RU2750681C1 - Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object - Google Patents
Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2750681C1 RU2750681C1 RU2020132894A RU2020132894A RU2750681C1 RU 2750681 C1 RU2750681 C1 RU 2750681C1 RU 2020132894 A RU2020132894 A RU 2020132894A RU 2020132894 A RU2020132894 A RU 2020132894A RU 2750681 C1 RU2750681 C1 RU 2750681C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- source
- sensor device
- speed
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/483—Details of pulse systems
- G01S7/486—Receivers
- G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/30—Collimators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/0006—Arrays
- G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/08—Mirrors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к компактному оптическому сенсорному устройству определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объекта, например твердотельному лидару, способу определения дальности, скорости идентификации формы и структуры объекта c помощью указанного оптического сенсорного устройства, и может быть использовано в различных отраслях техники. Оптическое сенсорное устройство, согласно изобретению выполнено с возможностью определения расстояния до объекта, скорости объекта, а также структуры объекта и структуры или материала, из которого выполнен объект и может использоваться в сенсорах для целей навигации, используемых для мобильных электронных устройств, компактных переносных устройствах, как для бытовых целей, например пылесосах, и в других бытовых приборах для расширений их функции, в частности в качестве датчика жестов, так и в целях промышленного производства для навигации объекта и безконтактной идентификации параметров объекта, например структуры и материала (состава) объекта. The invention relates to a compact optical sensor device for determining the range, speed and identification of the shape and structure of an object, for example, a solid-state lidar, a method for determining the range, speed of identifying the shape and structure of an object using said optical sensor device, and can be used in various fields of technology. The optical sensor device, according to the invention, is configured to determine the distance to the object, the speed of the object, as well as the structure of the object and the structure or material from which the object is made and can be used in sensors for navigation purposes used for mobile electronic devices, compact portable devices, such as for household purposes, for example, vacuum cleaners, and in other household appliances to expand their functions, in particular as a gesture sensor, and for industrial purposes for navigating an object and contactless identification of object parameters, for example, the structure and material (composition) of an object.
Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art
Устройства определения дальности или лидары(LIDAR), которые дословно расшифровываются как системы световой идентификации, обнаружения и определения дальности изначально предназначались для военных целей и были направлены на отслеживания целей (объектов) на большие расстояние, составляющие десятки километров. Но с ростом популярности портативных электронных устройств вырос спрос на компактные лидары для идентификации объектов на небольшие расстояния (несколько метров) в закрытых помещениях, и используемые в компактной робототехнике, например компактных бытовых пылесосах.Range determination devices or lidars (LIDAR), which literally stand for light identification, detection and ranging systems, were originally intended for military purposes and were aimed at tracking targets (objects) over long distances of tens of kilometers. But with the growing popularity of portable electronic devices, the demand for compact lidars for identifying objects over short distances (several meters) in enclosed spaces, and used in compact robotics, such as compact household vacuum cleaners, has grown.
Известные в уровне техники лидары работают по следующему принципу:Lidars known in the prior art work according to the following principle:
устройство в виде ИК светодиода или лазера посылает наружу направленное излучение, затем с помощью светочувствительного приемника (датчика) принимает отраженные волны и строит исходя из этого картину пространства. a device in the form of an IR LED or a laser sends out directed radiation, then, with the help of a light-sensitive receiver (sensor), it receives reflected waves and builds a picture of space based on this.
Получив время, за которое вернулась отраженная волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика, например по формуле:Having received the time during which the reflected wave returned, we can determine the distance to the object in the sensor's field of view, for example, using the formula:
D - измеренное расстояние; c - скорость света в оптической среде; f- частота сканирующих импульсов; Δφ-фазовый сдвиг. Подобный принцип определения дистанции называют время-пролетным (Time-of-flight (ToF)). D is the measured distance ; c is the speed of light in the optical medium ; f is the frequency of scanning pulses ; Δφ is the phase shift . This principle of determining the distance is called Time-of-flight (ToF).
Из уровня техники известна компактная система лидара, см. US 10,215,846 B2, опубл. 26.02.2019; IPC G01S 17/02, работающая по описанному выше время-пролетному принципу. Система лидара включает в себя статический монолитный приемопередатчик 202, коллимирующую оптику, первую и вторую поворотные клиновидные призмы 206, 208. Вращая клиновидную призму 206 относительно клиновидной призмы 208, коллимированный лазерный луч может управляться вследствие преломления коллимированного лазерного луча, когда он проходит через клиновидные призмы 206 и 208. Статический монолитный приемопередатчик 202 выполнен с возможностью испускать лазерный луч и принимать отраженный лазерный свет от первого целевого объекта. В указанной системе лидара эммитер и детектор объединены на одном чипе-приемопередатчик 202. При этом указанной системе свойственны следующие недостатки: для вращения клиновидных призм 206, 208 необходимы механические моторы 210, 212, что сопровождается значительными размерами устройства, что делает невозможным использование лидара в компактных электронных устройствах. Кроме того, традиционно для время-пролетного решения необходимо быстродействующая электроника для измерения времени пролета света в нс, что значительно усложняет и удорожает изготовление системы лидара. При этом указанная система лидара обеспечивает получение информации только о расстоянии до объекта. И указанной системе лидара свойственна засветка от других источников и шумы от интерференции от других возможных лидаров, находящихся в зоне работы системы лидара, что значительно снижет точность получения данных о расстоянии до объекта. A compact lidar system is known from the prior art, see US 10,215,846 B2, publ. 02/26/2019; IPC G01S 17/02, operating according to the time-of-flight principle described above. The lidar system includes a static monolithic transceiver 202, collimating optics, first and second rotatable wedge prisms 206, 208. By rotating wedge prism 206 relative to wedge prism 208, the collimated laser beam can be controlled by refraction of the collimated laser beam as it passes through wedge prisms 206 and 208. The static monolithic transceiver 202 is configured to emit a laser beam and receive reflected laser light from a first target. In this lidar system, the emitter and the detector are combined on a single transceiver chip 202. In this case, this system has the following disadvantages: mechanical motors 210, 212 are required to rotate the wedge-shaped prisms 206, 208, which is accompanied by a significant device size, which makes it impossible to use the lidar in compact electronic devices. In addition, traditionally a time-of-flight solution requires high-speed electronics to measure the time of flight in ns, which significantly complicates and increases the cost of manufacturing the lidar system. In this case, the specified lidar system provides information only about the distance to the object. And the specified lidar system is characterized by illumination from other sources and noise from interference from other possible lidars located in the area of operation of the lidar system, which significantly reduces the accuracy of obtaining data on the distance to the object.
