RU2052772C1

RU2052772C1 - Устройство для измерения дальности

Info

Publication number: RU2052772C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Пермяков; В.И. Волынкин; А.Н. Потапов; С.В. Литвинов; В.Н. Хатунцев
Original assignee: Пермяков Евгений Михайлович
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1992-03-30
Publication date: 1996-01-20

Abstract

Использование: в системах оптической обработки информации, в частности при построении оптико-электронных систем, предназначенных для определения дальности до различных объектов. Дальность определяется на основе использования эффекта оптической интерференции света от двух источников света, образованных формирователем когерентных точек, который располагают под углом к оптической оси и выполняют в виде пространственно-временного модулятора света (ПВМС), первый оптический вход которого сопряжен с точечным источником света посредством коллимирующей линзы, установленной на фокусном расстоянии от него. Оптический выход ПВМС, образованный потоком когерентного света, отраженного от ПВМС, посредством поляризатора сопряжен с оптическим входом регистратора интерференционной картины, электрический выход которого связан с электрическим входом вычислителя дальности. Второй оптический вход ПВМС сопряжен с двумя параллельными оптическими ветвями, каждая из которых состоит из двух зеркальных отражателей и объектива, установленного между ними и оптически сопряженного с ними. Первый и второй зеркальные отражатели установлены перпендикулярно друг другу непосредственно перед вторым оптическим входом ПВМС. Третий и четвертый зеркальные отражатели установлены параллельно первому и второму отражателям на расстоянии друг от друга. Первый и второй объективы установлены на фокусном расстоянии от плоскости второго оптического входа ПВМС, электрический вход которого подключен к источнику питания. В качестве точечного источника света используется оптическая система, содержащая лазер с расположенными по ходу его излучения фокусирующей линзой и размещенной от нее на фокусном расстоянии микродиафрагмой. В качестве регистратора интерференционной картины используется телевизионная камера. ПВМС выполняют в виде последовательно соединенных друг с другом и размещенных по ходу когерентного излучения первой стеклянной подложки, первого прозрачного электрода, слоя жидкого кристалла, прокладки, диэлектрического зеркала, полупроводникового слоя, прозрачного диэлектрического слоя, второго прозрачного электрода и второй стеклянной подложки. Первый и второй электроды образуют электрический вход ПВМС. Первая и вторая стеклянные подложки являются первым и вторым оптическими входами ПВМС. 2 ил.

Description

Изобретение относится к оптико-интерфереметрическим измерительным устройствам и может быть использовано в системах оптической обработки информации, в частности при построении оптико-электронных систем, предназначенных для определения дальности до различных объектов.

Наиболее близким к предложенному является устройство для измерения дальности, содержащее два оптических канала, каждый из которых включает последовательно установленные первое зеркало, объектив и второе зеркало, и регистрирующую систему. Зеркала в канале ориентированы так, что отражающие поверхности направлены навстречу друг другу и лежат в параллельных плоскостях. Первые зеркала расположены под углом в 45^о к оптической оси регистрирующей системы, вторые зеркала на базовом расстоянии друг относительно друга. Объективы размещены так, что имеют общую фокальную плоскость.

Недостаток устройства ограниченный тип объектов, удаленность от которых может быть измерена.

Цель изобретения возможность измерения дальности до различных объектов.

Для этого устройство снабжено пространственно-временным модулятором света (ПВМС) с двумя оптическими входами, электрическим входом и оптическим выходом, последовательно установленными лазером, фокусирующей линзой, микродиафрагмой и коллимирующей линзой. Макродиафрагма размещена на фокусном расстоянии от каждой из линз, расположенных вдоль оптической оси с лазером, образующей угол θ с первым оптическим входом ПВМС, второй вход которого совмещен с фокальной плоскостью объективов. Оптический выход ПВМС сопряжен через поляризатор с системой регистрации, выполненной из телевизионной камеры и вычислителя дальности, ПВМС выполнен в виде последовательно соединенных друг с другом первой стеклянной подложки, первого прозрачного электрода, слоя жидкого кристалла, прокладки, диэлектрического зеркала, полупроводникового слоя, прозрачного диэлектрического слоя, второго прозрачного электрода и второй стеклянной подложки. Первый и второй электроды образуют электрический вход ПВМС, соединенный с источником питания. Первая и вторая стеклянные подложки являются первыми и вторым оптическими входами ПВМС.

На фиг.1 показана оптическая схема интерферометрического устройства; на фиг.2 функциональная схема пространственно-временного модулятора света.

