RU2616437C1 - Optical sensory fabric structure - Google Patents
Optical sensory fabric structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616437C1 RU2616437C1 RU2015155489A RU2015155489A RU2616437C1 RU 2616437 C1 RU2616437 C1 RU 2616437C1 RU 2015155489 A RU2015155489 A RU 2015155489A RU 2015155489 A RU2015155489 A RU 2015155489A RU 2616437 C1 RU2616437 C1 RU 2616437C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- layer
- optical fibers
- fiber
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемая оптическая сенсорная ткань относится к технике построения пользовательских интерфейсов, встраиваемых в одежду, обувь и военное обмундирование, а также в иные объекты специфической формы. В робототехнике данное решение позволит «очувствить» манипуляторы и различные конструктивные поверхности.The proposed optical sensory fabric relates to techniques for constructing user interfaces that are embedded in clothing, shoes and military uniforms, as well as in other objects of a specific shape. In robotics, this solution will allow you to "feel" the manipulators and various structural surfaces.
По принципу функционирования, устройство сенсорной ткани может быть отнесено к системам активной оптической локации.According to the principle of functioning, the device of sensory tissue can be assigned to systems of active optical location.
Известен ряд устройств подобного назначения. Так фирмой STMicroelectronics (IT) запатентован емкостный тканый сенсор, реагирующий на давление, оказываемое пользователем на его поверхность [1].A number of devices for this purpose are known. So the company STMicroelectronics (IT) patented a capacitive woven sensor that responds to the pressure exerted by the user on its surface [1].
Фирмой Heimbach GmbH & Со (DE) запатентован текстильный продукт с интегрированным сенсором на основе пьезоэффекта, измеряющим давление и температуру [2].Heimbach GmbH & Co (DE) has patented a textile product with an integrated piezoelectric sensor that measures pressure and temperature [2].
Известен патент на текстильную структуру с интегрированным оптическим интерфейсом фирмы Electronics and Telecommunications Research Institute (KR) [3]. В этом устройстве оптоволоконные нити, вмонтированные в ткань, служат для организации коммуникации между мобильными устройствами.A patent is known for a textile structure with an integrated optical interface by Electronics and Telecommunications Research Institute (KR) [3]. In this device, fiber-optic threads mounted in a fabric serve to organize communication between mobile devices.
В патенте, принадлежащем Milliken & Company (US), предложена структура, состоящая из оптического волокна, проходящего через основной набор нитей, на краях которого размещены источник света и детектор [4]. Данное устройство позволяет определить точку воздействия пользователя на данную структуру с помощью измерения утечки света, происходящей при изменении изгиба волокна в месте касания. Недостаток данного устройства очевиден - низкая чувствительность, требующая больших изгибов оптоволокна, а следствие этого - погрешность, вызываемая его износом.In the patent, owned by Milliken & Company (US), a structure is proposed consisting of an optical fiber passing through the main set of filaments, at the edges of which a light source and a detector are placed [4]. This device allows you to determine the point of user exposure to this structure by measuring the light leakage that occurs when the fiber bend changes at the point of contact. The disadvantage of this device is obvious - low sensitivity, requiring large bends of the optical fiber, and the consequence of this is the error caused by its wear.
Имеется большое количество патентов, основанных на оптоволоконной технике, но которые, тем не менее, не позволяют получить гибкую сенсорную поверхность. Примерами могут служить патент фирмы Nitta Corporation (JP), в котором регистрируется касание входных апертур оптоволокон [5], и патент фирмы Nitto Denko Corporation (JP), построенный на основе оптических каналов, интегрированных в полимерную основу [6]. Аналогичный принцип представлен в патентах США [7], [8], [9], [10], [11] и [12]. Все они содержат по одному набору приемных и передающих световодов, причем выходные торцы передающих световодов оптически сопряжены с входными торцами приемных, к которым подводится ИК-излучение лазера или светодиода. Выходные торцы приемных световодов оптически связаны с фотоприемниками, или, как предложено в [13] - с фотодиодной матрицей.There are a large number of patents based on fiber optic technology, but which, nevertheless, do not allow to obtain a flexible touch surface. Examples are the patent of Nitta Corporation (JP), which records the contact of input apertures of optical fibers [5], and the patent of Nitto Denko Corporation (JP), built on the basis of optical channels integrated into the polymer base [6]. A similar principle is presented in US patents [7], [8], [9], [10], [11] and [12]. All of them contain one set of receiving and transmitting optical fibers, and the output ends of the transmitting optical fibers are optically coupled to the input ends of the receiving optical fibers, to which the infrared radiation of the laser or LED is supplied. The output ends of the receiving optical fibers are optically coupled to photodetectors, or, as suggested in [13], to a photodiode array.
Устройства, предложенные в патентах [14] и [15], имеют в своем составе гибкие пленки, на которых сформированы токонесущие электроды, однако их нельзя считать в полной мере «гибкими», т.к. придать их поверхности произвольную форму невозможно.The devices proposed in patents [14] and [15] incorporate flexible films on which current-carrying electrodes are formed, but they cannot be considered fully “flexible”, because it is impossible to give their surface an arbitrary shape.
Большой класс устройств, называемых «тактильными сенсорами», представлен перечисленными ниже патентами.A large class of devices called “tactile sensors” is represented by the patents listed below.
Так фирмами Seiko Epson Corporation (JP) предложен ультразвуковой тактильный сенсор [16], SynTouch (US) - губчатый материал, покрытый кожей, совмещенный с датчиком давления [17]. Фирмой Samsung Electronics Co., Ltd. (KR), запатентован гибкий тактильный сенсор на основе нанопроводников, размещенных на верхней и нижней пластинах, причем измеряя сопротивление между верхним массивом проводников и нижним, может определяться расстояние между ними и как следствие - приложенная сила и ее положение [18].So firms Seiko Epson Corporation (JP) proposed an ultrasonic tactile sensor [16], SynTouch (US) - a spongy material coated with leather, combined with a pressure sensor [17]. Samsung Electronics Co., Ltd. (KR), a flexible tactile sensor based on nanoconductors located on the upper and lower plates is patented, and by measuring the resistance between the upper array of conductors and the lower one, the distance between them can be determined and, as a result, the applied force and its position [18].
Massachusetts Institute of Technology (US) предложено устройство, состоящее из эластомера, подсвечиваемого внешним источником излучения [19, 20, 21]. При этом изменение геометрии эластомера в ответ на внешнее воздействие вызывает изменение отражения светового потока от эластомера в сторону фотоприемника. Наличие в составе эластомера непрозрачных мелкодисперсионных структур позволяет в процессе обработки сигнала фотоприемника определить положение воздействующей на эластомер силы и степень его деформации.Massachusetts Institute of Technology (US) proposed a device consisting of an elastomer illuminated by an external radiation source [19, 20, 21]. In this case, a change in the geometry of the elastomer in response to an external effect causes a change in the reflection of the light flux from the elastomer towards the photodetector. The presence of opaque finely dispersed structures in the elastomer allows the position of the force acting on the elastomer and the degree of its deformation to be determined during the processing of the photodetector signal.
В статье [22] рассмотрено построение оптоволоконных датчиков и сенсоров на основе изменения оптических потерь и длины волны проходящего через них излучения при деформациях и температуры.The article [22] considered the construction of fiber optic sensors and sensors based on changes in optical loss and wavelength of radiation passing through them under deformations and temperature.
В работе [23] рассмотрено построение тактильного сенсора на основе измерения потерь в оптоволокне, возникающих при его механической деформации.In [23], the construction of a tactile sensor based on measuring the losses in a fiber arising from its mechanical deformation was considered.
В работе [24] приведено описание тактильного сенсора, выполненного в виде четырехслойной структуры. Верхний и нижний слои не обладают оптическими свойствами и могут быть выполнены из тонкой проволоки. Второй и третий слои представляют собой оптоволокна (световоды) стандартного коммуникационного кабеля внешним диаметром 125 мкм и с сердцевиной диаметром 52 мкм и образуют квадратную сетку с ячейками от 2×2 до 6×6 мм. Входные торцы оптоволокон освещаются инфракрасными диодами, а выходные оптически сопряжены с фотоприемниками, подключенными к вычислительному устройству. Изменение оптического затухания в оптоволокнах, вызванное их деформацией при воздействии внешней силы, регистрируется вычислительным устройством. Таким образом, может быть определена координата приложения внешней силы к поверхности тактильного сенсора. Недостатком данного устройства является необходимость непосредственного приложения внешней силы к оптоволокнам, для обеспечения их деформации. Данное устройство наиболее близко по своему функционированию к предлагаемому и является его прототипом.In [24], a tactile sensor made in the form of a four-layer structure is described. The upper and lower layers do not have optical properties and can be made of thin wire. The second and third layers are optical fibers (optical fibers) of a standard communication cable with an external diameter of 125 μm and a core with a diameter of 52 μm and form a square grid with cells from 2 × 2 to 6 × 6 mm. The input ends of the optical fibers are illuminated by infrared diodes, and the output optically coupled to photodetectors connected to a computing device. A change in optical attenuation in optical fibers caused by their deformation when exposed to an external force is recorded by a computing device. Thus, the coordinate of applying an external force to the surface of the tactile sensor can be determined. The disadvantage of this device is the need for direct application of external force to the optical fibers, to ensure their deformation. This device is closest in its functioning to the proposed one and is its prototype.
