического излучения в заданном спектральном диапазоне, блок управления этим устройством, а на выходе устройства, обеспечивающего спектральную перестройку оптического излучения, установлено оптическое устройство, проецирующее световой поток на фотодетекторное устройство, при этом в качестве фотодетекторного устройства установлено многоэлементное фоточувствительное устройство.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне использован акустооптический перестраиваемый фильтр.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что акустооптический перестраиваемый фильтр помещен между двумя скрещенными поляризаторами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в устройстве установлен последовательно за поляризатором дополнительный акустооптический перестраиваемый фильтр, а также блок управления им и поляризатор.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что акустооптический перестраиваемый фильтр, а также блок управления им и поляризатор установлены после объекта.

6. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что при позиционировании объекта обеспечена возможность его поворота на произвольно задаваемый угол вокруг оси, перпендикулярной плоскости объекта, в диапазоне углов от 0 до 360°.

7. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что обеспечена программно задаваемая с произвольным изменением величина угла между падающим пучком света, освещающим плоскость объекта, и направлением, перпендикулярным этой плоскости.

8. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что фотодетекторное устройство установлено неподвижно.

9. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в нем установлено дополнительное фотодетекторное устройство.

10. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в качестве фотодетекторного устройства использовано многоэлементное двумерное фоточувствительное матричное устройство.

11. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства для спектральной перестройки оптического излучения в заданном спектральном диапазоне для освещения объекта применен комплект светоизлучающих элементов.

12. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в него включен дополнительный комплект светоизлучающих элементов, а также дифракционные элементы и формирователи оптических пучков, обеспечивающие угол падения светового потока, на поверхность объекта, а также дополнительные оптические компоненты, проецирующие изображение поверхности объекта или его фрагментов на многоэлементный матричный фотоприемник, расположенный под углом в диапазоне от 20 до 30° к нормали к поверхности объекта, а также встроенный микрокомпьютер, в память которого записаны эталонные данные объекта, обеспечивающие автоматическую идентификацию объекта.

13. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что обеспечена возможность пространственного перемещения устройства позиционирования с объектом.

14. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в нем применена многоэлементная линейка фотодетекторов, контроллер линейки фотодетекторов, обеспечивающий регистрацию строчного массива данных с поверхности объекта и передачу их на персональный компьютер, в программном обеспечении которого предусмотрена управляющая устройством программа, а также эталонные данные, а в качестве многоэлементной линейки фотодетекторов применена многоэлементная линейка фотодиодов или ПЗС-линейка.

15. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в нем перед фотодетекторными устройствами по ходу оптического луча установлены дополнительные поляризаторы.

16. Устройство для идентификации объекта по п.1, отличающееся тем, что в нем установлены элементы автономного электропитания.