RU2052772C1

RU2052772C1 - Range-finding device

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

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: range is determined on the basis of use of the effect of kight optical interference from two point light sources formed by a coherent point former, which is positioned at an angle to the optical axis and made as a spatial-time light modulator whose first optical input is integrated with the point light source by means of a collimating lens installed at focal distance from it. The optical output of the spatial-time light modulator, formed by a flux of coherent light reflected from the modulator, is integrated by means of a polarizer with the optical input of the interference pattern register, whose electrical output is coupled with the electrical input of the ranging computer. The other optical output of the light modulator is integrated with two parallel and an objective lens installed between them and optically integrated with them. The first and second mirror reflectors are installed perpendicularly to each other directly before the second optical input of the light modulator. The third and fourth mirror reflectors are installed in parallel with the first and second reflectors at a distance from each other. The first and second objective lenses are installed at focal distance from the plane of the second optical input of the light modulator, whose electrical input is connected to the power source. An optical system, having a laser with a focusing lens located in the direction of its radiation, and a microdiaphragm located at focal distance from it, is used as the point light source. A TV camera is used as the interference pattern register. The light modulator is made in the form of successively connected and located in the direction of coherent radiation first glass substrate first transparent electrode, layer of liquid crystal, spacer, dielectric mirror, semiconductor layer, transparent dielectric layer, second transparent electrode and second glass substrate. The first and second electrodes make up the electrical input of the light modulator. The first and second glass substrates serve as the first and second optical inputs of the light modulator. EFFECT: facilitated procedure of range measurement. 2 dwg

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. The invention relates to optical interferometric measuring devices and can be used in optical information processing systems, in particular when constructing optical electronic systems designed to determine the range to various objects.

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.Closest to the proposed is a device for measuring range, containing two optical channels, each of which includes sequentially mounted first mirror, lens and second mirror, and a recording system. The mirrors in the channel are oriented so that the reflecting surfaces are directed towards each other and lie in parallel planes. The first mirror disposed at an angle of ⁴⁵ ° to the optical axis of the recording system, the second mirror to the base region with respect to each other. The lenses are placed so that they have a common focal plane.

Недостаток устройства ограниченный тип объектов, удаленность от которых может быть измерена. The disadvantage of the device is the limited type of objects, the distance from which can be measured.

Цель изобретения возможность измерения дальности до различных объектов. The purpose of the invention is the ability to measure ranges to various objects.

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. For this, the device is equipped with a space-time light modulator (PVMS) with two optical inputs, an electrical input and an optical output, sequentially mounted by a laser, a focusing lens, a micro-diaphragm and a collimating lens. The macro-diaphragm is placed at the focal length from each of the lenses located along the optical axis with a laser, forming an angle θ with the first optical input of the FMSC, the second input of which is aligned with the focal plane of the lenses. The optical output of the PVMS is coupled through a polarizer to a recording system made of a television camera and a range calculator, the PVMS is made in the form of a first glass substrate, a first transparent electrode, a liquid crystal layer, a gasket, a dielectric mirror, a semiconductor layer, and a transparent dielectric layer connected in series with each other , a second transparent electrode and a second glass substrate. The first and second electrodes form the PVMS electrical input connected to the power source. The first and second glass substrates are the first and second optical inputs of the PVMS.

На фиг.1 показана оптическая схема интерферометрического устройства; на фиг.2 функциональная схема пространственно-временного модулятора света. Figure 1 shows the optical scheme of the interferometric device; figure 2 is a functional diagram of a space-time light modulator.

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. The device for measuring range (Fig. 1) contains a laser 1, along the light beam of which there is a focusing lens 2, a micro-diaphragm 3, a collimating lens 4, PVMS 5, a polymerization device 6, a television camera 7, which is electrically connected to a range calculator 8. The electrical input of the PVMS 5 is connected to a power source 9, four mirror reflectors 10, 11, 12, 13 and two lenses 14, 15, which form two parallel optical branches (the first branch is mirror 10, lens 14, mirror 12; the second branch is mirror 13, lens 15, mirror 11), with the help of which two inventions of the same object are simultaneously projected onto the plane of the second optical input of PVMS 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. The PVMS (Fig. 2) contains a glass substrate 16, a transparent electrode 17, a liquid crystal (18) layer 18, a gasket 19, a dielectric mirror 20, a semiconductor 21, a transparent dielectric layer 22, second connected in series with each other and placed along the coherent radiation a transparent electrode 23 and a second glass substrate 24. The first and second glass substrates 16 and 24 are the first and second optical inputs of the PWMS. Transparent electrodes 17, 23 form the electrical input of the PVMS 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. The laser 1 generates a narrow beam of coherent light, which after passing through the lens 2 forms a light wave with a spherical front. The micro-diaphragm 3, mounted in the focus of the lens 2, performs spatial filtering of coherent light. A collimating lens 4 located at the focal length from the micro-diaphragm 3 converts a spherical light wave into a plane wave. As a result, at the output of the lens 4, a parallel stream of coherent light with a flat wavefront is obtained, which falls at an angle to the first optical input of PVMS 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.An incoherent stream of light propagating from the object (target), the distance to which must be determined, arrives at the second optical input of the PVMS 4. The rays of light from the target with the help of reflectors 10, 13 located at a distance B from each other, are directed along two branches. The lenses 14, 15 form in the focal plane F (plane of the second optical input of the PVMS 5) two point images of the same target, offset from each other by a value of b. For small parallactic angles E, the displacement value is defined as bf · ε, where f is the focal length of the lenses 15, 14. Since ε B / D, then
b (f · B) / D (1), where B is the base of the rangefinder, D is the distance to the target.