Целью предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей, заключающихся в том, что оно позволяет определить координату объекта, до момента касания им сенсорной ткани. Таким образом, не требуется воздействие внешней силы для определения координаты. Это в свою очередь повышает надежность, устраняя возможность появления микротрещин в оптоволокне. В отличие от прототипа еще одной функциональной особенностью предложенного технического решения является способность одновременного измерения координат нескольких объектов, оказавшихся в пределах оптической связи с сенсорной тканью, а также габаритных характеристик объекта.The aim of the invention is to increase the functionality, which consists in the fact that it allows you to determine the coordinate of the object, until they touch the sensory tissue. Thus, no external force is needed to determine the coordinate. This in turn increases reliability by eliminating the possibility of microcracks in the fiber. In contrast to the prototype, another functional feature of the proposed technical solution is the ability to simultaneously measure the coordinates of several objects that are within the optical connection with sensory tissue, as well as the overall characteristics of the object.
Известно устройство [24], содержащее два слоя, перпендикулярно размещенных оптических световодов, в котором световоды первого слоя оптически связаны с излучателями, а световоды второго слоя оптически связаны с фотоприемниками. Кроме того, в состав этого устройства входит вычислитель, выходы которого подключены к излучателям, а входы, к выходам фотоприемникам.A device [24] is known that contains two layers perpendicular to optical fibers, in which the fibers of the first layer are optically coupled to the emitters and the fibers of the second layer are optically coupled to the photodetectors. In addition, the composition of this device includes a computer, the outputs of which are connected to the emitters, and the inputs to the outputs of the photodetectors.
Отличием предлагаемого технического решения от прототипа является то, что световоды относятся к классу световодов « бокового свечения», либо к люминесцентным, кроме того, на их поверхность нанесено поляризационное покрытие в виде регулярной структуры, состоящей из металлизированных полосок или проволоки, разделенных пространственным промежутком. Плоскость поляризации этой структуры должна быть выбрана вдоль или поперек центральной оси оптического волокна. Вместо металлизированных полос или проволоки на поверхности световодов могут быть выполнены треугольные нарезки, на одну из граней которых нанесено металлизированное покрытие.The difference between the proposed technical solution and the prototype is that the optical fibers belong to the class of “lateral glow” optical fibers or to fluorescent ones, in addition, a polarizing coating is applied to their surface in the form of a regular structure consisting of metallized strips or wires separated by a spatial gap. The plane of polarization of this structure should be selected along or across the central axis of the optical fiber. Instead of metallized strips or wire, triangular cuts can be made on the surface of the optical fibers, one of the faces of which is coated with a metallized coating.
Таким образом, неполяризованное излучение, входящее во входной торец световода первого слоя с помощью соответствующего излучателя, переизлучается его боковой поверхностью уже в поляризованном состоянии.Thus, unpolarized radiation entering the input end of the fiber of the first layer using the corresponding emitter is reradiated by its lateral surface already in a polarized state.
На основании принципа обратимости световых лучей световод, обладающий свойством светимости внешней поверхности, концентрирует падающее на него излучение в сердцевину, и далее перемещает его к своим торцам. Кроме того, наличие на поверхности световода поляризационной структуры гасит излучение, напрямую попадающее на эту поверхность от световодов первого слоя, т.к. направления поляризации этих слоев взаимно перпендикулярны.Based on the principle of reversibility of light rays, a fiber with the property of luminosity on the outer surface concentrates the radiation incident on it in the core, and then moves it to its ends. In addition, the presence of a polarization structure on the surface of the optical fiber damps the radiation directly incident on this surface from the optical fibers of the first layer, because The polarization directions of these layers are mutually perpendicular.
Появление на пути излучений, формируемых световодами первого слоя, объекта контроля, вызывает отражение падающего на него излучения, в том числе частично в сторону световодов второго слоя. Распространяясь по сердцевине, часть этого излучения достигает торца и попадает на поверхность соответствующего фотоприемника.The appearance on the path of the radiation generated by the optical fibers of the first layer, the object of control, causes the reflection of the radiation incident on it, including partially in the direction of the optical fibers of the second layer. Propagating through the core, part of this radiation reaches the end and enters the surface of the corresponding photodetector.
Вычислитель формирует на своих выходах сигналы последовательного включения излучателей, создаваемые при этом потоки поляризованного излучения сканируют пространство над сенсорной тканью. Осуществляя синхронный с каждым включением излучателя ввод сигналов фотоприемников, оптически связанных с световодами второго слоя (всех фотоприемников для каждого включенного излучателя), и последующую обработку этих сигналов, можно определить положение одного или нескольких контролируемых объектов, либо объекта сложной топологии, отражающих излучение в сторону световодов второго слоя.The computer generates at its outputs signals of successive switching on of emitters, while the streams of polarized radiation created by this scan the space above the sensor tissue. By simultaneously synchronizing with each switching on of the emitter, the input of photodetector signals optically coupled to the fibers of the second layer (all photodetectors for each switched-on emitter) and subsequent processing of these signals, it is possible to determine the position of one or more monitored objects, or an object of complex topology, reflecting radiation towards the optical fibers second layer.
Иными словами, положение объекта контроля, находящегося в зоне оптической локации предлагаемой сенсорной тканью, может быть однозначно локализовано.In other words, the position of the control object located in the optical location zone of the proposed sensor tissue can be uniquely localized.
Функционирование и устройство предлагаемой оптической сенсорной ткани иллюстрируется следующими фигурами:The functioning and device of the proposed optical sensory tissue is illustrated by the following figures:
Фиг. 1 - функциональная схема оптической сенсорной ткани, где:FIG. 1 is a functional diagram of an optical sensory tissue, where:
1 - световоды первого слоя;1 - optical fibers of the first layer;
2 - световоды второго слоя;2 - fibers of the second layer;
3 - оптические излучатели;3 - optical emitters;
4 - фотоприемники;4 - photodetectors;
5 - вычислитель;5 - calculator;
6 - объект контроля;6 - control object;
μ - оптическая связь объекта контроля 6 с световодом 1;μ - optical connection of the
ν - оптическая связь объекта контроля 6 с световодом 2.ν - optical connection of the
Фиг. 2 - первый вариант исполнения световодов, где:FIG. 2 - the first embodiment of the optical fibers, where:
7 - сердцевина световода;7 - the core of the fiber;
8 - рассеивающий слой;8 - scattering layer;
9 - защитная оболочка;9 - a protective shell;
10 - поляризационный слой;10 - polarization layer;
11 - металлизированная полоска;11 - metallized strip;
М - увеличенное изображение фрагмента поляризационного слоя;M is an enlarged image of a fragment of the polarization layer;
ξ - шаг размещения металлизированных полосок;ξ is the step of placing metallized strips;
С - оптическая ось (осевая линия) световода;C is the optical axis (center line) of the fiber;
D - окружность с центром на С и перпендикулярная ей;D is a circle centered on C and perpendicular to it;
ΨT - направление входного или выходного оптических потоков;Ψ T is the direction of the input or output optical streams;
, , , - направления поляризации выходного или входного оптического потока. , , , - polarization directions of the output or input optical stream.
Фиг. 3 - второй вариант исполнения световода, где:FIG. 3 - the second embodiment of the fiber, where:
, , , - направления поляризации выходного или входного оптического потока, , , , - polarization directions of the output or input optical stream,
е - поверхность цилиндра, описанная вокруг оси С.e is the surface of the cylinder described around axis C.
Фиг. 4 - третий вариант исполнения световода, где:FIG. 4 - the third embodiment of the fiber, where:
12 - канавки треугольного профиля.12 - grooves of a triangular profile.
