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

диафрагменное число К= f'/D, апертурные углы (углы охвата) в про-

денсора используют плосковыпуклую линзу, обращенную плоскостью к источнику. При V = —1 наилучшей формой линзы является двояковыпуклая с одинаковыми радиусами.

Двухлинзовый конденсор применяют при (2 A 2 A' ) 60 .

Две плосковыпуклые линзы, соприкасающиеся сферическими поверхностями, при требуемом увеличении V должны иметь отно-

шение фокусных расстояний f 2' / f1' V , причем f1' — фокусное

расстояние ближайшей к источнику линзы. Форму конденсора обычно определяют из условия получения минимума сферической аберрации.

Более сложные конденсоры позволяют получить большие значения суммы (2 A 2 A' ) , например трехлинзовые — до 100°. Однако их конструкции сложны, а потери света велики. Поэтому

добавочное зеркало, как это делается в прожекторах, или использовать линзу Френеля. Реже в осветительных системах используются оптические линзовые растры.

Меньшие потери энергии имеют место в зеркальных и зеркально-линзовых системах. Одиночное сферическое зеркало редко используется на практике из-за большой сферической аберрации, и, как следствие, большой расходимости и неоднородности светового пучка, хотя его угол охвата может превышать 100° при увеличении V до —5. Чаще в качестве конденсора применяют эллипсоидные зеркала, в один из фокусов которых помещают малоразмерный (точечный) излучатель, а в другой — центр входного зрачка объектива осветительной системы. Апертурный угол в пространстве предметов таких зеркал может

129

128

превышать 180°.

Специфичны оптические системы лазерных осветительных систем. В зависимости от назначения и принципа работы конкретной СТЗ такие системы могут фокусировать лазерные пучки на постоянном или переменном расстоянии, коллимировать их, изменять диаграмму направленности. Оптические элементы лазерных систем (линзы, пластины, призмы и т. п.) принципиально ничем не отличаются от элементов систем с некогерентными излучателями. В то же время при их выборе и расчете следует учитывать ряд особенностей, например, монохроматичность лазерного излучения, его поляризованность, узкую диаграмму направленности и др.

Помимо элементов сферической оптики, в некоторых системах используются цилиндрические линзы, позволяющие трансформировать оптический пучок практически в линию, т. е. сделать его сечение квазиодномерным.

К числу основных схем компоновки осветительных систем относятся:

однорядные или многорядные схемы, дополненные конструктивными диффузными отражательными элементами (потолок, стены помещения, плоскости оборудования), формирующие ненаправленную равномерно распределенную освещенность рабочей области СТЗ;

схемы с одиночной осветительной системой, оптическая ось которой параллельна оптической оси видеосенсора или совпадает с ней (бестеневая схема), и схемы «на просвет»;

схемы с различно ориентированными оптическими осями видеосенсора и осветительной системы (теневые схемы)|

сканирующие схема о подвижной оптической осью осветительной системы;

схемы катетерного типа для осмотра недоступных для прямого дистанционного наблюдения частей объектов.

Возможны смешанные схемы компоновки осветительных систем для одновременной реализации нескольких функций.

В зависимости от решаемой функциональной задачи осветительная система размещается вне конструктивных элементов робота и СТЗ, на специальном неподвижном или подвижном элементе, связанном с роботом, на захватном устройстве робота.

130

К числу важных характеристик осветительных систем относятся направленность излучения и его структура. Контраст объектов при ненаправленном освещении обусловлен отличиями в коэффициентах отражения частей объектов и фона. Направленное излучение создает тени и позволяет легче регистрировать отличия в характере отражательной способности объектов. Например, для наблюдения светлых металлических объектов и объектов из светлых пластмасс рекомендуется схема освещения, работающая на отражение. Для наблюдения объектов, выполненных из темных блестящих материалов, а также объектов с диффузно рассеивающими поверхностями, перекрытыми прозрачным материалом, либо объектов с направленно-рассеянным или смешанным отражением излучения поверхности рекомендуется схема, работающая на рассеяние. Направленные световые пучки различной формы создают структурированные зрительные образы с характерными информационными признаками (пространственными смещениями световых полос, световыми полосами различной ширины, характерными искажениями световых сеток).

Взаключение отметим, что в некоторых осветительных системах используется модуляция потока излучения во времени, которая позволяет исключить или ослабить влияние посторонних фоновых засветок.

Приемные оптические системы. Важнейшим элементом приемной оптической системы является объектив. Объектив характеризуется фокусным расстоянием f‘, площадями или

диаметрами входного и выходного зрачков (Aвх и Aвьx или D и D' соответственно), относительным отверстием D/f ‗ или диафрагменным числом К = f'/D, угловым полем в пространстве предметов 2w, линейным увеличением V, разрешающей способностью и оптической передаточной функцией, коэффициентом пропускания и рядом других параметров и характеристик.