Компактный лазерный сканер на основании матрицы поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором(VCSEL) раскрыт в US 7,544,945 B2, опубл. 09.06.2009 г. IPC G01J 5/02 и также относится к время-пролетному решению. Указанная система 100 используется в автомобильных лидарах и содержит матрицу 110 из множества полупроводниковых лазеров 120; оптический элемент 130, установленный относительно множества лазеров, так что, по меньшей мере, два из множества лазеров создают лучи, которые выходят из оптического элемента в существенно разных направлениях; и схему управления, связанную с множеством полупроводниковых лазеров и выполненную с возможностью последовательной и раздельной активации, по меньшей мере, двух из множества лазеров. Посредством последовательной активации каждого полупроводникового лазера по отдельности система 100 может использоваться для сканирования лазерного луча в поле зрения линзы 130. Один или несколько фотодетекторов могут быть расположены вблизи лазерной матрицы 110 для сбора света от активированного лазера, который отражается объектами, освещаемыми лазерным лучом. Угловая информация, например, направление обнаруженного объекта, определяется посредством знания того, какой полупроводниковый лазер в матрице был активирован. Линзы также могут быть интегрированы с фотодетекторами или связаны с ними для повышения эффективности обнаружения и повышения уровня обнаруженного сигнала. Система 100 работает таким образом, что может заменить лидарные лазерные системы, в которых используются механические приводы для вращения или перемещения отражающей оптики. При этом лазеры 120 и фотодекторы расположены на одном чипе. Следует отметить, что указанной системе, основанной на время-пролетном принципе свойственны все недостатки присущие решению, раскрытому в US 10,215,846 B2: необходима быстродействующая электроника для измерения времени пролета света в нс, что значительно усложняет и удорожает изготовление системы лидара; указанная система лидара обеспечивает получение информации только о расстоянии до объекта. И указанной системе лидара свойственна засветка от других источников и шумы от интерференции от других возможных лидаров, находящихся в зоне работы системы лидара, что значительно снижет точность получения данных о расстоянии до объекта. A compact laser scanner based on a vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) array is disclosed in US 7,544,945 B2, publ. 09.06.2009 IPC G01J 5/02 and also applies to time-of-flight solution. This
Из уровня техники известен лазерный радар, см. публикация WO 2018/133084 A1, опубл.26.07.2018г. IPC G01S 17/08, представляющий собой массив поверхностно-излучающих лазеров 150 с вертикальной полостью (VCSEL) на первой подложке (110) и массив детекторов (143) на второй подложке (120), причем детекторы и лазеры находятся на одном чипе. При этом детекторы (143) выполнены с возможностью обнаружения лазерных лучей, испускаемых VCSEL (150) и обратно рассеянных объектом, причем первая подложка (110) прикреплена ко второй подложке (120) и сконфигурирована так, чтобы обеспечивать прохождение лазерных лучей, испускаемых VCSEL (150) и обратно рассеянных от объекта, через первую подложку (110) и достигать детекторов (143).A laser radar is known from the prior art, see publication WO 2018/133084 A1, publ. 26.07.2018. IPC G01S 17/08, which is an array of surface-emitting
Следует отметить, что указанному радару, основанному на время-пролетном принципе свойственны все недостатки, присущие подобным решениям: необходима быстродействующая электроника для измерения времени пролета света в нс, что значительно усложняет и удорожает изготовление радара; указанный лазерный радар обеспечивает получение информации только о расстоянии до объекта. И указанному радару свойственна засветка от других источников и шумы от интерференции от других подобных устройств, находящихся в зоне работы системы лазерного радара, что значительно снижет точность получения данных о расстоянии до объекта. It should be noted that this radar, based on the time-of-flight principle, has all the drawbacks inherent in such solutions: high-speed electronics is needed to measure the time of flight in ns, which significantly complicates and increases the cost of the radar manufacturing; the specified laser radar provides information only about the distance to the object. And the specified radar is characterized by illumination from other sources and noise from interference from other similar devices located in the area of operation of the laser radar system, which significantly reduces the accuracy of obtaining data on the distance to the object.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является решение, основанное на принципе гомодинной интерференции (self-mixing interference) и раскрытое в US 8,692.979 B2, опубл. 08.04.2014г., IPC G01C 3/00, которое содержит содержащий сенсорный модуль (1) для измерения расстояния до цели и/или скорости цели (50), причем сенсорный модуль (1) содержит, по меньшей мере, один лазерный источник (100), например поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором(VCSEL), по меньшей мере один детектор (200), лазер VCSEL и детектор интегрированы в одном устройстве, и по меньшей мере один элемент управления (400). Детектор (200) может обнаруживать модуляцию резонирующего лазерного излучения в лазерном источнике(100). Модуляция лазерного света в лазерном источнике может быть индуцирована лазерным светом, отраженным мишенью, повторно входящей в лазерный источник. Эффект известен специалистам в данной области техники как гомодинная интерференция (self-mixing interference). В зависимости от схемы электрического привода лазерного источника можно определить расстояние и/или скорость цели. Лазерный сенсор основан на принципе непрерывного излучения с частотной модуляцией(FMCW). В данной конструкции нет проблем, свойственных времяпролетным решениям, т.е. возможность засветки от других источников излучения и помехи от других функционирующих подобных устройств. Однако излучающая область лазеров VCSEL достаточна мала и составляет 10-15 мкм, что в свою очередь обуславливает довольно низкое соотношение сигнала/шум лазерного сенсора. Указанный лазерный сенсор обеспечивает только получение расстояния до цели.The closest analogue of the claimed invention is a solution based on the principle of homodyne interference (self-mixing interference) and disclosed in US 8,692.979 B2, publ. 04/08/2014, IPC G01C 3/00, which contains a sensor module (1) for measuring the distance to the target and / or target speed (50), and the sensor module (1) contains at least one laser source (100 ), for example a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), at least one detector (200), a VCSEL laser and a detector are integrated in one device, and at least one control element (400). A detector (200) can detect modulation of resonant laser radiation in the laser source (100). Modulation of laser light in a laser source can be induced by laser light reflected from a target re-entering the laser source. The effect is known to those skilled in the art as self-mixing. Depending on the scheme of the electric drive of the laser source, the distance and / or speed of the target can be determined. The laser sensor is based on the principle of frequency modulated continuous wave (FMCW). In this design, there are no problems inherent in time-of-flight solutions, i.e. the possibility of exposure from other radiation sources and interference from other functioning similar devices. However, the emitting region of VCSEL lasers is quite small and amounts to 10-15 microns, which in turn causes a rather low signal-to-noise ratio of the laser sensor. The specified laser sensor provides only the receipt of the distance to the target.
Таким образом, для устранения всех вышеуказанных недостатков лидаров известного уровня техники авторы создали компактное оптическое сенсорное устройство определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объекта и способ определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объекта с помощью указанного устройства.Thus, to eliminate all the above disadvantages of prior art lidars, the authors have created a compact optical sensor device for determining the range, speed and identification of the shape and structure of an object and a method for determining the range, speed and identification of the shape and structure of an object using this device.