Фиг. 5 - четвертый вариант исполнения световода.FIG. 5 - the fourth embodiment of the fiber.
Фиг. 6 - пятый вариант исполнения световода, где:FIG. 6 - the fifth embodiment of the fiber, where:
13 - внешняя оболочка.13 - the outer shell.
Фиг. 7 - шестой вариант исполнения световода.FIG. 7 - the sixth embodiment of the fiber.
Фиг. 8 - геометрическая схема активной локации объекта 6, где:FIG. 8 is a geometric diagram of the active location of the
1a - а-й световод первого слоя;1 a - a-th fiber of the first layer;
2b - b-й световод второго слоя;2 b - b-th fiber of the second layer;
Фа - оптический поток, излучаемый а-м световодом первого слоя;F a - optical flux emitted by the a-m optical fiber of the first layer;
ϕa - оптический поток, отраженный объектом контроля 6;ϕ a is the optical flux reflected by the
ϕb - оптический поток, падающий на поверхность b-го световода второго слоя.ϕ b is the optical flux incident on the surface of the b-th fiber of the second layer.
Фиг. 9 - временная диаграмма сигналов вычислителя 5, где:FIG. 9 is a timing diagram of the signals of the
Ta-1, Та, Ta+1, … Тω - сигналы включения u-1, u, u+1, … ω излучателей;T a-1 , T a , T a + 1 , ... T ω - turn-on signals u-1, u, u + 1, ... ω emitters;
P(s, а-1), P(s, a), P(s, а+1), P(s, ω) - сигналы фотоприемников s=1…p, при включенных а-1, а, а+1, … ω излучателях соответственно.P (s, a-1), P (s, a), P (s, a + 1), P (s, ω) are the photodetector signals s = 1 ... p, with a-1, a, a + turned on 1, ... ω emitters, respectively.
Фиг. 10 - изображение функции P(s, u) в 3D виде.FIG. 10 is a 3D image of the function P (s, u).
Фиг. 11 - геометрическая схема активной локации объекта контроля сложной топологии, где:FIG. 11 is a geometric diagram of the active location of the control object of complex topology, where:
61, 62, 63, 64, 65 - 1…5-й фрагменты объекта контроля 6;6 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 , 6 5 - 1 ... 5th fragments of the
14 - оптическая сенсорная ткань.14 - optical sensory tissue.
Фиг. 12 - изображение функции P(s, u) в 3D виде для объекта контроля сложной топологии, где:FIG. 12 is a 3D image of the function P (s, u) for an object of control of complex topology, where:
P1(s, u), P2(s, u), P3(s, u), P4(s, u), P5(s, u) - 1…5-ая области функции P(s, u), соответствующие фрагментам объекта 6.P 1 (s, u), P 2 (s, u), P 3 (s, u), P 4 (s, u), P 5 (s, u) - 1 ... 5th domain of the function P (s , u) corresponding to fragments of
Фиг. 13 - вариант геометрического расположения первого и второго слоев световодов над поглощающим излучение материалом, где:FIG. 13 is a variant of the geometric arrangement of the first and second layers of optical fibers above the radiation absorbing material, where:
15 - поглощающая тканая прокладка;15 - absorbent woven pad;
16 - скрепляющее волокно;16 - fastening fiber;
17 - основание.17 - base.
Фиг. 14 - иллюстрация расположения первого и второго слоев световодов между тканой прокладкой, где:FIG. 14 is an illustration of the location of the first and second layers of optical fibers between the woven strip, where:
18 - непрозрачная тканая прокладка.18 - opaque woven pad.
Фиг. 15 - иллюстрация переплетения световодов первого и второго слоев.FIG. 15 is an illustration of the interweaving of the optical fibers of the first and second layers.
Фиг. 16 - иллюстрация клеевого крепления световодов первого и второго слоев, где:FIG. 16 is an illustration of the adhesive fastening of the optical fibers of the first and second layers, where:
19 - клеевое соединение.19 - adhesive bonding.
Фиг. 17 - иллюстрация экранирования соседних световодов с помощью дополнительного волокна, где:FIG. 17 is an illustration of the shielding of adjacent fibers using an additional fiber, where:
20 - экранирующее волокно;20 - shielding fiber;
Пa, а+1 - паразитное излучение;P a, a + 1 - spurious radiation;
Sa, a+1 - теневой сегмент.S a, a + 1 - shadow segment.
Фиг. 18 - фрагмент оптической сенсорной ткани, дополненной экранирующими волокнами.FIG. 18 is a fragment of an optical sensory tissue supplemented with shielding fibers.
Фиг. 19 - применение непрозрачной оплетки на свободных участках световодов, где:FIG. 19 - the use of an opaque braid on free sections of optical fibers, where:
20 - свободный участок световода,20 - free section of the fiber,
21 - внешняя оплетка световода,21 - the outer braid of the fiber,
22 - печатная плата.22 - printed circuit board.
Фиг. 20 - применение оптоволокна с торцевым свечением на свободных участках световодов, где:FIG. 20 - the use of fiber optic with end glow in free sections of the optical fibers, where:
23 - оптическое волокно с торцевым свечением,23 - optical fiber with end glow,
24 - сварное или клеевое соединение волокон.24 - welded or adhesive bonding of fibers.
Фиг. 21 - пример увеличения потока излучения световодов первого слоя, где:FIG. 21 is an example of increasing the radiation flux of the optical fibers of the first layer, where:
25 - группа параллельно размещенных световодов первого слоя.25 - a group of parallel placed optical fibers of the first layer.
Фиг. 22 - пример повышения чувствительности второго слоя световодов, где:FIG. 22 is an example of increasing the sensitivity of the second layer of optical fibers, where:
26 - группа параллельно размещенных световодов второго слоя.26 - a group of parallel placed optical fibers of the second layer.
Фиг. 23 - световоды, размещенные группами в первом и втором слоях.FIG. 23 - optical fibers placed in groups in the first and second layers.
Фиг. 24 - фрагмент многолинзового покрытия, где:FIG. 24 is a fragment of a multi-lens coating, where:
27 - линза (конденсор);27 - lens (condenser);
28 - опорное покрытие;28 - supporting coating;
О - оптический центр линзы 27;O is the optical center of the
ƒ - фокусное расстояние линзы 27;ƒ is the focal length of the
DC - диаметр линзы 27;D C is the diameter of the
DB - диаметр световода 1;D B - the diameter of the
σ - фрагмент излучаемой поверхности;σ is a fragment of the emitted surface;
σΛ - изображение σ;σ Λ - image of σ;
χ - изображение σΛ.χ - image of σ Λ .
Фиг. 25 - пример оптической сенсорной ткани с использованием «линзовой матрицы».FIG. 25 is an example of an optical sensory tissue using a “lens array”.
Устройство и функционирование оптической сенсорной ткани иллюстрируется на фиг. 1.The arrangement and functioning of the optical sensory tissue is illustrated in FIG. one.
Два слоя оптических световодов 1 и 2 размещены перпендикулярно друг другу, один слой над другим. Будем считать далее слой 1 - верхним, а слой 2 - нижним, причем верхний слой расположен со стороны, в которой расположен объект контроля 6, а слой 2 обращен к объекту, на котором размещается данная ткань. Торцы световодов верхнего слоя 1 оптически связаны с излучателями 3, а торцы световодов нижнего слоя 2 оптически связаны с фотоприемниками 4.Two layers of
Световоды, используемые в предлагаемой сенсорной ткани, обладают кроме прочего, известным свойством светимости боковой поверхности.The optical fibers used in the proposed sensor tissue have, among other things, the well-known property of the luminosity of the side surface.
Данный тип световодов испускает свечение с внешней стороны волокна, при направлении светового потока в его центральную часть. Известны волокна, обладающие данным свойством - это так называемые «люминесцентные оптические волокна» [25]. Материал этих волокон в процессе производства легирован соответствующим активным материалом. Излучение, входящее поперечно в световод, взаимодействует с присадками в сердцевине. Возникающее при этом оптическое излучение, которое в принципе является изотропным, генерируется, если длина волны возбуждающего излучения соответствует характеристикам поглощения примеси.This type of fiber emits light from the outside of the fiber, when the light stream is directed to its central part. Known fibers with this property are the so-called "luminescent optical fibers" [25]. The material of these fibers during the production process is doped with the corresponding active material. Radiation entering transversely into the fiber interacts with additives in the core. The resulting optical radiation, which in principle is isotropic, is generated if the wavelength of the exciting radiation corresponds to the absorption characteristics of the impurity.