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. If the angle of view of the upper branch (in FIG. 1) changes and one image moves in the focal plane F, then the second image will shift by the same amount, and the displacement of one image relative to the second will remain unchanged. Offset b will increase as you approach the target and will be close to zero for very distant objects. The relative displacement of two point images of the object is recorded by the interferometric method using PVMS 5, which converts incoherent point images of the target into coherent ones.

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). The conversion is as follows. An alternating voltage of the audio frequency from the power source 9 is supplied to the electrical input of the PVMS 5. This voltage is supplied to the electrodes 17 and 23, which are transparent to visible radiation. The voltage drop falls mainly on the semiconductor layer 21. When the semiconductor layer 21 is illuminated with light with a wavelength falling in its absorption zone, its resistance changes, and some of the voltage drops on the LC layer 18. The applied voltage leads to a reorientation of anisotropic molecules in the LC layer 18, causing a change in the birefringent properties of this layer. An input image to be converted is formed on the glass substrate 24, which is two bright points (optical projections of the target) against a relatively dark background. Dark portions of the input image correspond to a high resistance of the semiconductor layer 21, light low. As a result, a voltage is applied to the LC layer 18, which is a potential relief corresponding to the illumination relief of the semiconductor 21. Under the action of the applied voltage, the spatial structure of the LC layer 18 changes, as a result of which the dynamic scattering of coherent light changes through the LC layer 18. After reflection of the light from the dielectric mirror 20, a coherent flux having an elliptical polarization of light is formed at the output of the PVMS. Coherent light incident on the PMSC is linearly polarized. The amplitude distribution of the coherent light displayed from the dielectric mirror 20 and modulated in the LCD layer 18 is proportional to the voltage relief applied to the LCD layer 18 and, therefore, corresponds to the distribution of illumination in the input image. Thus, the incoherent image is converted to coherent (Kompanets I.N. et al. M. FIAN, 1979, N 114, pp. 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. The light reflected from the PVMS has two components, the first component is the light reflected from the glass substrate 16, which is linearly polarized, it is of no interest, and the light reflected from the dielectric mirror 20 and modulated in the LC layer 18 is elliptically polarized and carries useful information.

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. Polarizer 6 is configured so that light waves polarized linearly are completely damped by it. Thus, polaroid 6 acts as a filter element, highlighting the useful component from the total flow.

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. An interference pattern is created in the plane of the television camera 7, created by two coherent light sources, which are converted point images of the target, which are located on the PMSC 5. This picture is recorded using a television camera 7, the video signal from which goes to the computer 8, where it is processed and determined range to the object.

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).The interference pattern formed in the plane of the television camera is a system of alternating dark and light stripes. Such a periodic structure is characterized by a period d, which is determined by the expression (Holographic interferometry. M. Mir, 1982, pp. 20-21):
d (λ · l) b, (2) where λ is the wavelength of the used laser radiation;
l distance from PVMS 5 to the television camera 7;
b distance between coherent light sources (offset of two point images of the target).

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.Since the period d can be determined by processing the video signal, and the quantities λ and l are constants, the unknown value b in expression (2) is calculated by the formula
b (λl) / b. (3) The value of b is the displacement of two point images of the same object in the plane of the PMSC 5. It is proportional to the distance to the object of observation. Given the expressions (1) and (3), the range is calculated by the formula:
D (f · B) / (λ · l) · d (4) where (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. Therefore, to calculate the range, it is necessary to determine the period of the interference pattern d and to know the parameters f, B, λ, l of the optical scheme of the rangefinder.

Формула (4) решается в вычислителе 8. Formula (4) is solved in calculator 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. The positive effect is that with the help of the device it is possible to accurately measure the distance to various distant objects using a passive method. The instrumental error in determining the range is commensurate with the wavelength of the used laser radiation.

Claims

RANGE MEASUREMENT DEVICE containing two optical channels, each of which includes a first mirror, a lens and a second mirror, and a recording system, the mirrors in the channel are oriented so that the reflecting surfaces are directed towards each other and lie in parallel planes, the first mirrors are located at an angle of 45 ^o to the optical axis of the recording system, the second mirrors are at a basic distance from each other, and the lenses are placed so that they have a common focal plane, different In that it is equipped with a space-time light modulator (PVMS) with two optical inputs, an electrical input and an optical output sequentially mounted by a laser, a focusing lens, a micro diaphragm and a collimating lens, the micro diaphragm is located at the focal length from each of the lenses located along the optical axis with a laser forming an angle θ with the first optical input of the PVMS, the second input of which is aligned with the focal plane by the lens, the optical output of the PVMS is coupled through a polarizer to the system My registration, made of a television camera and a range calculator, PVMS is made in the form of a first glass substrate, a first transparent electrode, a liquid crystal layer, a gasket, a dielectric mirror, a semiconductor layer, a transparent dielectric layer, a second transparent electrode and a second glass substrates, the first and second electrodes form the PVMS electrical input connected to the power source, and the first and second glass substrates are respectively the first and second optical inputs of the PWMS.