Как уже указывалось выше, задача заявленного изобретения заключается в создании сенсорного устройства, работающего на небольшие расстояния, в частности 1-10 м, безопасного для глаз пользователя, обеспечивающего помимо получения расстояния как неподвижного, так и движущегося объекта, и скорости объекта, также форму объекта и его структуру, т.е. тип материала, из которого выполнен исследуемый объект. Кроме того, если в традиционных устройствах определения дальности, т.е. лидарах предусмотрены механические двигатели для обеспечения вращения платформы, на которой установлены средства, обеспечивающие сканирование объекта (поворотные призмы и т.п.) в заявленном сенсорном устройстве отсутствуют движущиеся механические части, что повышает надежность функционирования и технологичность лидара. Кроме того, поскольку заявленное сенсорное устройство использует когерентный прием (т.е. такой прием, при котором существенное усиление получает только сигнал, когерентный локальному осциллятору) любые другие (некогерентные локальному осциллятору) сигналы не будут усилены и будут незаметны на фоне шума. Таким образом, любые подобные средства, работающие рядом не будут создавать помехи и исключена возможность засвечивания заявленного сенсорного устройства другими источниками излучения, например солнцем или внешним искусственным освещением, в частности уличными фонарями. Заявленное сенсорное устройство выполнено с возможностью оперативного перестраивания параметров работы, благодаря регулированию тока, подаваемого на источники лазерного излучения, имеет небольшой вес (от несколько десятков грамм), что позволяет его встраивать в мобильные электронные устройства.As already mentioned above, the object of the claimed invention is to create a sensor device operating at short distances, in particular 1-10 m, safe for the user's eyes, providing, in addition to obtaining the distance of both a stationary and a moving object, and the speed of the object, also the shape of the object. and its structure, i.e. the type of material from which the investigated object is made. In addition, if conventional ranging devices, i. E. lidars are provided with mechanical motors to ensure the rotation of the platform on which the means are installed that ensure the scanning of the object (rotary prisms, etc.) in the claimed sensor device there are no moving mechanical parts, which increases the reliability and manufacturability of the lidar. In addition, since the claimed sensor device uses coherent reception (i.e., such a reception in which only the signal coherent to the local oscillator receives significant amplification), any other (incoherent to the local oscillator) signals will not be amplified and will be invisible against the background noise. Thus, any such means working nearby will not interfere and the possibility of exposure of the claimed sensor device to other sources of radiation, for example, the sun or external artificial lighting, in particular street lamps, is excluded. The claimed sensor device is made with the ability to quickly reconfigure the operating parameters, due to the regulation of the current supplied to the laser radiation sources, has a low weight (from several tens of grams), which allows it to be embedded in mobile electronic devices.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Согласно первому аспекту изобретения представлено оптическое сенсорное устройство для определения расстояния до объекта, скорости объекта и для идентификации формы и структуры объекта, содержащее:According to a first aspect of the invention, there is provided an optical sensor device for determining the distance to an object, the speed of the object, and for identifying the shape and structure of the object, comprising:
оптически сопряженные по меньшей мере один источник лазерного излучения, по меньшей мере одно оптическое коллимирующее средство, расположенное над соответствующим по меньшей мере одним источником лазерного излучения, светоделительное средство, светоотражающее средство, оптическое средство направления луча, выполненное с возможностью направления луча в предварительно определенном направлении к объекту, и по меньшей мере один детектор для регистрации излучения отраженного от объекта, а также контроллер соединенный с каждым из по меньшей мере одного детектора и по меньше одного источника лазерного излучения, optically coupled at least one source of laser radiation, at least one optical collimating means located above the corresponding at least one source of laser radiation, beam-splitting means, reflective means, optical means for directing a beam, configured to direct the beam in a predetermined direction to object, and at least one detector for recording radiation reflected from the object, as well as a controller connected to each of at least one detector and at least one source of laser radiation,
при этом каждый из по меньшей мере одного источника лазерного излучения с соответствующим по меньшей мере одним детектором образуют по меньшей мере один индивидуально функционирующий и индивидуально настраиваемый измерительный канал с возможностью обеспечения данных о расстоянии до объекта, wherein each of the at least one laser radiation source with the corresponding at least one detector form at least one individually functioning and individually adjustable measuring channel with the possibility of providing data on the distance to the object,
при этом контроллер выполнен с возможностью обеспечения одновременного или выборочного функционирования указанных измерительных каналов и оперативного регулирования параметров излучения по меньшей мере одного источника лазерного излучения, в зависимости от требуемого оперативного разрешения по дальности во время функционирования устройства, и обработки и анализа данных объекта регистрируемых на по меньшей мере одном детекторе для одновременного определения расстояния до объекта и его скорости, и распознавания формы и структуры объекта.in this case, the controller is configured to ensure the simultaneous or selective functioning of the said measuring channels and the operational regulation of the radiation parameters of at least one source of laser radiation, depending on the required operational resolution in the range during the operation of the device, and processing and analysis of the object data recorded on at least at least one detector to simultaneously determine the distance to the object and its speed, and recognize the shape and structure of the object.
В указанном сенсорном устройстве по меньшей мере один источник лазерного излучения представляет собой лазер с возможностью перестройки длины волны, например поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) с длиной волны излучения от 700 до 950нм.In said sensor device, at least one laser source is a wavelength tunable laser, such as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) with a wavelength of 700 to 950 nm.
При этом по меньшей мере один источник лазерного излучения может содержать несколько источников лазерного излучения, образующих двухмерную матрицу источников лазерного излучения, а по меньшей мере один детектор представляет собой матричный фотодетектор или In this case, at least one laser radiation source may contain several laser radiation sources forming a two-dimensional matrix of laser radiation sources, and at least one detector is a matrix photodetector or
по меньшей мере один детектор содержит несколько детекторов, образующих двухмерную матрицу детекторов.at least one detector comprises a plurality of detectors forming a two-dimensional array of detectors.
Следует отметить, что в сенсорном устройстве по меньшей мере одно оптическое коллимирующее средство представляет собой по меньшей мере одну микролинзу, и выполнено с возможностью коллимирования излучения испускаемого по меньшей мере одним источником лазерного излучения или по меньшей мере одна микролинза представляет собой совокупность микролинз, образующих двухмерную матрицу микролинз.It should be noted that in the sensor device at least one optical collimating means is at least one microlens, and is configured to collimate radiation emitted by at least one laser radiation source, or at least one microlens is a set of microlenses forming a two-dimensional matrix microlenses.
Кроме того, светоделительное средство представляет собой светоделительный куб с полуотражающим зеркалом, расположенным внутри указанного куба и выполненный с возможностью разделения луча на опорный и измерительный лучи, а светоотражающее средство представляет собой светоотражающее покрытые, нанесенное на внутреннюю или внешнюю поверхность светоделительного куба и выполненное с возможностью переотражения опорного луча на соответствующий детектор или светоотражающее средство представляет собой зеркало, расположенное перед внешней поверхностью светоделительного куба, и выполненное с возможностью переотражения опорного луча на соответствующий по меньшей мере один детектор.In addition, the beam-splitting means is a beam-splitting cube with a semi-reflecting mirror located inside the specified cube and made with the possibility of dividing the beam into reference and measuring beams, and the light-reflecting means is a light-reflecting coated, applied to the inner or outer surface of the beam-splitting cube and made with the possibility of re-reflection of the reference beam to the corresponding detector or the light reflecting means is a mirror located in front of the outer surface of the beam splitting cube, and made with the possibility of re-reflection of the reference beam to the corresponding at least one detector.