Большое распространение получили световоды бокового свечения, выполненные на основе полимерных материалов, так называемые POF [26].The lateral emission fibers made on the basis of polymeric materials, the so-called POFs, are widely used [26].
Данный тип световодов состоит из сердцевины, по которой распространяется введенное в световод излучение, рассеивающий слой, содержащий дисперсионный материал, рассеивающий излучение, частично проникающее в этот слой из сердцевины, и защитную оболочку.This type of optical fiber consists of a core through which the radiation introduced into the optical fiber propagates, a scattering layer containing dispersion material, scattering radiation, partially penetrating into this layer from the core, and a protective sheath.
Однако известные световоды не обладают свойством поляризации излучения, испускаемого боковой поверхностью либо падающего на нее.However, the known optical fibers do not have the property of polarizing the radiation emitted by the side surface or incident on it.
Для придания этого свойства предлагается следующее. На поверхность световодов наносится поляризационный слой в виде регулярной структуры, состоящей из металлизированных полосок или проволоки, разделенных пространственным промежутком - так называемый «Metal mesh based components» [27, 28, 29, 30]. На фиг. 2 изображен фрагмент световодов 1 и 2, с нанесенным на них поляризационным слоем.To impart this property, the following is proposed. A polarizing layer is applied to the surface of the optical fibers in the form of a regular structure consisting of metallized strips or wires separated by a spatial gap - the so-called “Metal mesh based components” [27, 28, 29, 30]. In FIG. 2 shows a fragment of
Пример выполнения данного типа поляризатора, нанесенного на плоскую поверхность, описан в [27, стр. 89-90].An example of the implementation of this type of polarizer deposited on a flat surface is described in [27, p. 89-90].
Неполяризованный световой поток излучателя 3 входит в торец световода 1 и распространяется по его сердцевине 7. Далее, частично рассеиваясь слоем 8, входя и распространяясь в защитной оболочке 9, проходит через поляризационный слой 10, нанесенный на внешнюю поверхность защитной оболочки 9, приобретая свойство поляризованного.The unpolarized luminous flux of the
Увеличенное изображение поляризационного слоя 10 изображено в виде выноски М. Он состоит их металлизированных полосок 11, нанесенных на защитную оболочку и параллельных оптической оси С, шаг между которыми ξ, меньше рабочей (входящей в поляризатор от излучателя 4) длины волны λ. показывает направление поляризации излучаемого световодом 1 оптического потока.An enlarged image of the
Таким образом, учитывая симметричное расположение металлизированных полосок 11 относительно оптической оси С световода, с поверхности световода 1 излучается световой поток, направление поляризации которого также симметрично оптической оси С.Thus, taking into account the symmetrical arrangement of the metallized strips 11 relative to the optical axis C of the fiber, a light flux is emitted from the surface of the
На фиг. 3 изображен фрагмент световода 1, с нанесенным на него поляризатором данного типа, отличие которого от представленного на фиг. 2 состоит в направлении металлизированных полосок 11, перпендикулярных направлению оптической оси С, и соответственно в направлении вектора поляризации .In FIG. 3 shows a fragment of
Для него также справедливо, что учитывая симметричное расположение металлизированных полосок 11 относительно оптической оси С световода, с поверхности световода 1 излучается световой поток, направления поляризации которого симметрично оптической оси С, и лежат на поверхности цилиндра е, боковая поверхность которого параллельна оптической оси С.It is also true for him that, given the symmetrical arrangement of the metallized strips 11 relative to the optical axis C of the fiber, a light flux is emitted from the surface of the
Для формирования оптического поляризатора на поверхность световода бокового свечения может быть также нанесена структура, аналогичная описанной в [30] и изображенная на фиг. 4. Этот тип поляризационного слоя формируется нанесением на защитный слой 9 канавок треугольного профиля 12, на одну из граней которого наносится металлизированное покрытие 11.To form an optical polarizer, a structure similar to that described in [30] and depicted in FIG. 4. This type of polarization layer is formed by applying onto the
На фиг. 5 изображена структура, почти аналогичная изображенной на фиг. 4, с отличающимся направлением нанесения канавок треугольного профиля 12 и соответственно направлением вектора поляризации .In FIG. 5 shows a structure almost similar to that shown in FIG. 4, with a different direction of grooving of the
На фиг. 6 изображен световод, в котором поляризационный слой 10 нанесен непосредственно на рассеивающий слой 8, а защитный слой 9 поверх поляризационного. Это увеличивает надежность поляризационного слоя при механических воздействиях на световод. Появление дополнительного преломляющего промежутка - толщины защитного слоя 9, может незначительно поворачивать направление поляризации преломленных лучей, проходящих через него. Однако для лучей, падающих со световодов первого слоя на световоды второго слоя, имеющие аналогичный преломляющий промежуток, происходит возвращение угла поляризации к первоначальному, задаваемому направлением металлизированных полосок 11.In FIG. 6 shows a light guide in which a
На фиг. 7 изображен вариант, отличающийся от изображенного на фиг. 6 направлением поляризационных полосок 11.In FIG. 7 shows a variant different from that shown in FIG. 6 by the direction of the polarization strips 11.
Для изготовления поляризатора, нанесенного на боковую поверхность световода, может быть применена технология производства, принадлежащая ВМФ США [31], основанная на голографическом формировании изображений параллельных элементов на поверхности материала, обработанного фоторезистом.For the manufacture of a polarizer deposited on the side surface of a fiber, a manufacturing technology owned by the US Navy [31] based on the holographic formation of images of parallel elements on the surface of a material treated with photoresist can be applied.
Таким образом, неполяризованное излучение, входящее во входной торец световода первого слоя, переизлучается его боковой поверхностью уже в поляризованном состоянии. Можно отметить, что в случае использования поляризованного излучения, входящего во входной торец световода первого слоя, оно, в ходе многократного переотражения в сердцевине 7, деполяризуется, что в любом случае требует наличия на световоде поляризационного слоя 10.Thus, unpolarized radiation entering the input end of the fiber of the first layer is reradiated by its lateral surface already in a polarized state. It can be noted that in the case of using polarized radiation entering the input end of the fiber of the first layer, it is depolarized during repeated reflection in the
Как было сказано выше, световоды 1 и 2 аналогичны друг другу, т.е. имеют одинаковый поляризационный слой 10. При этом световод, обладающий свойством светимости внешнего слоя, по закону обратимости световых лучей, изложенному например в [32, стр. 255], будет концентрировать падающее на его поверхность излучение в сердцевину, по которой излучение распространится к его торцу. Использование этого свойства рассмотрено в работе [25 р. 210, 213]. Там же на fig. 8.6 представлено устройство для определения размера объекта, тень которого падает на оптический аттенюатор, выполненный на основе флюоресцирующего оптоволокна, т.е. принципиально волокна бокового свечения.As mentioned above,
Направления поляризации и определяют оси, в направлении которых поглощение излучения практически отсутствует, т.е. так называемые «оси свободного пропускания» [33, стр. 362].Polarization directions and determine the axes in the direction of which radiation absorption is practically absent, i.e. the so-called "axis of free transmission" [33, p. 362].