Вбольшинстве случаев объектив выполняет все те функции оптической системы, о которых говорилось выше, и к нему предъявляются сложные и порой противоречивые требования. Поэтому выбор и расчет параметров объектива — достаточно серьезная задача. Ниже будет показано, как рассчитываются или выбираются некоторые из важнейших параметров объектива и как они связаны с

131

параметрами источника и осветительной системы, а также с параметрами приемника излучения.

Не останавливаясь на особенностях оптических схем и конструкций многочисленных выпускаемых промышленностью объективов, отметим влияние отдельных параметров объектива на работу СТЗ.

Обеспечение требуемого уровня сигнала и его превышения над уровнем шумов зависит в первую очередь от значения Aвх или D объектива, принимающего поток от точечного или малоразмерного излучателя, не перекрывающего все угловое поле 2w, или от значения D/f‘, если излучатель перекрывает полностью 2w. Однако увеличению Aвх (или D), ведущему к росту сигнала, препятствует как требование уменьшить габаритные размеры системы, так и, главным образом, увеличение аберраций, т. е. ухудшение качества изображений с ростом D или D/f‘. Усложнение конструкции объектива путем увеличения числа его компонентов или применения асферических поверхностей заметно удорожает объектив, может приводить к уменьшению его коэффициента пропускания и к увеличению массы и размеров.

Увеличение f' ведет к возрастанию V, дает возможность повысить точность измерений, однако это часто нежелательно вследствие роста продольных размеров объектива и всей оптической системы.

Угловое поле объектива 2w определяется размером рабочей зоны СТЗ, условиями ее размещения и функционирования, а также требованиями к отношению сигнал—шум на выходе СТЗ.

Если чувствительный слой приемника имеет размеры q = ab и расположен вблизи фокальной плоскости объектива, то угловое поле последнего определяется из выражения

132

Рис. 1.17a. Изображение объекта, находящегося на конечном расстоянии

В СТЗ объектив обычно служит для получения изображений предметов в плоскости анализа этих изображений или на чувствительном слое приемника излучения. Если предмет находится на большом удалении от объектива (в бесконечности), то его изображение строится в фокальной плоскости. Если предмет находится на конечном расстоянии (рис. 1.17), то значение смещения изображения г' может быть найдено из уравнения

z '2 (c L)z' f '2 0

По этой формуле можно рассчитать значения смещения объектива вдоль оси, если расстояние до предмета изменяется в процессе работы СТЗ.

Линейное увеличение такой системы

V y' / y f ' / z f ' /(c L z')

при z' L увеличение V f /(c L)

Разрешающая способность объектива, т. е. способность создавать раздельные изображения двух рядом расположенных точек, зависит от дифракционных явлений и аберраций системы, а также от параметров анализатора и приемника излучения. Для идеальной оптической системы с круглым входным зрачком угловой размер наблюдаемого из центра зрачка радиуса первого темного кольца в

излучения принимают, что в угловых секундах '' 120/ D . Для плоскости изображений, отстоящей от зрачка на расстояние l‘,

изображаемого пространства (глубина резкости изображений). Если объектив с входным зрачком диаметра D сфокусирован на какуюлибо плоскость О, то одинаково резко будут восприниматься точки объектов, расположенных в промежутке между двумя плоскостями Р1 и Р2 (передний и задний планы), для которых размеры изображений (кружков рассеяния) не больше размеров, определяемых разрешающей способностью объектива (рис. 1.18). Из несложных геометрических соотношений, принимая увеличение V f ' / a при f ' | a | , можно получить,

Рис. 1.18. Схема для определения глубины изображения пространства

диаметр допускаемого кружка в плоскости изображения.

Если Р2 находится в бесконечности, то положение переднего плана Р1 определяется как a1 a / 2 .

Если объектив сфокусирован на бесконечность, то расстояние,

скоторого все объекты видны одинаково резко (начало

a 1700D 2 .

Аберрации объектива пропорциональны его относительному отверстию и угловому полю 2со. Существует следующая эмпирическая зависимость, характеризующая современные фотографические объективы (которые с успехом могут быть использованы в СТЗ):

Dtgw0,01/ f ' 0,24..0,5

Важным элементом является конденсор приемной оптической системы, который применяется в тех случаях, когда чувствительный слой приемника невозможно или нежелательно располагать в плоскости изображения, например вследствие вредного влияния неоднородности чувствительности по площади приемника при перемещении изображения по этому слою, при желании уменьшить площадь чувствительного слоя и в некоторых других случаях.

Иногда в качестве конденсоров применяют одиночные линзы (линзы Фабри), зеркальные ловушки и волоконные световоды, волоконно-оптические жгуты.