Следует также отметить, что в сенсорном устройстве оптическое средство направления луча представляет собой линзу, имеющую плоскую поверхность со стороны, обращенной к светоделительному кубу, а со стороны обращенной к объекту имеет поверхность, состоящую из по меньшей мере одной микролинзы, при этом каждая, из по меньшей мере одной микролинзы соответствует по меньшей мере одному источнику лазерного излучения. It should also be noted that in the sensor device, the optical means for guiding the beam is a lens having a flat surface on the side facing the beam splitting cube, and on the side facing the object has a surface consisting of at least one microlens, each of which is at least one microlens corresponds to at least one laser source.
Кроме того, каждая из по меньшей мере одной микролинзы расположена под заданным углом к соответствующему падающему лазерному лучу и выполнена таким образом, чтобы соответствующий лазерный луч после прохождения через микролинзу был направлен в требуемом заданном направлении к объекту.In addition, each of the at least one microlens is located at a predetermined angle to the corresponding incident laser beam and is designed so that the corresponding laser beam, after passing through the microlens, is directed in the desired predetermined direction towards the object.
Оптическое средство направления луча может быть выполнена в виде двухмерной матрицы микролинз, при этом каждая микролинза из матрицы микролинз расположена под заданным углом к соответствующему падающему лазерному лучу и выполнена таким образом, чтобы соответствующий лазерный луч после прохождения через микролинзу был направлен в требуемом заданном направлении к объекту.The optical means for directing the beam can be made in the form of a two-dimensional array of microlenses, with each microlens from the array of microlenses located at a predetermined angle to the corresponding incident laser beam and made in such a way that the corresponding laser beam, after passing through the microlens, is directed in the required predetermined direction to the object ...
В сенсорном устройстве согласно изобретению, предусмотрен также по меньшей мере один драйвер, соединенный с соответствующим по меньшей мере одним источником лазерного излучения и, обеспечивающий подачу на него тока накачки по управляющему сигналу контроллера.In the sensor device according to the invention, there is also provided at least one driver connected to the corresponding at least one laser radiation source and providing pumping current to it according to the control signal of the controller.
Кроме того, в сенсорном устройстве также предусмотрен оптический изолятор, расположенный между светоделительным средством и по меньшей мере одним оптическим коллимирующим средством, и выполненный с возможностью предотвращение попадания, отраженного от целевого объекта, света на по меньшей мере один источник лазерного излучения и предотвращения дестабилизации функционирования указанных источников.In addition, an optical isolator is also provided in the sensor device, located between the beam splitting means and at least one optical collimating means, and configured to prevent the reflected light from the target object from hitting at least one laser radiation source and preventing destabilization of the functioning of said sources.
Одним из преимуществ заявленного сенсорного устройства согласно первому аспекту изобретения является его многомодальность. Сенсорное устройство может функционировать в качестве датчика жестов, посредством обеспечения оперативного регулирование параметров излучения по меньшей мере одного источника лазерного излучения, а также регулирования разрешения по дальности и поля зрения. При этом регулирование параметров излучения обеспечивается посредством изменения параметров тока накачки, подаваемого на указанный по меньшей мере один источник лазерного излучения, причем к параметрам тока накачки относятся частота и амплитуда модуляции тока, подаваемые на указанный по меньшей мере один источник излучения. One of the advantages of the claimed sensor device according to the first aspect of the invention is its multimodality. The sensor device can function as a gesture sensor by providing operational control of the radiation parameters of at least one laser radiation source, as well as adjusting the range and field of view resolution. In this case, the regulation of the radiation parameters is provided by changing the parameters of the pumping current supplied to the specified at least one source of laser radiation, and the parameters of the pumping current include the frequency and amplitude of the modulation of the current supplied to the specified at least one radiation source.
А регулирование разрешения по дальности обеспечивается посредством изменения одновременно количества функционирующих источников лазерного излучения и изменения амплитуды модуляции тока накачки, подаваемые на указанные источники лазерного излучения.And regulation of the range resolution is provided by simultaneously changing the number of functioning laser radiation sources and changing the amplitude of the pump current modulation supplied to the indicated laser radiation sources.
При этом регулирование поля зрения обеспечивается посредством изменения количества опрашиваемых детекторов.In this case, the regulation of the field of view is provided by changing the number of interrogated detectors.
Сенсорное устройство может функционировать в качестве трехмерного сканера, посредством обеспечения попеременного функционирования указанных источников лазерного излучения, оперативного регулирования параметров излучения по меньшей мере одного источника лазерного излучения, а также регулирования разрешения по дальности и поля зрения.The sensor device can function as a three-dimensional scanner by providing alternating operation of the said laser sources, operatively adjusting the radiation parameters of at least one laser radiation source, and adjusting the range and field of view resolution.
В данном случае регулирование параметров излучения обеспечивается посредством изменения параметров тока накачки, подаваемого на указанный по меньшей мере один источник лазерного излучения, при этом In this case, the regulation of the radiation parameters is provided by changing the parameters of the pump current supplied to the specified at least one source of laser radiation, while
к параметрам тока накачки относятся частота и амплитуда модуляции тока, подаваемые на указанный по меньшей мере один источник излучения. the parameters of the pump current include the frequency and amplitude of the modulation of the current supplied to the specified at least one radiation source.
Кроме того, регулирование разрешения по дальности обеспечивается посредство изменения количества одновременно функционирующих источников лазерного излучения и изменения амплитуды модуляции тока накачки, подаваемые на указанные источники лазерного излучения, регулирование поля зрения обеспечивается посредством изменения количества опрашиваемых детекторов.In addition, the control of the range resolution is provided by changing the number of simultaneously operating laser sources and changing the amplitude of the pump current modulation supplied to the said laser sources, the control of the field of view is provided by changing the number of interrogated detectors.
Согласно второму аспекту изобретения предложен способ определения расстояния до объекта, скорости объекта и для распознавания формы и структуры объекта посредством оптического сенсорного устройства согласно первому аспекту изобретения, при этом способ содержит следующие этапы, на которых:According to a second aspect of the invention, there is provided a method for determining the distance to an object, the speed of the object and for recognizing the shape and structure of the object by means of an optical sensor device according to the first aspect of the invention, the method comprising the steps of:
-испускают лазерное излучение с предварительно заданной длиной волны от 700 до 950 нм с помощью по меньшей мере одного источника лазерного излучения, при этом оперативно регулируют ток накачки, подаваемый на по меньшей мере один источник лазерного излучения, в зависимости от требуемого разрешения объекта во время функционирования устройства, при этом регулируют ток накачки от 3 до 6 мА.- emitting laser radiation with a predetermined wavelength from 700 to 950 nm using at least one source of laser radiation, while operatively adjusting the pump current supplied to at least one source of laser radiation, depending on the required resolution of the object during operation devices, while regulating the pump current from 3 to 6 mA.
