СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01C3/00 G02B27/42 G02B5/18 G01D5/34 G01D5/38 

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для измерения расстояния до излучающего объекта, в частности для определения расстояния до точечного источника света.

Из уровня техники можно выделить несколько вариантов определения расстояния до светящегося объекта,
Первый вариант предполагает формирование изображения объекта, включающего, к примеру, набор точечных источников света. Если мы знаем отклик оптической системы, формирующей изображение, и, если функция отклика (или функция рассеяния светящейся точки) зависит от того, на каком расстоянии находится источник излучения, то при дефокусировке, т.е. при изменении расстояния до источника, происходит размытие пятна изображения, по степени которого (т.е. размытия) можно оценить искомое расстояние или изменение расстояния. В частности, это используется для автофокусировки, например, в фотоаппаратах ("Политехнический словарь", под редакцией академика И.И.Артоболевского, изд. "Советская энциклопедия", М., 1976 г., стр.536, 323).

Второй вариант основан на принципе триангуляции, когда на объект (например, плоский экран) под разными углами направляют излучение от нескольких лазеров, при этом лучи сходятся на экране в одной точке. При смещении экрана проекции лучей в виде пятен будут расходиться друг от друга и по степени расхождения пятен можно судить о величине смещения экрана или о расстоянии до экрана.

В ряде случаев на поверхность объекта проектируется маска, например, система параллельных полос (интерференционная картина). На изображении объекта получается тоже система параллельных прямых полос, если объект плоский. Если объект имеет поверхность с разной глубиной ее отдельных частей, то изображение будет представлять собой систему искривленных полос, по степени искривленности которых можно судить о форме объекта, т.е. о расстоянии до его отдельных частей (Cadmaster, 2000, 1, /январь-март/, А.Н. Макачев, А.А. Чадкин "Модельщик 2000: системы сканирования").

Наиболее близким способом определения расстояния до объекта излучения является способ, описанный в журнале Optical Engineering, v.38, 6, 1999, р. 1035-1040. В этом способе в качестве маски используется точечная диафрагма. Расстояние до объекта определяют по изменению распределения освещенности в его изображении, формируемом оптической системой с заранее известной зависимостью функции отклика оптической системы от расстояния до источника излучения.

Недостатками известных способов и ближайшего аналога являются недостаточная точность измерения расстояния, многоэтапность измерения, использование множества изображений для определения формы поверхности одного объекта.

Задачей заявленного изобретения является создание способа определения расстояния до источника излучения, позволяющего оценить расстояние до любой точки поверхности объекта и восстановить его форму по одному снимку изображения излучающего объекта.

Поставленная задача осуществляется посредством того, что в способе определения расстояния до источника излучения, включающем формирование изображения источника излучения с помощью оптической системы и сопоставление этого изображения с заранее известной зависимостью функции отклика этой оптической системы от расстояния до источника излучения, согласно изобретению отклик оптической системы модифицируют посредством установленной в ходе лучей амплитудно-фазовой маски, которую формируют с возможностью отклонения этих лучей в направлении, преимущественно ортогональном направлению отклонения лучей, вызываемому дефокусировкой, а при сопоставлении этого изображения с указанной функцией отклика оценивают угол поворота изображения источника излучения.

Оптимально, чтобы коэффициент пропускания амплитудно-фазовой маски был задан в виде периодической функции от угла поворота, в этом случае при оценке угла поворота определяют изменение фазы сигнала формируемого изображения источника излучения.

Изобретение поясняется графическими материалами.

Фиг. 1 - принципиальная оптическая схема, с помощью которой осуществляется заявленный способ определения расстояния.

Фиг. 2 - изображение дифракционной решетки (амплитудно-фазовой маски), необходимой для формирования изображения точки в виде кольца.

Фиг. 3 - изображение амплитудной маски с синусоидальным распределением коэффициента пропускания от угла и анодизацией по радиусу (негатив).

Фиг.4 - вид функции рассеяния точки.

Оптическая схема согласно фиг.1 содержит исследуемый объект (источник S₀, (S₁)) излучения, амплитудно-фазовую маску 1, оптическую систему 2 формирования изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) и приемник 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹).

Заявленный способ осуществляется следующим образом.

Излучение, исходящее от источника S₀, (S₁) излучения, проходит через амплитудно-фазовую маску 1, затем через оптическую систему 2 формирования изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) и попадает на приемник 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹). Далее происходит, как правило, цифровая обработка снимка изображения S₀ ¹ (S₁ ¹), в результате которой определяется расстояние до отдельных точек излучающего объекта или до его определенных участков поверхности (в результате чего можно определить форму объекта).

Если из рассматриваемой оптической схемы убрать амплитудно-фазовую маску 1, то при дефокусировке объекта (т.е. при изменении положения объекта вдоль главной оптической оси оптической системы) отклоненные после прохождения оптической системы 2 лучи будут находиться в той же плоскости, что и лучи, идущие от объекта независимо от его дефокусировки, а изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) точки будет представлять собой пятно, диаметр которого будет пропорционален величине расфокусировки.