Устройство для измерения дальности (фиг.1) содержит лазер 1, по ходу светового луча которого расположены фокусирующая линза 2, микродиафрагма 3, коллимирующая линза 4, ПВМС 5, полимеризатор 6, телевизионная камера 7, которая электрически соединена с вычислителем 8 дальности. Электрический вход ПВМС 5 соединен с источником 9 питания, четыре зеркальных отражателя 10, 11, 12, 13 и два объектива 14, 15, которые образуют две параллельные оптические ветви (первая ветвь зеркало 10, объектив 14, зеркало 12; вторая ветвь зеркало 13, объектив 15, зеркало 11), с помощью которых два изобретения одного и того же объекта одновременно проецируется на плоскость второго оптического входа ПВМС 5.

ПВМС (фиг. 2) содержит последовательно соединенные друг с другом и размещенные по ходу когерентного излучения стеклянную подложку 16, прозрачный электрод 17, слой 18 жидкого кристалла (ЖК), прокладку 19, диэлектрическое зеркало 20, полупроводник 21, прозрачный диэлектрический слой 22, второй прозрачный электрод 23 и вторую стеклянную подложку 24. Первая и вторая стеклянные подложки 16 и 24 являются первым и вторым оптическими входами ПВМС. Прозрачные электроды 17, 23 образуют электрический вход ПВМС 5.

Устройство работает следующим образом.

Лазер 1 генерирует узкий пучок когерентного света, который после прохождения через линзу 2 образует световую волну со сферическим фронтом. Микродиафрагма 3, установленная в фокусе линзы 2, осуществляет пространственную фильтрацию когерентного света. Коллимирующая линза 4, расположенная на фокусном расстоянии от микродиафрагмы 3, преобразует сферическую световую волну в плоскую. В результате, на выходе линзы 4 получается параллельный поток когерентного света с плоским волновым фронтом, который падает под углом на первый оптический вход ПВМС 5.

На второй оптический вход ПВМС 4 поступает некогерентный поток света, распространяющийся от объекта (цели), дальность до которого необходимо определить. Лучи света от цели с помощью отражателей 10, 13, расположенных на расстоянии Б друг от друга, направляются по двум ветвям. Объективы 14, 15 формуют в фокальной плоскости F (плоскости второго оптического входа ПВМС 5) два точечных изображения одной и той же цели, смещенные между собой на величину b. При малых параллактических углах Е величина смещения определяется как b f · ε, где f фокусное расстояние объективов 15, 14. Поскольку ε Б/D, то
b (f · Б)/ D (1), где Б база дальномера, D дальность до цели.

Если угол визирования верхней (на фиг.1) ветви изменится и одно изображение сместится в фокальной плоскости F, то и второе изображение сместится на ту же величину, а смещение одного изображения относительно второго останется без изменения. Смещение b будет возрастать по мере приближения к цели и будет близко к нулю для очень далеких объектов. Регистрация величины относительного смещения двух точечных изображений объекта осуществляется интерферометрическим методом с помощью ПВМС 5, который преобразует некогерентные точечные изображения цели в когерентные.

Преобразование происходит следующим образом. На электрический вход ПВМС 5 поступает переменное напряжение звуковой частоты от источника питания 9. Это напряжение поступает на электроды 17 и 23, прозрачные для видимого излучения. Падение напряжения приходится в основном на слой полупроводника 21. При освещении полупроводникового слоя 21 светом с длиной волны, попадающей в зону его поглощения, его сопротивление изменяется, а некоторая часть напряжения падает на слой 18 ЖК. Приложенное напряжение приводит к переориентации анизотропных молекул в слое 18 ЖК, вызывая изменение двулучепреломляющих свойств этого слоя. На стеклянной подложке 24 формируется подлежащее преобразованию входное изображение, представляющее собой две яркие точки (оптические проекции цели) на относительно темном фоне. Темным участкам входного изображения соответствует высокое сопротивление полупроводникового слоя 21, светлым низкое. В итоге, к слою 18 ЖК оказывается приложенным напряжение, представляющее собой потенциальный рельеф, соответствующий рельефу освещенности полупроводника 21. Под действием приложенного напряжения происходит изменение пространственной структуры слоя 18 ЖК, вследствие чего изменяется динамическое рассеяние когерентного света при прохождении через слой 18 ЖК. После отражения света от диэлектрического зеркала 20 на выходе ПВМС образуется когерентный поток, имеющий эллиптическую поляризацию света. Падающий же на ПВМС когерентный свет поляризован линейно. Амплитудное распределение когерентного света, отображенного от диэлектрического зеркала 20 и промодулированного в слое 18 ЖК, пропорционально по фронту рельефу напряжения, приложенному к слою 18 ЖК, а следовательно, соответствует распределению освещенности во входном изображении. Таким образом осуществляется преобразование некогерентного изображения в когерентное (Компанец И.Н. и др. М. ФИАН, 1979, N 114, с.5-15).