-направляют указанное излучение на светоделительное средство, - direct the specified radiation to the beam splitter,
где часть излучения, представляющее собой опорный луч, перенаправляется на по меньшей мере один детектор, where part of the radiation, which is the reference beam, is redirected to at least one detector,
а другая часть излучения, представляющая собой измерительный луч, направляется на оптическое средство направления луча, обеспечивающее отклонение указанного измерительного луча в предварительно заданном направлении к объекту, and the other part of the radiation, representing the measuring beam, is directed to the optical means for guiding the beam, ensuring the deflection of the specified measuring beam in a predetermined direction towards the object,
далее, отраженный от объекта по меньшей мере один измерительный луч направляется на соответствующий по меньшей мере один детектор, на котором измеряется разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорным лучами, на основании, которой одновременно, определяется расстояние L до объекта и скорость V объекта, further, the at least one measuring beam reflected from the object is directed to the corresponding at least one detector, on which the frequency difference of the signals generated by the measuring and reference beams is measured, on the basis of which, at the same time, the distance L to the object and the speed V of the object are determined,
при этом по мере прохождения измерительного луча через объект и/или отражения от него обеспечивается регистрация распределения коэффициента отражения по меньшей мере одного измерительного луча, отраженного от объекта в зависимости от расстояния до объекта, на основании которой идентифицируется форма и структура объекта.in this case, as the measuring beam passes through the object and / or is reflected from it, registration of the distribution of the reflection coefficient of at least one measuring beam reflected from the object depending on the distance to the object is provided, on the basis of which the shape and structure of the object is identified.
При этом расстояние L (м) до объекта определяется посредством соотношения:In this case, the distance L (m) to the object is determined by the ratio:
, ,
где c-скорость света (м/c), α - скорость нарастания частоты излучения (Гц/с), where c is the speed of light (m / s), α is the rate of rise of the radiation frequency (Hz / s),
Δω1 -разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при нарастании частоты излучения (Гц), Δω 1 is the frequency difference of the signals formed by the measuring and reference beams with increasing radiation frequency (Hz),
и Δω2- разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при спаде частоты излучения (Гц).and Δω 2 is the frequency difference of the signals generated by the measuring and reference beams at a decrease in the radiation frequency (Hz).
Кроме того, скорость V (м/с) объекта определяется посредством соотношения:In addition, the speed V (m / s) of the object is determined by the ratio:
, ,
где c-скорость света (м/c), α - скорость нарастания частоты излучения (Гц/с), ω0-частота испускаемого света (Гц) where c is the speed of light (m / s), α is the rate of rise of the radiation frequency (Hz / s), ω 0 is the frequency of the emitted light (Hz)
Δω1 -разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при нарастании частоты излучения (Гц), и Δω 1 is the frequency difference of the signals formed by the measuring and reference beams with increasing radiation frequency (Hz), and
Δω2- разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при спаде частоты излучения (Гц).Δω 2 is the frequency difference of the signals generated by the measuring and reference beams at a decrease in the radiation frequency (Hz).
А на этапе регулирования тока накачки, подаваемого на по меньшей мере один источник лазерного излучение, обеспечивается оперативное изменение разрешения (Res) объекта по дальности, определяемое следующим соотношением:And at the stage of regulating the pump current supplied to at least one source of laser radiation, an operational change in the resolution (Res) of the object in terms of range is provided, determined by the following relationship:
Res Res
c- скорость света (м/с) c- speed of light (m / s)
Ώ-зависимость частоты излучаемого лазерного света в зависимости от тока, накачиваемого в по меньшей мере один источник (11…1n) лазерного излучения (Гц/мА),Ώ-dependence of the frequency of the emitted laser light depending on the current pumped into at least one source (1 1 ... 1 n ) of laser radiation (Hz / mA),
dI- амплитуда модуляции тока источника лазерного излучения в процессе сканирования объекта (мА).dI is the amplitude of the modulation of the current of the laser radiation source during the scanning of the object (mA).
Кроме того, в способе согласно изобретению, этап идентифицирования формы и структуры объекта, осуществляется в контроллере посредством сравнения полученной картины распределения коэффициента отражения по меньшей мере одного измерительного луча, отраженного от объекта с известными картинами распределения коэффициентов отражения свойственными определенным структурам объектов, хранящихся в памяти контроллера.In addition, in the method according to the invention, the step of identifying the shape and structure of the object is carried out in the controller by comparing the obtained pattern of the distribution of the reflection coefficient of at least one measuring beam reflected from the object with the known patterns of the distribution of the reflection coefficients characteristic of certain structures of objects stored in the memory of the controller. ...
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:The above and other features and advantages of the present invention are illustrated in the following description, illustrated by the drawings, in which the following is presented:
Фиг.1 - иллюстрирует схему гетеродинного метода измерения известного из уровня техники;Fig. 1 illustrates a schematic diagram of a heterodyne measurement method known in the art;
Фиг.2а - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно первому варианту изобретения;Fig. 2a illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to the first embodiment of the invention;
Фиг. 2b - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов с выделенными каналом, сформированным парой: источник лазерного излучения и детектор, согласно первому варианту изобретения;FIG. 2b illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects with a dedicated channel formed by a pair: a laser radiation source and a detector, according to the first embodiment of the invention;
Фиг.2с - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно второму варианту изобретения;Fig. 2c illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to a second embodiment of the invention;
Фиг.2d - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно третьему варианту изобретения;Fig. 2d illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to a third embodiment of the invention;
Фиг.2е - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно четвертому варианту изобретения;Fig. 2e illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to a fourth embodiment of the invention;
Фиг.2f - иллюстрируют схему оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно пятому варианту изобретения;Fig. 2f illustrates a diagram of an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to a fifth embodiment of the invention;
Фиг.3а- иллюстрирует пример изображения, сформированного при сканировании традиционными известными устройствами определения дальности (лидарами), основанными на время-пролетном принципе определения расстояния до объекта;Fig. 3a illustrates an example of an image generated during scanning by conventional known ranging devices (lidars) based on the time-of-flight principle of determining the distance to an object;
Фиг. 3b-иллюстрирует пример изображения, сформированного оптическим сенсорным устройством определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно изобретению;FIG. 3b illustrates an example of an image formed by an optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to the invention;
Фиг. 4а- представлен график, иллюстрирующий зависимость тока накачки источника лазерного излучения от времени для среднего разрешения по дальности;FIG. 4a is a graph illustrating the dependence of the pump current of the laser source on time for medium range resolution;
Фиг. 4b - представлен график, иллюстрирующий зависимость тока накачки источника лазерного излучения от времени для высокого разрешения по дальности;FIG. 4b is a graph illustrating the pump current of the laser source versus time for high range resolution;
Фиг. 5а - представлен график, иллюстрирующий зависимость тока накачки источника лазерного излучения от времени для среднего показателя частоты кадров;FIG. 5a is a graph illustrating the dependence of the pump current of the laser source on time for an average of the frame rate;
Фиг. 5b - представлен график, иллюстрирующий зависимость тока накачки источника лазерного излучения от времени для высокого показателя частоты кадров;FIG. 5b is a graph showing the pump current of the laser source versus time for a high frame rate;