Для поляризационного покрытия 10, изображенного на фигурах 2, 4 или 6, оси свободного пропускания будут расположены перпендикулярно центральной оптической оси С, световодов 1 или 2, образуя касательные к поверхности поляризационного покрытия 10. Либо, как изображено на фиг. 2, эти оси, например , , , образуют касательные к окружности D, выходящей за пределы боковой поверхности световода, причем центр D расположен на оптической оси С.For the
Для поляризационного покрытия 10, изображенного на фигурах 3, 5 или 7, оси свободного пропускания будут расположены параллельно центральной оптической оси С, световодов 1 или 2. На фиг. 3 эти оси, например , , , как было отмечено выше, лежат на поверхности цилиндра е, боковая поверхность которого параллельна оптической оси С.For the
Поляризационное покрытие 10 оптоволокон первого слоя поглощает электрическую компоненту EX оптического излучения, исходящего из сердцевины 7 световода 1, параллельную металлизированным полоскам 11, образующим поляризационное покрытие 10. В результате, оптический поток, исходящий с поверхности световода 1 приобретает поляризацию, перпендикулярную направлению металлизированных полосок 11.The
Поляризационное покрытие 10 оптоволокон второго слоя поглощает поляризованное излучение, напрямую падающее на него от световодов первого слоя, т.к. направления поляризации этих слоев - или взаимно перпендикулярны, что определено перпендикулярным расположением световодов 1 и 2 в оптической сенсорной ткани. Таким образом, отсекается паразитное, не несущее полезной информации излучение. В данном контексте «полезную информацию» несет излучение, отраженное от объекта контроля.The
Если поверхность объекта контроля 6 не обладает свойством анизотропии и зеркальностью, отраженное от него излучение теряет свойство полностью поляризованного [32, глава XXIII]. В результате, излучение, с электрической компонентой EY, перпендикулярной направлениям металлизированных полосок 11 поляризационной поверхности 10, и с соответствующей ей магнитной компонентой, достигает сердцевины 7 световода 2. Далее, распространяясь по ней и деполяризуясь (в результате многократных внутренних отражений), оптическое излучение достигает торца световода и попадает на поверхность оптически связанного с ним фотоприемника 4.If the surface of the
На фиг. 8 иллюстрируется процесс активной оптической локации объекта 6 предложенным устройством, причем энергетический центр падающего на объект контроля 6 излучения находится над точкой пересечения световодов 1а и 2b. При этом излучение Фа, формируемое а-м световодом первого слоя 1а, поляризовано в направлении, обозначенном Е1. Далее часть Фа, отражается от объекта контроля 6, в виде деполяризованного, с направлениями Е6 излучения ϕа, направленного в сторону b-го световода 2b. Оптический поток ϕb, являющийся частью оптического потока ϕа, и достигший поверхности световода 2b, проходит через поляризующую поверхность 10, достигает сердцевины 7 световода 2b, и распространяется к его торцу, достигая далее фотоприемника 4b.In FIG. 8 illustrates the process of active optical location of the
На фиг. 9 изображены временные диаграммы, иллюстрирующие работу предложенного устройства, содержащего ω оптоволокон первого слоя и ρ оптоволокон второго слоя. Сигнальная комбинация, представленная на этой фигуре, соответствует объекту контроля, находящемуся на пересечении а-го световода первого слоя и b-го световода второго слоя.In FIG. 9 is a timing diagram illustrating the operation of the proposed device comprising ω optical fibers of the first layer and ρ optical fibers of the second layer. The signal combination shown in this figure corresponds to the control object located at the intersection of the a-th fiber of the first layer and the b-fiber of the second layer.
На первой временной диаграмме а) изображен сигнал Ta-1 включения излучателя номер а-1, вырабатываемый вычислителем 5. Для этой ситуации, на диаграмме е) изображен сигнал P(s, a-1), который представляет амплитуды фотоприемников (1…ρ).The first time diagram a) shows the signal T a-1 of switching on the emitter number a-1, generated by the
На временной диаграмме b) изображен сигнал Та включения излучателя номер u. Для этой ситуации, на диаграмме f) изображен сигнал P(s, а), который представляет амплитуды тех же фотоприемников (1…ρ), с максимумом в точке а, т.е. при подсветке объекта контроля 6 излучением а-го световода первого слоя.The timing diagram b) shows the signal T and the inclusion of the emitter number u. For this situation, diagram f) shows the signal P (s, a), which represents the amplitudes of the same photodetectors (1 ... ρ), with a maximum at point a, i.e. when illuminating the object of
На временной диаграмме с) изображен сигнал Ta+1 включения излучателя номер u+1. Для этой ситуации, на диаграмме g) изображен сигнал P(s, а+1), который представляет амплитуды тех же фотоприемников (1…ρ).The time diagram c) shows the signal T a + 1 switching on the emitter
На временной диаграмме d) изображен сигнал Тω включения излучателя номер ω. Для этой ситуации, на диаграмме h) изображен сигнал P(s, ω), который представляет амплитуды тех же фотоприемников (1…ρ).The timing diagram d) shows the signal T ω of turning on the emitter number ω. For this situation, diagram h) shows the signal P (s, ω), which represents the amplitudes of the same photodetectors (1 ... ρ).
На фиг. 10 изображен пример сигнальной функции P(s, u), для объекта контроля 6.In FIG. 10 shows an example of the signal function P (s, u), for the
Так как объект контроля 6 находится наиболее близко к световодам a и b первого и второго уровня соответственно, функция P(s, u) имеет экстремум в точке (a, b).Since the
Таким образом, для определения положения объекта контроля 6 относительно первого и второго световодных слоев, вычислитель 5, вводит в память сигналы фотоприемников (1…ρ) для каждого излучателя (1…ω) и строит множество функций:Thus, to determine the position of the
где: P(s, u) - амплитуда сигнала s-го фотоприемника, при включенном u-м излучателе,where: P (s, u) is the amplitude of the signal of the s-th photodetector, with the u-th emitter turned on,
ω - количество световодов первого слоя,ω is the number of optical fibers of the first layer,
ρ - количество световодов второго слоя;ρ is the number of optical fibers of the second layer;
Координаты объекта контроля 6 могут быть определены из уравнения:The coordinates of the
где: s*, u* - номера световодов первого и второго слоев, над которыми находится энергетический центр излучения объекта контроля 6.where: s *, u * are the numbers of the optical fibers of the first and second layers, above which is the energy center of radiation of the
При наличии над световодными слоями 1 и 2 объекта сложной формы, например кисти руки с пальцами, обращенными в сторону сенсорной ткани, в функции (1), функция P(s, u) будет иметь несколько локальных экстремумов, зависящих от геометрического расположения пальцев.If there is an object of complex shape over the light guide layers 1 and 2, for example, a hand with fingers facing the sensory tissue, in function (1), the function P (s, u) will have several local extrema, depending on the geometric arrangement of the fingers.
Геометрическая схема этой ситуации изображена на фиг. 11.A geometric diagram of this situation is shown in FIG. eleven.
На кисти руки выделены фрагменты пальцев - 61…65, кончики которых находятся на расстояниях h1, h2, h3, h4, h5 от сенсорной ткани 14.Finger fragments - 6 1 ... 6 5 , the tips of which are located at distances h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , h 5 from the
Величина переотраженных излучений с поверхностей 61…65 зависит от их отражающей способности, а освещенность, создаваемая этими излучениями на поверхностях световодов, еще и от усредненного расстояния до них. Значения сигналов фотоприемников 4 изображены на фиг. 12 и образуют области:The magnitude of the reflected radiation from the
P1(s, u), P2(s, u), P3(s, u), P4(s, u), P5(s, u),P 1 (s, u), P 2 (s, u), P 3 (s, u), P 4 (s, u), P 5 (s, u),
соответствующие фрагментам 61…65.corresponding to
Точки локальных экстремумов функции P(s, u):Points of local extrema of the function P (s, u):
являются характеристиками положения объекта 6, относительно оптической сенсорной ткани, где n - максимальное количество локальных максимумов функции P(s, u).are characteristics of the position of
При размещении оптической сенсорной ткани на отражающем основании 17, возможно появление паразитных засветок, вызванных переотражением излучения световодов первого слоя, в сторону световодов второго слоя.When placing the optical sensor tissue on a
Для исключения этого под световодами второго слоя может быть размещен третий слой в виде тканой прокладки, поглощающей световой поток, формируемый первым слоем в направлении основания.To avoid this, a third layer can be placed under the optical fibers of the second layer in the form of a woven strip absorbing the light flux formed by the first layer in the direction of the base.
На фиг. 13 приведено размещение первого 1 и второго 2 слоев над тканой прокладкой 15. При этом тканая прокладка 15 обеспечивает поглощение той части излучения Фа, которая направлена в сторону основания 17, и препятствует его дальнейшему переотражению в сторону световодов второго слоя 2. Для крепления световодов первого и второго слоев к третьему слою используется скрепляющее волокно 16.In FIG. 13 shows the placement of the first 1 and second 2 layers over the woven
Кроме того, может быть использован третий слой, непрозрачный для излучения формируемого световодами первого слоя и размещаемый между первым и вторым слоями.In addition, a third layer can be used that is opaque to the radiation generated by the first layer of fibers and placed between the first and second layers.
На фиг. 14 иллюстрируется размещение такого слоя 18, выполненного в виде непрозрачной тканой прокладки. Первый и второй слои пересекаются на отдельных участках, образуя сквозные пересечения непрозрачной тканой прокладки 18. При этом излучение от световодов первого слоя 1 может отражаться основанием 17, однако это излучение, благодаря непрозрачной тканой прокладке 18, не достигает световодов 2 слоя.In FIG. 14 illustrates the placement of such a
Для увеличения механической прочности и фиксации расположения световодов первого 1 и второго 2 слоев может быть выполнено их переплетение, как изображено на фиг. 15.To increase the mechanical strength and fix the location of the optical fibers of the first 1 and second 2 layers, their interweaving can be performed, as shown in FIG. fifteen.