При введении амплитудно-фазовой маски 1, которая будет отклонять лучи в направлении, ортогональном направлению отклонения лучей, вызванному дефокусировкой (т.е. ортогонально плоскости прохождения луча от объекта к приемнику 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹)), любая светящаяся точка объекта будет изображаться в виде некоего кольцевого изображения (кольца), т.е. функция отклика оптической системы 2, модифицированная посредством амплитудно-фазовой маски 1, будет представлять собой кольцо.

В отличие от известных способов измерения расстояния в заявленном способе функции рассеяния практически не будут деформироваться, так как смещение лучей будет происходить по касательной к кольцу.

Причем в любой меридиональной плоскости характер отклонения лучей будет одинаковым, т. е. изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) точки в целом будет обладать вращательной симметрией. Распределение освещенности изображения будет оставаться одним и тем же, а функция отклика, в силу смещения лучей по касательной к изображению S₀ ¹ (S₁ ¹), будет поворачиваться на определенный угол, пропорциональный величине дефокусировки или расстоянию до объекта (т.е. до источника S₀ (S₁)). Измерив этот угол, можно оценить расстояние до объекта.

В предпочтительном варианте осуществления заявленного способа можно ввести кодировку функции отклика, например, распределение освещенности во входном зрачке промодулировать такой амплитудной маской 1, которая имеет некие градиенты по углу поворота (вдоль кольца). В этом случае изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) будет представлять собой кольцо с определенным распределением освещенности вдоль кольца.

Удобнее ввести синусоидальное распределение освещенности. Такое периодическое распределение приводит к повышению точности измерения. В этом случае можно оценивать распределение фазы синусоидального сигнала.

В качестве амплитудно-фазовой маски 1 можно применить, например, дифракционную решетку со штрихами, преимущественно, радиального направления и использовать, например, 1-й дифракционный максимум.

Дифракционная решетка может быть как бинарной, так и фазовой с непрерывным треугольным профилем штрихов.

На фиг.2 представлено изображение дифракционной решетки, необходимой для формирования изображения точки в виде кольца, а на фиг.3 показано изображение амплитудной маски 1 с синусоидальным распределением коэффициента пропускания от угла и анодизацией по радиусу (негатив).

При размещении указанных амплитудно-фазовых масок 1 в плоскости апертурной диафрагмы оптической системы 2, формирующей изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) объекта, функция рассеяния точки будет иметь вид, представленный на фиг.4. На этом изображении легко заметить кольцевые области разного диаметра, соответствующие 0-му, 1-му, 2-му и т.д. порядкам дифракции. Отдельные элементы изображения, соответствующие максимуму коэффициента пропускания синусоидальной амплитудной маски 1, можно соединить прямыми линиями. Расстояние от этих линий до центра изображения определяется величиной расфокусировки, так что при точной фокусировке на источник S₀ (S₁) излучения все эти линии проходят через центр изображения и угол поворота равен нулю. А в любом другом случае тангенс угла поворота равен отношению величины смещения луча за счет расфокусировки к радиусу кольцевой области соответствующего дифракционного порядка.

Таким образом, заявленный способ определения расстояния, кроме повышения точности измерения, позволяет измерять расстояние до любой светящейся точки поверхности объекта и восстанавливать его форму по одному снимку изображения.

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для измерения расстояния до излучающего объекта, в частности для определения расстояния до точечного источника света. Способ определения расстояния до источника S₀ (S₁) излучения включает формирование изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) источника излучения с помощью оптической системы и сопоставление этого изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) с заранее известной зависимостью функции отклика этой оптической системы от расстояния до источника S₀ (S₁) излучения. При этом отклик оптической системы модифицируют посредством установленной в ходе лучей амплитудно-фазовой маски, которую формируют с возможностью отклонения этих лучей в направлении, преимущественно ортогональном направлению отклонения лучей, вызываемому дефокусировкой, а при сопоставлении этого изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) с указанной функцией отклика оценивают угол поворота изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) источника S₀ (S₁) излучения. Оптимально, чтобы коэффициент пропускания амплитудно-фазовой маски был задан в виде периодической функции от угла поворота. В этом случае при оценке угла поворота определяют изменение фазы сигнала формируемого изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) источника S₀ (S₁) излучения. Технический результат - повышение точности и экономичности измерений за счет возможности оценивания расстояния до любой точки поверхности объекта и восстановления его формы по одному снимку изображения излучающего объекта. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения расстояния до источника излучения, включающий формирование изображения источника излучения с помощью оптической системы и сопоставление этого изображения с заранее известной зависимостью функции отклика этой оптической системы от расстояния до источника излучения, отличающийся тем, что отклик оптической системы модифицируют посредством установленной в ходе лучей амплитудно-фазовой маски, которую формируют с возможностью отклонения этих лучей в направлении, преимущественно ортогональном направлению отклонения лучей, вызываемому дефокусировкой, так что функция отклика будет поворачиваться на определенный угол, пропорциональный величине дефокусировки, при сопоставлении этого изображения с указанной функцией отклика оценивают угол поворота изображения источника излучения, а измерив этот угол, оценивают расстояние до источника излучения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент пропускания амплитудно-фазовой маски задают в виде периодической функции от угла поворота, а при оценке угла поворота определяют изменение фазы сигнала формируемого изображения источника излучения.