Материал: Системы технического зрения. Литвиненко А.М., Машаров А.В

Рис. 1.12. Спектральные характеристики некоторых приемников излучения

Зависимости CdS, CdSe, PbS характеризуют фоторезисторы, постоянная времени которых изменяется в широких пределах (10-5 ...

I с) в зависимости от материала фоторезистора и его конструкции.

Пороговая чувствительность фоторезисторов составляет 10-11 ... 10-

9 лм*Гц-1/2.

Характеристики Si, УФ-Si, GaAs, Ge, Ge-ИК относятся к фотодиодам, фототранзисторам и фоторезисторам, а также к МДПструктурам, выполненным из соответствующих материалов. Постоянная времени таких приемников излучения составляет 1..100 нс, пороговая чувствительность может достигать 10-11 лм*Гц-1/2.

1.3.3. Оптические и оптико-механические узлы систем технического зрения

Назначение и основные функции, выполняемые оптической системой. В общем случае, как и у большинства других современных оптико-электронных приборов, оптическая система СТЗ робота служит:

.

для обеспечения требуемых энергетических (светотехнических) соотношений, т. е. для обеспечения заданного уровня сигнала (или соотношения сигнал—шум) на приемнике излучения путем сбора необходимого количества энергии излучения; формирования структуры светового пучка, его спектрального состава и т. д.;

получения изображения наблюдаемых объектов или рабочего пространства требуемого качества, что приводит к необходимости обеспечить достаточное пространственное, временное, спектральное и энергетическое разрешение;

выделения нужных объектов на фоне возможных помех и определения их характерных признаков, для чего также необходимо обеспечить должное разрешение по одному или нескольким параметрам оптического сигнала.

Последнее выполняется не только оптической системой, но и всей СТЗ, однако первичная обработка информации происходит, прежде всего, в оптических узлах, что предъявляет к ним во многих случаях достаточно специфические требования.

Как и другие оптико-электронные приборы, СТЗ могут работать пассивным, полуактивным или активным методом. В первом случае используется собственное или отраженное естественное излучение, во втором—искусственная подсветка всего поля обзора, а при активном методе зона подсветки занимает небольшую часть этого поля, где находится объект или его элемент, причем часто эта зона ограничивается лишь размером объекта или его части. При полуактивном и активном методах в состав оптической системы вводят осветительное (передающее) и приемное оптические устройства, при пассивном — лишь приемное.

Структура и конструктивные особенности передающих и приемных оптических систем достаточно подробно описаны в литературе. Ниже остановимся на особенностях ряда типовых узлов этих систем, однако сначала напомним некоторые общие сведения из прикладной оптики.

Схемы некоторых простейших оптических систем.

Простейшими элементами оптических систем являются одиночная линза и сферическое зеркало. Фокусное расстояние линзы, расположенной в воздухе, определяется через радиусы ее поверхностей r1 и r2, толщину d и показатель преломления n

119

материала линзы по известной формуле

— расстояние между ними (расстояние между задней главной плоскостью первой линзы и передней главной плоскостью второй линзы).

При большем числе линз после расчета эквивалентной системы из двух линз по этим же формулам рассчитывают для трех линз и т. д.

Дифференцируя, можно получить формулы для зависимости

оптической системы (эквивалентной линзы) и ' изображения вдоль оптической оси. Будем придерживаться правила знаков (ГОСТ 7427—76), по которому положительное направление задается направлением распространения света, а отрезки считаются отрицательными, если они расположены на оптической оси слева от точки отсчета.

При неподвижной оптической системе (= 0)

' f 'V 2 /( f ' V )

где V — линейное увеличение оптической системы.

120

При неподвижном предмете и перемещении системы на изображение сместится на

Система из двух положительных перемещающихся компонентов (рис. 1.13.) позволяет плавно изменять масштаб изображений при неизменных положениях плоскостей предметов и их изображений. Для расчета перемещений компонентов обычно задаются

перемещением 1 первого компонента, вычисляют линейное уве-

личение V1 f1' / 1 . и расстояние xz от изображения после первого компонента до переднего фокуса второго компонента

121

121

Рис 1.13. Система из двух положительных перемещающихся компонентов

Затем определяют подвижку второго компонента

Максимальная кратность такой системы переменного увеличения Vmin /Vmax достигается при предельных подвижках 1пр и 2пр :

Плавное изменение фокусного расстояния, т. е. изменение масштаба изображения при постоянном положении фокальной плоскости, может быть осуществлено в системе из двух подвижных 1, 2 и одного неподвижного 3 компонентов (рис. 1.14). В такой системе

изображения удаленных предметов.

122

Рис 1.14. Система из двух подвижных и одного неподвижного компонентов

Плавное изменение масштабов изображений и постоянство положения плоскостей предметов и изображения достигаются в панкреатических оптических системах, состоящих из большого числа компонентов. При этом, в отличие от двухкомпонентных систем, где перемещения осуществляются по непропорциональным зависимостям, в трехкомпонентных и более сложных системах удается обеспечить пропорциональные перемещения компонентов, например движение их в одну сторону с одинаковой скоростью.

Осветительные (передающие) оптические системы. Часто не-

обходимые условия для функционирования СТЗ могут быть созданы только при использовании искусственного освещения, что осуществляется с помощью осветительных систем. В общем случае эти системы содержат: источники излучения, оптические или оп- тико-механические элементы, схемы питания и управления. Существуют осветительные системы общего (для обеспечения функционирования дальномеров, измерителей угловых и линейных размеров) назначения.

Различают три типа осветительных систем искусственного освещения общего назначения: общие, местные и комбинированные.