Фиг. 6а - представлен пример расположения прозрачных и непрозрачных объектов (две тонкие стеклянные пластинки как пример прозрачных объектов и бетонная стена как пример непрозрачного объекта) на пути следования лазерного луча;FIG. 6a shows an example of the arrangement of transparent and opaque objects (two thin glass plates as an example of transparent objects and a concrete wall as an example of an opaque object) along the path of the laser beam;
Фиг. 6b-представлена схема распределения коэффициента отражения, вдоль хода лазерного луча, соответствующая примеру расположения прозрачных и непрозрачных объектов согласно фиг.6а; FIG. 6b is a diagram of the distribution of the reflection coefficient along the path of the laser beam, corresponding to the example of the arrangement of transparent and opaque objects according to FIG. 6a;
Фиг. 7а - представлен пример расположения объекта, представляющего собой ткань;FIG. 7a shows an example of the location of a fabric object;
Фиг. 7b - представлен вид структуры ткани с более плотным «слоем» внутри согласно фиг.7а;FIG. 7b is a view of a fabric structure with a denser "layer" inside according to FIG. 7a;
Фиг.7с - представлена схема распределения коэффициента отражения, вдоль хода лазерного луча, соответствующая примеру расположения объекта, представляющего собой ткань согласно фиг.7а и 7b;Fig. 7c is a diagram of the distribution of the reflection coefficient along the path of the laser beam, corresponding to the example of the location of the object, which is a tissue according to Figs. 7a and 7b;
Фиг. 8 -представлен схематичный вид оптического средства (6) направления луча в виде линзы согласно изобретению;FIG. 8 is a schematic view of a beam guiding optical means (6) in the form of a lens according to the invention;
Фиг.9а - представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта пластиковой пластинки;Fig. 9a is a graph illustrating a signal obtained using a plastic plate as an object;
Фиг.9b - представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта кожи ладони человека; Fig. 9b is a graph illustrating a signal obtained using human palm skin as an object;
Фиг.9c - представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта ткани защитной маски; Fig. 9c is a graph illustrating a signal obtained when using a protective mask fabric as an object;
Фиг.9d - представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта стеклянной пластинки; Fig. 9d is a graph illustrating a signal obtained using a glass plate as an object;
Фиг.10 - представлена карта навигации, сформированная компьютером на основе данных, полученных от контроллера (9) при идентификации объектов, находящихся в исследовательской лаборатории;Fig. 10 shows a navigation map generated by a computer based on data received from the controller (9) when identifying objects in the research laboratory;
Фиг.11 - представлены в увеличенном виде детали изображений объектов с фиг.10;Fig. 11 is an enlarged view of the details of images of objects from Fig. 10;
Фиг.12 - схематично представлена установка для экспериментальных исследований по точности измерения скорости движущегося объекта с помощью заявленного сенсорного устройства;Fig. 12 schematically shows a setup for experimental research on the accuracy of measuring the speed of a moving object using the claimed sensor device;
Таблица 1-представлены результаты полученных исследований параметров заявленного сенсорного устройства и подобных устройств известных из уровня техники.Table 1 shows the results of the obtained studies of the parameters of the claimed sensor device and similar devices known from the prior art.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Настоящее изобретение предназначено для обеспечения оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объекта. Принцип работы заявленного оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объекта согласно изобретению, основан на гетеродинном методе измерения, хорошо известном из уровня техники (см., например Jacobs, Stephen (30 November 1962). Technical Note on Heterodyne Detection in Optical Communications (PDF) (Report). Syosset, New York: Technical Research Group, Inc.), и основан на сравнении частоты исследуемого светового сигнала с частотой сигнала локального осциллятора-лазера. На фиг.1 представлена общая схема гетеродинного метода измерения, световой сигнал, представляющий собой генерируемое электрическое поле, описываемое, как (E1cos(ω1t)), и колеблющееся с очень высокой частотой, который отразился от объекта и сигнал от гетеродина или локального осциллятора(лазер), представляющего собой электрическое поле, описываемое, как (E2cos(ω2t)), с очень высокой частотой с помощью разделителя луча сводятся на фотодиоде, где измеряется фототок. Фотодиод служит идеальным квадратичным детектором, так как он измеряет оптическую мощность, которая пропорциональна квадрату электрического поля. При этом если частоты светового сигнала и сигнала от осциллятора незначительно различаются (порядка кГц или МГц) фотодиод определит эту разностную частоту. The present invention is intended to provide an optical sensing device for ranging, velocity and shape and structure identification of an object. The principle of operation of the claimed optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of an object according to the invention is based on a heterodyne measurement method well known in the art (see, for example, Jacobs, Stephen (30 November 1962). Technical Note on Heterodyne Detection in Optical Communications (PDF) (Report) Syosset, New York: Technical Research Group, Inc.), and is based on the comparison of the frequency of the light signal under investigation with the frequency of the signal of a local oscillator-laser. Figure 1 shows a general diagram of a heterodyne measurement method, a light signal representing a generated electric field, described as (E 1 cos (ω 1 t)), and oscillating at a very high frequency, which is reflected from the object and the signal from the local oscillator or a local oscillator (laser), which is an electric field described as (E 2 cos (ω 2 t)), with a very high frequency using a beam splitter, are converged on a photodiode, where the photocurrent is measured. The photodiode serves as an ideal square law detector because it measures optical power, which is proportional to the square of the electric field. In this case, if the frequencies of the light signal and the signal from the oscillator differ slightly (on the order of kHz or MHz), the photodiode will determine this difference frequency.
При этом ток (I), проходящий через фотодиод пропорционален квадрату результирующего электрического поля:In this case, the current (I) passing through the photodiode is proportional to the square of the resulting electric field:
(1)(one)
гдеWhere
I-результирующий ток фотодиода, вызванный падением на него одновременно локального и измерительного лучей,I is the resulting current of the photodiode caused by the simultaneous incidence of the local and measuring beams on it,
E1-напряженность электрического поля для светового сигнала,E 1 is the electric field strength for the light signal,
Е2-напряженность электрического поля для локального осциллятора, E 2 is the electric field strength for a local oscillator,
ω1 -частота электрического поля для светового сигналаω 1 is the frequency of the electric field for the light signal
ω2- частота электрического поля для сигнала локального осциллятора ω 2 is the frequency of the electric field for the signal of the local oscillator
t-время.t-time.
После ряда преобразования получаем следующее соотношение (2), характеризующее ток(I), проходящий через фотодиод:After a series of transformations, we obtain the following relation (2) characterizing the current (I) passing through the photodiode:
(2)(2)
Ток(I), проходящий через фотодиод определяется двумя компонентами: первая компонента (левая квадратная скобка) представляет собой сумму мощностей светового сигнала и сигнала осциллятора и сигнал, колеблющийся на разностной частоте (равной разности двух частот, а именно частот светового сигнала и сигнала осциллятора), а вторая компонента (правая квадратная скобка) представляет собой сигналы, колеблющееся на очень высоких частотах (выше оптических) и, следовательно, не обнаруживаемые фотодиодом. Левая компонента представляет собой следующее соотношение:The current (I) passing through the photodiode is determined by two components: the first component (left square bracket) is the sum of the powers of the light signal and the oscillator signal and the signal oscillating at the difference frequency (equal to the difference between the two frequencies, namely the frequencies of the light signal and the oscillator signal) , and the second component (right square bracket) represents signals that oscillate at very high frequencies (above optical) and, therefore, are not detected by the photodiode. The left component is the following ratio:
(3)(3)
Где компонента + отфильтровывается с использованием фильтра верхних частот, а компонента E1E2 cos(Δωt) характеризует гетеродинный сигнал, характеризующий разность частот, который и детектируется на фотодетекторе.Where is the component + is filtered using a high-pass filter, and the component E 1 E 2 cos (Δωt) characterizes the heterodyne signal characterizing the frequency difference, which is detected on the photodetector.