Кроме того, скрепление световодов первого и второго слоев может быть осуществлено их клеевым креплением. Иллюстрация такого способа приведена на фиг. 16. На ней изображен фрагмент оптической сенсорной ткани, на которой точки пересечения световодов скреплены клеевым соединением 19.In addition, the fastening of the optical fibers of the first and second layers can be carried out by their gluing. An illustration of such a method is shown in FIG. 16. It depicts a fragment of the optical sensory tissue, on which the intersection points of the optical fibers are fastened with an adhesive joint 19.
При достаточно близком взаимном расположении световодов 1 первого слоя возможно проникновение оптического потока излучающего световода, в соседний с ним световод этого же слоя. Далее световод, в который проникло это излучение, будет частично переизлучать его, в том числе в сторону объекта контроля 6, что может повлиять на точность определения положения объекта контроля. Для исключения этого дополнительно может быть введена, по крайней мере одна нить из материала, непрозрачного для данного излучения, расположенная между соседними световодами первого слоя.With a fairly close mutual arrangement of the
Сказанное иллюстрируется на фиг. 17. Паразитное излучение Па,а+1, направленное от световода 1а сторону световода 1a+1, перегораживается экранирующим волокном 19, выполненным из оптически непрозрачного материала. При этом теневой сегмент Sa,a+1 с запасом перекрывает световод 1a+1.The foregoing is illustrated in FIG. 17. Spurious radiation Pa , a + 1 , directed from the
На фиг. 18 изображен фрагмент оптической сенсорной ткани, дополненной для большего эффекта двумя непрозрачными для излучения экранирующими волокнами 19.In FIG. 18 shows a fragment of an optical sensor tissue supplemented for greater effect by two radiation-shielding
Для упрощения монтажа оптической сенсорной ткани предлагается обеспечить возможность объединения световодов первого и второго слоев в единый жгут. Параллельное расположение неиспользуемых участков световодов, т.е. тех отрезков световодов, которые не создают ортогональную структуру оптической сенсорной слоя со световодами второго слоя, ведет к проникновению поляризованного излучения с поверхности первых во вторые. Для исключения этого необходимо обеспечить экранирование каждого световода первого слоя непрозрачной для излучений оплеткой.To simplify the installation of optical sensor tissue, it is proposed to provide the possibility of combining the optical fibers of the first and second layers into a single bundle. Parallel arrangement of unused sections of optical fibers, i.e. those segments of optical fibers that do not create the orthogonal structure of the optical sensor layer with optical fibers of the second layer, leads to the penetration of polarized radiation from the surface of the first to the second. To avoid this, it is necessary to provide shielding of each fiber of the first layer with an opaque braid for radiation.
Сказанное иллюстрируется на фиг. 19. Наличие на свободном участке 20 непрозрачной оплетки 21 исключает проникновение поляризованного излучения с боковой поверхности свободного участка световода в боковую поверхность световодов второго слоя. Наличие непрозрачной оплетки 21 позволяет увеличить расстояние от оптической сенсорной ткани 14 до печатной платы 22 с установленными на ней излучателями 3 и фотоприемниками 4.The foregoing is illustrated in FIG. 19. The presence of an
Для исключения взаимного проникновения излучений, принятых боковой поверхностью определенного световода второго слоя, в соседний световод этого же слоя непрозрачная оплетка может также присутствовать и на неиспользуемых участках световодов второго слоя.To prevent mutual penetration of radiation received by the lateral surface of a particular fiber of the second layer into an adjacent fiber of the same layer, an opaque sheath may also be present in unused sections of the fibers of the second layer.
Повысить энергетическую эффективность оптической сенсорной ткани возможно, исключив оптические потери на неиспользуемых участках световодов, т.е. на подводящих участках от печатной платы с расположенными на ней излучателями и фотоприемниками до места расположения оптической сенсорной ткани. Потери возникают как в световодах 1 первого слоя, так и в световодах 2 второго слоя. В первом случае происходит паразитное излучение не в пределах расположения сенсорной ткани, уменьшающее мощность зондирующего излучения. Во втором случае излучение, переотраженное объектом контроля на боковую поверхность световода в пределах сенсорной ткани, переизлучается этой же поверхностью в процессе распространения излучения по сердцевине световода, уменьшая величину регистрируемого фотоприемником сигнала.It is possible to increase the energy efficiency of optical sensor tissue by eliminating optical losses in unused sections of optical fibers, i.e. in the supply areas from the printed circuit board with emitters and photodetectors located on it to the location of the optical sensor tissue. Losses occur both in the
Для исключения этих потерь могут применяться так называемые оптические волокна торцевого свечения [34], либо известные одно- или многомодовые телекоммуникационные оптические волокна. В этих волокнах потери, связанные с излучением их боковой поверхности, сведены к минимуму.To eliminate these losses, the so-called end-face optical fibers [34] or the well-known single- or multimode telecommunication optical fibers can be used. In these fibers, the losses associated with the emission of their lateral surface are minimized.
На фиг. 20 иллюстрируется применение на неиспользуемых участках световодов первого и второго слоев волокон торцевого свечения 23. Для сопряжения волокон бокового свечения с волокнами торцевого свечения может использоваться сварное, либо клеевое соединение, обозначенное фрагментами 24.In FIG. 20 illustrates the use of the first and second layers of
Для повышения мощности оптического потока, излучаемого в сторону объекта контроля 6, могут использоваться группы из параллельно размещенных световодов первого слоя, как изображено на фиг. 21. Каждая группа 25 световодов 1 оптически связана с соответствующим излучателем 3. Благодаря увеличению эффективной площади излучаемой поверхности может быть соответственно увеличена мощность используемых излучателей 4.To increase the power of the optical stream radiated towards the
Увеличение эффективной площади световодов второго слоя дает соответствующий прирост чувствительности к отраженному от объекта контроля 6 излучению. Как изображено на фиг. 22, для этого могут использоваться группы 26 из параллельно размещаемых световодов 2 второго слоя.An increase in the effective area of the optical fibers of the second layer gives a corresponding increase in sensitivity to radiation reflected from the
На фиг. 23 приведен пример исполнения оптической сенсорной ткани со световодами, размещенными группами 25 и 26, как в первом, так и во втором слоях.In FIG. 23 shows an example of an optical sensor fabric with optical fibers placed in
Для повышения эффективности работы оптической сенсорной ткани может быть использована дополнительная фокусировка как зондирующего, т.е. направленного в строну возможного положения объекта контроля излучения, так и излучения, отраженного от объекта контроля.To increase the efficiency of the optical sensory tissue, additional focusing as a probe, i.e. directed to the side of the possible position of the radiation control object, and radiation reflected from the control object.
Для этого может быть использована так называемая «линзовая матрица» (Lens Array), размещаемая над первым и вторым слоями световодов, центр каждой линзы которой перпендикулярен области пересечения световодов или их групп, находящихся в первом и втором слоях. Функционирование такого покрытия иллюстрируется на фиг. 24, на которой изображен его единичный фрагмент.For this, the so-called “lens array” (Lens Array) can be used, placed above the first and second layers of optical fibers, the center of each lens of which is perpendicular to the intersection area of optical fibers or their groups located in the first and second layers. The operation of such a coating is illustrated in FIG. 24, which depicts a single fragment thereof.
Наличие линзы 27, играющей роль оптического конденсора, с фокусным расстоянием ƒp, закрепленной на поглощающем излучение световодов 1 опорном покрытии 28, увеличивает эффективность оптического потока, т.е. повышает освещенность оптически сопряженной с ним подсвечиваемой площадки [35, стр. 138]. А именно, световой поток Ωр, с фрагмента σ, поверхности световода 1 первого слоя, трансформируется линзой 27 в световой поток Λр, который создает, на поверхности объекта контроля 6 пятно σΛ, с освещенностью большей, чем без конденсора в раз [35, формула 181].The presence of a
Для исключения паразитных отражений оптических потоков световодов 1 опорное покрытие 28 должно быть выполнено из материала, поглощающего излучение, аналогичного поглощающей тканой прокладки 15, но большей толщины, определяемой фокусным расстоянием ƒp линзы 27.To eliminate spurious reflections of the optical fluxes of the
Изображение σΛ фрагмента σ фокусируется линзой 27 на поверхности световода 2 второго слоя, в виде пятна χ, частично перегороженного световодом 1.The image σ Λ of the fragment σ is focused by the
На фиг. 25 приведен возможный вид оптической сенсорной ткани, с использованием описанной выше «линзовой матрицы».In FIG. 25 shows a possible view of an optical sensor tissue using the “lens array” described above.