Общая система реализуется, когда один или несколько источников освещают какую-либо область, включая рабочую зону робота, находящуюся в поле зрения СТЗ. Недостатками системы общего освещения являются: наличие теней от конструктивных элементов оборудования, расположенных между светильниками и рабочей зоной; высокие энергетические затраты для создания требуемого

123

123

уровня освещенности в рабочей зоне.

Местная система искусственного освещения реализуется, когда источник или группа источников освещают преимущественно поле зрения СТЗ. Комбинированная система — это совмещение общей и местной систем. Применение только местного освещения в производственных помещениях запрещено правилами техники безопасности. По-видимому, в безлюдных роботизированных системах можно допустить применение только местного освещения с временным отключением общего. На период обслуживания, наладки и ремонта оборудования общее освещение должно быть включено обязательно. С помощью общего освещения создается обычно не менее 10 % требуемой освещенности для обеспечения нормальных условий работы обслуживающего персонала.

Для СТЗ роботов, функционирующих вне производственных помещений, целесообразно использовать местные системы искусственного освещения прожекторного типа.

При проектировании систем освещения для СТЗ общего назначения за основу следует брать существующие нормы освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях. В случае необходимости нормативные значения освещенности корректируются только в сторону увеличения по результатам энергетических расчетов оптического тракта СТЗ, так как при недостаточной освещенности настройка СТЗ с участием человека недопустима.

Проектирование осветительных систем специального назначения осуществляется на основе результатов энергетических расчетов оптического тракта.

Рис. 1.15. Простейшие осветительные системы: а — без конденсора; б — c конденсором

В зависимости от особенностей конкретных СТЗ и условий работы конструкции осветительных систем могут быть самыми различными. В простейшем случае рабочее пространство освещается непосредственно источником излучения, без применения дополнительных оптических элементов. Наиболее часто такой способ реализуется при освещении больших рабочих зон, при полуактивном методе работы СТЗ, наконец, при использовании источников с достаточно узкой диаграммой направленности, например лазеров или светодиодов. В последнем случае при освещении сравнительно небольшой площади необходимо обеспечивать стабильность этой диаграммы. Чтобы обеспечить достаточно высокую, а в ряде случаев и равномерную освещенность в рабочем пространстве СТЗ, при использовании способа непосредственного освещения в состав осветительной системы помимо источника необходимо вводить дополнительные оптические элементы — конденсоры, светофильты, ветрорассеиватели (матовые или молочные стекла), объективы и т. п.

Для увеличения потока излучения, направляемого в рабочую зону или на освещаемый объект, в осветительных системах часто применяют специальные оптические элементы — конденсоры. Если сопоставить две оптические осветительные системы — без конденсора (рис. 1.15, а) и с конденсором (рис. 1.15, б), то можно показать, что выигрыш в освещенности в плоскости О в схеме с конденсором К составит ткАк/Аи раз. Здесь тк — коэффициент пропускания конденсора; Ак — площадь конденсора (его выходного зрачка); Аи

— площадь излучающей поверхности (проекция излучающей площадки на плоскость, перпендикулярную к оптической оси). Действительно, для схемы без конденсора освещенность в плоскости О

E0 c Lи Аи / l 2 c Iи / l 2

где тс — коэффициент пропускания среды на пути от источника до плоскости О; Lи и Iи — яркость и сила излучения (света) источника

сечение светового пучка равно или перекрывает размер рабочей зоны, освещенность

Рис. 1.16. Простейшая схема коллиматорного типа

Из сопоставления предыдущих формул следует, что для увеличения освещенности Е0 целесообразно увеличивать площадь

выходного зрачка конденсора, т. е. увеличивать угол 2 A , в котором собирается поток излучения, испускаемый источником. Однако этому препятствуют как конструктивные сложности, так и увеличение аберраций конденсора, что приводит к расширению светового пучка в плоскости О и ухудшению равномерности освещенности в этой плоскости. Уменьшение аберраций за счет усложнения конструкции конденсора ведет также к уменьшению его коэффициента пропускания тк. Кроме того, при изменении расстояния а' в процессе работы СТЗ освещенность в плоскости О будет меняться, что часто весьма нежелательно.

126

Рис. 1.17. Осветительная система с конденсором и объективом

Если освещаемый объект находится на большом расстоянии от источника и требуется, чтобы его освещенность при изменениях этого расстояния практически оставалась постоянной, осветительную систему строят по схеме коллиматора или прожектора, в которой излучатель И помещается в переднем фокусе объектива Об (рис. 1.16). В силу конечности размеров излучателя и в этой схеме имеет место расходимость пучка лучей и, следовательно, изменение освещенности при изменении расстояния l. К этой схеме применима формула, приведенная выше для схемы с конденсором. Формула верна для расчета освещенности при а' > /кр или / > /Rp, где lкр Df ' / dи .

От ряда недостатков рассмотренных систем свободна система с конденсором и объективом, представленная на рис. 1.17. Сразу за конденсором К помещается полевая диафрагма ПД, в качестве которой иногда используют марку, сетку или другой оптический элемент. Конденсор К создает изображение источника И во входном зрачке объектива Об. При расположении ПД около конденсора диаметр последнего будет минимален. Поскольку яркость излучающей площадки большинства источников неравномерна, эта схема предпочтительнее представленной на рис. 1.15, б, в тех случаях, когда важна равномерность распределения потока в плоскости освещаемых объектов.

Для обеспечения требуемого спектрального состава излучения в любую из представленных выше схем может быть введен светофильтр.

В качестве конденсоров и объективов осветительных систем используются как линзовые, так и зеркальные элементы. Их основными параметрами являются: фокусное расстояние /', линейное увеличение V, относительное отверстие D/f’ или