Изменяя линейно со временем частоту лазера (т.е. частоту излучаемого лазером электромагнитного поля) можно получить линейную зависимость разницы двух частот Δω (а именно частот светового сигнала и сигнала осциллятора)(Гц) от расстояния до объекта, отразившего световой сигнал. By varying the frequency of the laser linearly with time (i.e., the frequency of the electromagnetic field emitted by the laser), it is possible to obtain a linear dependence of the difference between the two frequencies Δω (namely, the frequencies of the light signal and the oscillator signal) (Hz) on the distance to the object that reflected the light signal.
(4)(four)
, где L - расстояние до объекта(м), с - скорость света(м/cек), α - скорость перестройки частоты лазерного излучения (Гц/с), where L is the distance to the object (m), s is the speed of light (m / s), α is the frequency of laser radiation frequency tuning (Hz / s)
Таким образом, расстояние до объекта и частота сигнала гетеродина оказываются линейно связаны и, определив частоту сигнала гетеродина, можно вычислить расстояние до объекта, отразившего световой сигнал:Thus, the distance to the object and the frequency of the local oscillator signal are linearly related and, having determined the frequency of the local oscillator signal, we can calculate the distance to the object that reflected the light signal:
(5)(five)
Таким образом, ток через фотодиод будет представлять собой сумму гармонических сигналов, причем для каждого гармонического сигнала частота этого сигнала будет определять расстояние до отразившего свет объекта, а амплитуда этого гармонического сигнала будет определять коэффициент отражения этого объекта. Для спектрального анализа тока фотодиода (т.е. для определений частот и амплитуд составляющих его гармонических сигналов) может быть применен метод быстрого преобразования ФурьеThus, the current through the photodiode will be the sum of harmonic signals, and for each harmonic signal, the frequency of this signal will determine the distance to the object reflecting light, and the amplitude of this harmonic signal will determine the reflectance of this object. For the spectral analysis of the photodiode current (i.e., to determine the frequencies and amplitudes of its constituent harmonic signals), the fast Fourier transform method can be applied
Далее представлены предпочтительные варианты реализации и Примеры оптического сенсорного устройства со ссылками на фиг. 2а и 2b, 2с, 2d и 2f.The following are preferred embodiments and Examples of the optical sensor device with reference to FIGS. 2a and 2b, 2c, 2d and 2f.
На фиг. 2а представлена схема оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов (далее, как сенсорное устройство), содержащего по меньшей мере один источник (11…1n) лазерного излучения (далее, как лазер), в частности поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL), работающий в диапазоне длин волн около 700-950нм, выполненный с возможностью оперативного регулирования параметров излучения посредством соответствующего по меньшей мере одного драйвера (21…2n) по сигналу от главного контроллера 9. При этом для каждого из по меньшего одного источника (11…1n)лазерного излучения предусмотрена соответствующая по меньшей мере одна коллимирующая оптика (31…3n), например в виде по меньшей мере одной коллимирующей микролинзы, расположенной над источниками (11…1n) лазерного излучения, светоделительное средство 4, например светоделительный куб 4 с полуотражающим зеркалом (не показано), расположенным внутри указанного куба, и выполненный с возможностью разделения луча на опорный и измерительный лучи. Кроме того светоделительный куб 4 содержит светоотражающее средство 5, выполненное в виде светоотражающей поверхности, расположенной на внешней или внутренней поверхности боковой грани светоделительного куба 4 или в виде зеркала 5(см. фиг.2с), расположенного перед боковой гранью светоделительного куба 4. Сенсорное устройство также содержит оптическое средство 6 направления луча, выполненное с возможностью направления по меньшей мере одного коллимированного пучка излучения в предварительно заданном направлении, при этом при одновременном функционировании нескольких источников (11…1n) лазерного излучения оптическое средство 6 направления луча отклоняет каждый из испускаемых лазерных пучков в предварительно заданном направлении, при этом оптическое средство (6) направления луча представляет собой линзу, имеющую плоскую поверхность со стороны, обращенной к светоделительному кубу 4 , а со стороны обращенной к объекту имеет поверхность, состоящую из по меньшей мере одной микролинзы, при этом каждая из по меньшей мере одной микролинзы соответствует по меньшей мере одному источнику лазерного излучения. При этом каждая из по меньшей мере одной микролинзы расположена под заданным углом к соответствующему падающему лазерному лучу и выполнена таким образом, чтобы соответствующий лазерный луч после прохождения через микролинзу был направлен в требуемом заданном направлении.FIG. 2a shows a diagram of an optical sensor device for determining the range, speed and identification of the shape and structure of objects (hereinafter, as a sensor device), containing at least one source (1 1 ... 1 n ) of laser radiation (hereinafter as a laser), in particular a surface emitting laser with a vertical resonator (VCSEL), operating in the wavelength range of about 700-950nm, made with the possibility of operational control of the radiation parameters by means of the corresponding at least one driver (2 1 ... 2 n ) by a signal from the
На фиг.8 представлен пример оптического средства (6) направления луча в виде линзы с полем зрения 17×17 градусов и количеством оптических микролинз или линзовых микроэлементов 25 (5×5), каждый отвечающий за направление одного лазерного луча в заданную точку объекта или оптическое средство направления луча может быть выполнено в виде по меньшей мере одной микролинзы (61…6n) (cм. Фиг. 2d).Figure 8 shows an example of optical means (6) for directing the beam in the form of a lens with a field of view of 17 × 17 degrees and the number of optical microlenses or lens microelements 25 (5 × 5), each responsible for directing one laser beam to a given point of the object or optical the means for guiding the beam can be made in the form of at least one microlens (6 1 ... 6 n ) (see Fig. 2d).