Чтобы исключить влияние паразитных засветок, которым может подвергаться оптическая сенсорная ткань, возможно использование амплитудной модуляции (AM) оптического излучения, с соответствующей обработкой сигналов фотоприемников, используя полосовую фильтрацию полезного сигнала на фоне помех.In order to exclude the influence of spurious illumination to which optical sensor tissue can be exposed, it is possible to use amplitude modulation (AM) of optical radiation, with corresponding processing of photodetector signals, using band-pass filtering of the useful signal against the background of interference.
Данный тип обработки нашел широкое применение в системах дистанционного инфракрасного (ИК) управления бытовой техникой. В этих системах используется модуляция ИК-излучения, при которой формируется последовательность импульсных посылок, с частотой импульсов в ней в диапазоне 30-56 кГц и 455 кГц, Для этих частот производятся микросхемы фотоприемников, со встроенным трансимпедансным усилителем, полосовым фильтром, схемой АРУ и AM детектором [36, 37]. Скорость обнаружения полезного сигнала для этих микросхем (tdon), согласно данным производителя, находится в пределах 15-36 мкС.This type of processing is widely used in remote infrared (IR) control systems for household appliances. These systems use infrared modulation, in which a pulse train is generated with a pulse frequency in the range of 30-56 kHz and 455 kHz. Photodetector microcircuits are produced for these frequencies, with an integrated transimpedance amplifier, a bandpass filter, an AGC and AM circuit detector [36, 37]. The detection rate of the useful signal for these microcircuits (t don ), according to the manufacturer, is in the range of 15-36 μS.
К примеру, если сенсорная ткань образована пересечением 100 световодов первого слоя и 64 световодов второго слоя, потребуется 100 тактов (по 1 на каждое волокно) формирования пачек импульсной последовательности частотой 455 кГц и длительностью 36 мкС (при использовании ИК-фотоприемника TSOP5700). Это дает период обновления информации не более 4 мС, т.е. частоту 250 Гц.For example, if the sensory tissue is formed by the intersection of 100 optical fibers of the first layer and 64 optical fibers of the second layer, it will take 100 cycles (1 for each fiber) to form bursts of a pulse sequence with a frequency of 455 kHz and a duration of 36 μS (when using the TSOP5700 IR photodetector). This gives an information update period of not more than 4 ms, i.e. frequency of 250 Hz.
Использование быстродействующих светодиодов, PIN-фотодиодов и современных цифровых радиоприемных устройств позволяет поднять частоту обновления информации до десятков-сотен мегагерц, с соответствующим увеличением быстродействия предложенного устройства оптической сенсорной ткани.The use of high-speed LEDs, PIN photodiodes, and modern digital radio receivers makes it possible to increase the frequency of updating information to tens to hundreds of megahertz, with a corresponding increase in the speed of the proposed optical sensor tissue device.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №6826968 В2 от 07.12.2004 г.1. US patent No. 6826968 B2 dated December 7, 2004.
2. Патент США №7276137 В2 от 02.10.2007 г.2. US patent No. 7276137 B2 dated 02.10.2007
3. Патент США №8837952 В2 от 16.09.2014 г.3. US Patent No. 8837952 B2 of September 16, 2014.
4. Патент США №7630591 В2 от 08.12.2009 г.4. US patent No. 7630591 B2 dated 12/08/2009.
5. Патент США №7444887 В2 от 04.11.2008 г.5. US Patent No. 7444887 B2 of 04/04/2008
6. Патент США №7477816 В2 от 13.01.2009 г.6. US patent No. 7477816 B2 dated January 13, 2009.
7. Патент США №7627209 В2 от 01.12.2009 г.7. US Patent No. 7627209 B2 of December 1, 2009.
8. Патент США №7496265 В2 от 24.02.2009 г.8. US Patent No. 7496265 B2 of 02.24.2009
9. Патент США №7805036 В2 от 28.09.2010 г.9. US Patent No. 7805036 B2 of September 28, 2010.
10. Патент США №7817886 В2 от 19.10.2010 г.10. US patent No. 7817886 B2 of 10.19.2010.
11. Патент США №7957615 В2 от 07.06.2011 г.11. US patent No. 7957615 B2 dated 06/07/2011
12. Патент США №8111958 В2 от 07.02.2012 г.12. US Patent No. 8111958 B2 dated February 2, 2012.
13. Патент США №7809221 В2 от 05.10.2010 г.13. US patent No. 7809221 B2 dated 05/10/2010.
14. Патент США №8717330 В2 от 06.05.2014 г.14. US patent No. 8717330 B2 dated 05/06/2014
15. Патент США №9164612 В2 от 20.10.2015 г.15. US patent No. 9164612 B2 of 10.20.2015.
16. Патент США №9127999 В2 от 08.09.2015 г.16. US Patent No. 9127999 B2 of 09/08/2015.
17. Патент США №9080918 В2 от 14.06.2015 г.17. US patent No. 9080918 B2 dated 06/14/2015
18. Патент США №8826747 В2 от 09.09.2014 г.18. US patent No. 8826747 B2 of 09/09/2014.
19. Патент США № RE44856 Е от 22.04.2014 г.19. US patent No. RE44856 E of 04/22/2014
20. Патент США № RE45578 Е от 23.06.2015 г.20. US patent No. RE45578 E from 06.23.2015
21. Патент США №8411140 В2 от 02.04.2013 г.21. US patent No. 8411140 B2 dated 02/02/2013.
22. Xiaoming Tao. Smart textile composites integrated with fibre optic sensors. Smart fibres, fabrics and clothing. Edited by Xiaoming Tao. Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, 2001.22. Xiaoming Tao. Smart textile composites integrated with fiber optic sensors. Smart fibers, fabrics and clothing. Edited by Xiaoming Tao. Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, 2001.
http://textilelibrary.weebly.com/uploads/1/1/7/4/11749432/smart_fibres_fabrics_and_clothing_xiaoming_tao_2001.pdfhttp://textilelibrary.weebly.com/uploads/1/1/7/4/11749432/smart_fibres_fabrics_and_clothing_xiaoming_tao_2001.pdf
23. Winger, J.G., Kok-Meng Lee. Experimental investigation of a tactile sensor based on bending losses in fiber optics. 1988 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, PA, Apr. 24-29, 1988, Proceedings. Volume 2 (A89-1190102-63). Washington, DC, Computer Society Press, 1988, p. 754-759. Research supported by Georgia Institute of Technology.23. Winger, J.G., Kok-Meng Lee. Experimental investigation of a tactile sensor based on bending losses in fiber optics. 1988 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Philadelphia, PA, Apr. 24-29, 1988, Proceedings. Volume 2 (A89-1190102-63). Washington, DC, Computer Society Press, 1988, p. 754-759. Research supported by Georgia Institute of Technology.
http://adsabs.harvard.edu/abs/1988roau....2..754Whttp://adsabs.harvard.edu/abs/1988roau....2..754W
24. D.T. Jenstrom, Chen-Lin Chen (1989) A fiber optic microbend tactile sensor array. Sensors and Actuators, Volume 20, Issue 3 (1 December 1989), Pages 239-248.24. D.T. Jenstrom, Chen-Lin Chen (1989) A fiber optic microbend tactile sensor array. Sensors and Actuators,
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0250687489801222http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0250687489801222
25. K.Т.V. Grattan, Z.Y. Zhang, T. Sun. Luminescent optical fibers in sensing. Optical Fiber Sensor Technology Volume 4 of the series Optoelectronics, Imaging and Sensing. 1999, pp. 205-247.25. K.T.V. Grattan, Z.Y. Zhang, T. Sun. Luminescent optical fibers in sensing. Optical Fiber
http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-94-017-2484-5_8http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-94-017-2484-5_8
26. D. Kremenakova, J. Militky, B. Meryova, V. Ledl. Characterization of Side Emitting Polymeric Optical Fibres. Journal of Fiber Bioengineering & Informatics, 2012, 5(4): 423-431.26. D. Kremenakova, J. Militky, B. Meryova, V. Ledl. Characterization of Side Emitting Polymeric Optical Fiber. Journal of Fiber Bioengineering & Informatics, 2012, 5 (4): 423-431.