Свет, отраженный от ПВМС, имеет две составляющие, первая составляющая это свет, отраженный от стеклянной подложки 16, который поляризован линейно, он интереса не представляет, и свет, отраженный от диэлектрического зеркала 20 и промодулированный в слое 18 ЖК он поляризован эллиптически и несет в себе полезную информацию.

Поляризатор 6 настроен так, чтобы световые волны, поляризованные линейно, полностью гасились им. Таким образом, поляроид 6 выполняет роль фильтрующего элемента, выделяя из общего потока полезную составляющую.

В плоскости телевизионной камеры 7 формируется интеpфеpенционная картина, создаваемая двумя когерентными источниками света, являющимися преобразованными точечными изображениями цели, которые находятся на ПВМС 5. Эта картина регистрируется с помощью телевизионной камеры 7, видеосигнал от которой поступает в вычислитель 8, где происходит его обработка и определение дальности до объекта.

Интерференционная картина, формируемая в плоскости телевизионной камеры, представляет собой систему чередующихся темных и светлых полос. Такая периодическая структура характеризуется периодом d, который определяется выражением (Голографическая интерферометрия. М. Мир, 1982, с.20-21):
d ( λ · l) b, (2) где λ длина волны используемого лазерного излучения;
l расстояние от ПВМС 5 до телевизионной камеры 7;
b расстояние между когерентными источниками света (смещение двух точечных изображений цели).

Поскольку период d может быть определен в результате обработки видеосигнала, а величины λ и l являются константами, то неизвестная величина b в выражении (2) вычисляется по формуле
b ( λ · l)/b. (3) Величина b это смещение двух точечных изображений одного и того же объекта в плоскости ПВМС 5. Она пропорциональна дальности до объекта наблюдения. С учетом выражений (1) и (3) дальность вычисляется по формуле:
D (f · Б)/ ( λ · l) ·d (4) где (f · b)/(λ · l) const.

Следовательно, для вычисления дальности необходимо определить период интерференционной картины d и знать параметры f, Б, λ, l оптической схемы дальномера.

Формула (4) решается в вычислителе 8.

Положительный эффект заключается в том, что с помощью устройства можно с высокой точностью производить автоматическое измерение дальности до различных удаленных объектов пассивным методом. Инструментальная погрешность в определении дальности соизмерима с длиной волны используемого лазерного излучения.

Claims

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ, содержащее два оптических канала, каждый из которых включает последовательно установленные первое зеркало, объектив и второе зеркало, и регистрирующую систему, зеркала в канале ориентированы так, что отражающие поверхности направлены навстречу друг другу и лежат в параллельных плоскостях, первые зеркала расположены под углом в 45^o к оптической оси регистрирующей системы, вторые зеркала на базовом расстоянии друг относительно друга, а объективы размещены так, что имеют общую фокальную плоскость, отличающееся тем, что оно снабжено пространственно-временным модулятором света (ПВМС) с двумя оптическими входами, электрическим входом и оптическим выходом, последовательно установленными лазером, фокусирующей линзой, микродиафрагмой и коллимирующей линзой, микродиафрагма размещена на фокусном расстоянии от каждой из линз, расположенных вдоль оптической оси с лазером, образующей угол θ с первым оптическим входом ПВМС, второй вход которого совмещен с фокальной плоскостью объективом, оптический выход ПВМС сопряжен через поляризатор с системой регистрации, выполненной из телевизионной камеры и вычислителя дальности, ПВМС выполнен в виде последовательно соединенных друг с другом первой стеклянной подложки, первого прозрачного электрода, слоя жидкого кристалла, прокладки, диэлектрического зеркала, полупроводникового слоя, прозрачного диэлектрического слоя, второго прозрачного электрода и второй стеклянной подложки, первый и второй электроды образуют электрический вход ПВМС, соединенный с источником питания, а первая и вторая стеклянные подложки являются соответственно первым и вторым оптическими входами ПВМС.