Волоконно-оптические устройства (цилиндрические и конические световоды, пластины, жгуты) обычно лишь переносят изображение, но не формируют его или служат в качестве узлов подсветки. При высоких уровнях освещенности рабочего пространства СТЗ их можно использовать и для приема светового пучка. Иногда их применяют для сканирования пространства предметов или изображений путем перемещения одного из концов гибкого волокна или жгута. Поскольку действие волоконно-оптических устройств основано, как правило, на явлении полного внутреннего отражения, допустимый радиус кривизны (изгиба) волокна не должен быть менее 20 ... 30 диаметров его сечения. Апертура волокна (произведение показателя преломления окружающей среды n0 на

134

превышать n12 n22 , где n1 и n2 — показатели преломления

материала сердцевины волокна и его оболочки. Пропускание современных волокон достигает 90 % на 1 м длины и более; разрешение, определяемое диаметром волокон, составляет единицы

идесятки микрометров и более.

ВСТЗ для оптической (спектральной) фильтрации полезного сигнала на фоне помех используют оптические фильтры различных типов. Наиболее распространены абсорбционные (поглощающие) и интерференционные фильтры. Первые просты по конструкции, дешевы, надежны в эксплуатации, однако имеют малую крутизну изменения спектрального пропускания, что не позволяет четко «отсечь» одну область спектра от другой. Наиболее часто применяются абсорбционные светофильтры, изготовляемые из цветного оптического стекла.

Большой крутизной и возможностью регулировать ширину полосы пропускания и ее положение по спектру отличаются интерференционные фильтры. Однако они сложны в изготовлении, имеют заметный дрейф спектральной характеристики при изменении температуры и их необходимо устанавливать в параллельных или слабо сходящихся пучках лучей.

На базе интерференционных фильтров создаются обычно дихроичные фильтры, которые одну часть падающего на них потока отражают, а другую — пропускают. Эти фильтры часто служат как светоделительные элементы, их также используют в схемах двухцветовой и балансной оптической селекции.

Для просмотра (сканирования) рабочей зоны, компенсации сдвига изображения, анализа распределения освещенности в плоскости изображений и решения ряда других задач в состав оптической системы СТЗ часто вводят специальные оптические и оп- тико-механические узлы и элементы — сканирующие системы, компенсаторы, анализаторы. Работа сканирующих систем и компенсаторов основана на изменении хода лучей, проходящих через линзы, плоскопараллельные пластины, призмы и зеркала или их комбинации, при изменении пространственного положения этих деталей — при их повороте, наклоне, вращении, поступательном перемещении.

Такие устройства характеризуются коэффициентом преобра-

1365

зования — отношением отклонения смещения пучка лучей или

изображения к перемещению компенсатора или сканирующего элемента, вызвавшего это смещение. У многих из них статическая характеристика f ( ) нелинейна, поэтому важно знать допу-

стимый с заданной методической погрешностью m диапазон ли-

нейности этой характеристики. Схемы рассматриваемых устройств и выражения для их зависимостей f ( ) приведены в литературе.

Рис. 1.19.а Простейшая бленда

В качестве анализаторов оптического изображения часто используются оптические растры — диафрагмы с различным законом распределения прозрачности по площади растра, часто периодическим, а также некоторые виды призм. Для оценки закона распределения освещенности в плоскости растра и преобразования этой зависимости в изменяющийся во времени сигнал перемещается либо сам растр, либо изображение. Последнее достигается путем перемещения всего объектива или какого-нибудь из его компонентов, а также с помощью сканирующих оптических элементов. Функции анализатора изображения выполняют также многоэлементные и координатно-чувствительные фотоприемники, что увеличивает быстродействие системы, а в ряде случаев и точность анализа и позволяет упростить обработку информационного сигнала.

В некоторых оптических системах СТЗ могут быть использованы оптические плоские или пространственные шарниры — комбинации призм и зеркал, позволяющих изменять углы между оптическими осями двух или более ветвей в приборе без вращения изображения. С их помощью можно совершать обзор пространства, как это делается, например, в панораме, или компенсировать наклон объекта или его изображения.

Рис. 1.19.б Бленда с кольцевыми диафрагмами

Для борьбы с рассеянным излучением, создаваемым помехами, находящимися вне углового поля оптической системы, используются бленды, представляющие собой систему кольцевых, цилиндрических и конических диафрагм, располагаемых обычно перед объективом. Простейшая бленда, представленная на рис. 1.19, а, обычно служит для предотвращения попадания на объектив излучения от источников помех П, находящихся за пределами углового поля объектива 2w . Длину lб и диаметр Dб такой бленды определяют по формулам:

lб D /(tg tgw); Dб D 2lб tgw

где D — диаметр входного зрачка объектива; — угол засветки.

Эффективность применения бленды во многом определяется, коэффициентом ослабления K0 — отношением освещенности, создаваемой помехой на входном окне бленды, к освещенности рассеянного излучения на ее выходном окне. Для увеличения К0