http://www.jfbi.org/EN/abstract/abstract17.shtml#http://www.jfbi.org/EN/abstract/abstract17.shtml#
27. S.A. Kuznetsov, V.V. Kubarev, P.V. Kalinin, B.G. Goldenberg, V.S. Eliseev, E.V. Petrova, N.A. Vinokurov. Development of metal based quasi-optical selective components and their application in high-power experiments at Novosibirsk terahertz FEL. Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia.27. S.A. Kuznetsov, V.V. Kubarev, P.V. Kalinin, B.G. Goldenberg, V.S. Eliseev, E.V. Petrova, N.A. Vinokurov. Development of metal based quasi-optical selective components and their application in high-power experiments at Novosibirsk terahertz FEL. Proceedings of FEL 2007, Novosibirsk, Russia.
https://accelconf.web.cern.ch/accelconf/f07/PAPERS/MOPPH032.PDFhttps://accelconf.web.cern.ch/accelconf/f07/PAPERS/MOPPH032.PDF
28. Arindam Das, Thomas M. Schutzius, Constantine M. Megaridis, Subhali Subhechha, Tao Wang, and Lei Liu. Quasi-optical terahertz polarizers enabled by inkjet printing of carbon nanocomposites. Applied Physics Letters 101, 243108 (2012).28. Arindam Das, Thomas M. Schutzius, Constantine M. Megaridis, Subhali Subhechha, Tao Wang, and Lei Liu. Quasi-optical terahertz polarizers enabled by inkjet printing of carbon nanocomposites. Applied Physics Letters 101, 243108 (2012).
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/24/10.1063/1.4770368http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/24/10.1063/1.4770368
29. Техническая публикация фирмы Thorlabs Inc., USA. Wire Grid Polarizers on Glass Substrates.29. Technical publication of Thorlabs Inc., USA. Wire Grid Polarizers on Glass Substrates.
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=5510https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=5510
30. Техническая публикация фирмы TYDEX, РФ. ИК-поляризаторы.30. Technical publication of TYDEX, RF. IR polarizers.
http://www.tydexoptics.com/pdf/ru/IR_polarizers.pdfhttp://www.tydexoptics.com/pdf/en/IR_polarizers.pdf
31. Патент США №6208463 от 27.05.2001 г.31. US patent No. 6208463 from 05/27/2001
32. Г.С. Ландсберг. Оптика. Учебное пособие: для вузов. 6-е изд. Москва. Физматлит, 2003 г.32. G.S. Landsberg. Optics. Textbook: for universities. 6th ed. Moscow. Fizmatlit, 2003
33. Ф. Крауфорд. Волны: Учебное руководство: Пер. с англ. 3-е изд., испр. Москва. Наука, 1984 г. (Берклеевский курс физики). - 512 с.33. F. Crawford. Waves: A tutorial: Per. from English 3rd ed., Rev. Moscow. Science, 1984 (Berkeley Physics Course). - 512 s.
34. Техническая публикация фирмы Mica Lighting Company, Inc 717 S. State College Blvd., Fullerton, USA. End light multi-strand fiber optic cable.34. Technical publication of Mica Lighting Company, Inc 717 S. State College Blvd., Fullerton, USA. End light multi-strand fiber optic cable.
http://www.micalighting.com/PDFs/fiber_optics/MICA%20%20Lighting%20-%20FO%20Fiber%20-%20End%20Light.10.pdfhttp://www.micalighting.com/PDFs/fiber_optics/MICA%20%20Lighting%20-%20FO%20Fiber%20-%20End%20Light.10.pdf
35. И.Л. Сакин. Инженерная оптика. Ленинград. Машиностроение, 1976 г. - 288 стр.35. I.L. Sakin. Engineering optics. Leningrad. Engineering, 1976 - 288 pages
36. Техническая публикация фирмы Vishay Intertechnology, Inc. USA.36. Technical Publication of Vishay Intertechnology, Inc. USA
http://www.mouser.com/ds/2/427/tsop62-346044.pdfhttp://www.mouser.com/ds/2/427/tsop62-346044.pdf
37. Техническая публикация фирмы Vishay Intertechnology, Inc. USA.37. Technical publication of Vishay Intertechnology, Inc. USA
http://datasheet.octopart.com/TSOP5700TR-Vishay-datasheet-91528.pdfhttp://datasheet.octopart.com/TSOP5700TR-Vishay-datasheet-91528.pdf
Claims (18)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015155489A RU2616437C1 (en) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Optical sensory fabric structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015155489A RU2616437C1 (en) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Optical sensory fabric structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2616437C1 true RU2616437C1 (en) | 2017-04-14 |
Family
ID=58642594
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015155489A RU2616437C1 (en) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Optical sensory fabric structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2616437C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU190183U1 (en) * | 2017-10-19 | 2019-06-24 | Импровисе 4 Перфектион С.Л. | LUMINESCENT TISSUE |
RU2779572C1 (en) * | 2021-11-22 | 2022-09-09 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for adaptive camouflage of objects |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5913245A (en) * | 1997-07-07 | 1999-06-15 | Grossman; Barry G. | Flexible optical fiber sensor tapes, systems and methods |
JP2003216070A (en) * | 2002-01-21 | 2003-07-30 | Sony Corp | Optical device and optical element |
WO2007078319A2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-07-12 | Milliken & Company | Optical fiber substrate useful as a sensor or illumination device component |
US20110058767A1 (en) * | 2009-09-07 | 2011-03-10 | Kumagai Gumi Co., Ltd. | Reinforced Sensor With Optical Fiber Woven Into Fabric |
-
2015
- 2015-12-23 RU RU2015155489A patent/RU2616437C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5913245A (en) * | 1997-07-07 | 1999-06-15 | Grossman; Barry G. | Flexible optical fiber sensor tapes, systems and methods |
JP2003216070A (en) * | 2002-01-21 | 2003-07-30 | Sony Corp | Optical device and optical element |
WO2007078319A2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-07-12 | Milliken & Company | Optical fiber substrate useful as a sensor or illumination device component |
US20110058767A1 (en) * | 2009-09-07 | 2011-03-10 | Kumagai Gumi Co., Ltd. | Reinforced Sensor With Optical Fiber Woven Into Fabric |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
- 25.07.2008. * |
Markus Rothmaier et al. Textile Pressure Sensor Made of Flexible Plastic Optical Fibers / Sensors 2008, 8, p.4318-4329. * |
Markus Rothmaier et al. Textile Pressure Sensor Made of Flexible Plastic Optical Fibers / Sensors 2008, 8, p.4318-4329. - 25.07.2008. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU190183U1 (en) * | 2017-10-19 | 2019-06-24 | Импровисе 4 Перфектион С.Л. | LUMINESCENT TISSUE |
RU2779572C1 (en) * | 2021-11-22 | 2022-09-09 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for adaptive camouflage of objects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8410421B2 (en) | Detector surface constructed from one or a plurality of planar optical waveguides | |
CN107228635A (en) | Optical measuring device | |
KR970075902A (en) | Optical measuring device of light scattering body | |
US20150097111A1 (en) | Optoelectronic sensor and method for the production of such | |
WO1979000377A1 (en) | Optical sensing apparatus and method | |
TWM575562U (en) | Screen fingerprint identification system | |
US10481041B2 (en) | Measuring optical array polarity, power, and loss using a position sensing detector and photodetector-equipped optical testing device | |
CN109655008A (en) | A kind of optical fibre bending sensor and the Intelligent glove including the optical fibre bending sensor | |
RU2616437C1 (en) | Optical sensory fabric structure | |
TW201520523A (en) | Optical sensor module | |
JP2020056658A (en) | Optical heterodyne detector and laser radar device using optical heterodyne detector | |
JP2016500438A (en) | Equipment for optical inspection of moving fiber materials | |
CN108196731A (en) | A kind of touch detecting system with biological fingerprint identification function | |
CN112179552B (en) | Optical fiber touch sensing array and method, signal demodulation optical path and method | |
JPS58215510A (en) | Optical-fiber measuring device | |
KR101710534B1 (en) | Optical system for sensors with optical method and sensors including the same optical system | |
KR20120063867A (en) | Optical touch panel | |
KR102602323B1 (en) | System and method for tactile sensing using thin film optical sensing networks | |
TWI547850B (en) | Optical detecting device capable of increasing signal-to-noise ratio and economizing power consumption | |
JP2007232509A (en) | Fiber optic sensor | |
EP2005206A2 (en) | Light source orientation detector | |
JP6915905B2 (en) | Hyperthermia device | |
TWM599415U (en) | Touch control device | |
KR100853857B1 (en) | Photo microphone and method for fabricating the same | |
JPH11316155A (en) | Optical sensor and optical microphone |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181224 |