При этом в состав сенсорного устройства также входит по меньшей мере один детектор (71…7n), выполненный с возможностью детектирования испускаемого лазерного излучения и подсоединенный через по меньшей мере один преобразователь(81…8n) с главным контроллером 9, включающим процессор данных. При этом согласно фиг.2а в качестве одного варианта реализации, источники (11…1n) лазерного излучения образуют двухмерную матрицу излучателей, коллимирующая оптика (31…3n) образует двухмерную матрицу микролинз, а детекторы (71…7n) образуют двухмерную матрицу детекторов.In this case, the sensor device also includes at least one detector (7 1 ... 7 n ), configured to detect the emitted laser radiation and connected via at least one converter (8 1 ... 8 n ) with the
На фиг. 2b представлена схема оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно фиг.2а, в которой штрих-пунктирной линий выделен один измерительный канал, формируемый парой: один из источников (11…1n) лазерного излучения и один из детекторов (71…7n). При этом каждый из источников (11…1n) лазерного излучения с соответствующим драйвером из драйверов (21…2n) и каждый из детекторов из детекторов (71…7n) с соответствующим преобразователем из преобразователей (81…8n), образуют индивидуально функционирующий и индивидуально настраиваемый рабочий канал, при этом все указанные каналы могут работать одновременно или выборочно, в зависимости от управляющего сигнала, поступающего от главного контроллера (9).FIG. 2b shows a diagram of an optical sensor device for determining the range, speed and identification of the shape and structure of objects according to FIG. 2a, in which one measuring channel is highlighted by a dash-dotted line, formed by a pair: one of the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation and one of detectors (7 1 ... 7 n ). In this case, each of the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation with the corresponding driver from the drivers (2 1 ... 2 n ) and each of the detectors from the detectors (7 1 ... 7 n ) with the corresponding converter from the converters (8 1 ... 8 n ), form an individually functioning and individually adjustable working channel, while all these channels can work simultaneously or selectively, depending on the control signal coming from the main controller (9).
На фиг. 2с представлена схема сенсорного устройства, которая полностью повторяет схему сенсорного устройства согласно фиг.2а и 2b, за исключением расположения зеркала 5 не на боковой грани светоделительного куба 4, а вынесенного перед его боковой гранью. При этом функционирование сенсорного устройства согласно фиг. 2с полностью повторяет работу устройства по фиг.2а и 2b. FIG. 2c shows a diagram of the sensor device, which completely repeats the scheme of the sensor device according to FIGS. 2a and 2b, except for the location of the
На фиг. 2d представлена схема сенсорного устройства, которая полностью повторяет схему сенсорного устройства согласно фиг.2а и 2b, за исключением выполнения оптического средства 6 направления луча, которое представляет собой матрицу микролинз(61…6n), при этом каждая из микролинз (61…6n) обеспечивает направление лазерного луча в заданную точку объекта. При этом функционирование сенсорного устройства согласно фиг. 2d полностью повторяет работу устройства по фиг.2а и 2b. FIG. 2d shows a diagram of the sensor device, which completely repeats the scheme of the sensor device according to FIGS. 2a and 2b, except for the implementation of the
На фиг. 2e представлена схема сенсорного устройства, которая полностью повторяет схему сенсорного устройства согласно фиг.2а и 2b, за исключением добавления в схему оптического изолятора 10, представляющего собой оптический элемент, обеспечивающий прохождение лазерного луча только в одном направлении, а именно от источника лазерного излучения 1 к светоделительному средству 4, и расположенного между светоделительным средством 4 и по меньшей мере одним оптическим коллимирующим средством(31..3n), и выполненный с возможностью предотвращение попадания, отраженного от объекта света на по меньшей мере один источник (11..1n), лазерного излучения и предотвращения дестабилизации функционирования указанных источников. При этом функционирование сенсорного устройства согласно фиг. 2e полностью повторяет работу устройства по фиг.2а и 2b. FIG. 2e shows a diagram of the sensor device, which completely repeats the scheme of the sensor device according to FIGS. 2a and 2b, except for the addition of an
На фиг. 2f представлена схема сенсорного устройства, которая полностью повторяет схему сенсорного устройства согласно фиг.2а и 2b, только в схему вводится призма 11, за счет чего опорный и измерительные лучи после выхода из светоделительного куба 4 попадают на призму 11 и отразившись от ее внутренней поверхности перенаправляются на соответствующий детектор (71..7n), и за счет такой траектории прохождения луча обеспечивается более оптимальная компоновка элементов сенсорного устройства, что позволяет разместить источники (11..1n)лазерного излучения с драйверами (21..2n), и детекторы (71..7n), на одном чипе. Такая компоновка сенсорного устройства на одном чипе позволяет добиться значительного уменьшения размеров сенсорного устройства, что играет определяющую роль его использования в мобильных сенсорных средствах. На фиг.2f опущена часть схемы, иллюстрирующая преобразователи и главный контроллер, но она полностью повторяет схему фиг.2а и 2b. При этом функционирование сенсорного устройства согласно фиг. 2f полностью повторяет работу устройства по фиг.2а и 2b.FIG. 2f shows a diagram of the sensor device, which completely repeats the scheme of the sensor device according to FIGS. 2a and 2b, only the
При этом следует отметить, что все оптические элементы (источники лазерного излучения, коллимирующие средства, светоделительное средство оптическое средство направления луча, детекторы и другие оптические элементы), входящие в состав сенсорного устройства и представленные на фиг.2а-2f, оптически сопряжены друг с другом.It should be noted that all optical elements (laser sources, collimating means, beam splitting means, optical means for guiding the beam, detectors and other optical elements) included in the sensor device and shown in FIGS. 2a-2f are optically coupled to each other. ...
Сенсорное устройство согласно изобретению (cм. Фиг.2а-2f) работает следующим образом: лазерное излучение с предварительно заданной длиной (700-950 нм) волны испускается по меньшей мере одним из источников (11…1n) лазерного излучения, проходит через по меньшей мере одну из коллимирующих микролинз (31…3n), и попадает на светоделительный куб 4, где часть излучения -опорный луч (обозначен пунктирной линией на фиг. 2а-2f) отражается от полупрозрачного зеркала (не показано) внутри светоделительного куба 4 и попадает на отражающую поверхность 5 (фиг.2а) или зеркала 5 (см. фиг. 2с) светоделительного куба 4, отразившись от которой попадает на соответствующий по меньшей мере один детектор (71…7n), а вторая часть излучения-измерительный луч (обозначен сплошной линией на фиг. 2а-2f) проходит через светоделительный куб 4 и попадает на оптическое средство 6 направления луча, выполненное с возможностью направления указанного измерительного луча под заданным углом на исследуемый объект, где отразившись от него отраженный измерительный луч проходит средство 6 направления луча и светоделительный куб 4 и попадает на соответствующий детектор из детекторов (71…7n), где происходит измерения разности частот Δω, от двух сигналов, образованных опорным и измерительным лучом согласно гетеродинному методу измерения, описанному выше.The sensor device according to the invention (see Fig. 2a-2f) operates as follows: laser radiation with a predetermined wavelength (700-950 nm) is emitted by at least one of the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation, passes through at least one of the collimating microlenses (3 1 ... 3 n ), and falls on the
Описанная на фиг.2а-2f, схема сенсорного устройства согласно изобретению обеспечивает работу каждой пары, образующей измерительный канал, например источник (11) лазерного излучения (эммитер) и детектор (71) в фиксированном направлении по направлению к точке объекта. Таким образом, объект, подлежащий исследованию, сканируется одновременно, и каждая пара: эммитер-детектор нацелена на одну свою определенную точку, расположенную на объекте, сенсорное устройство охватывает таким образом все поле зрения. При этом каждый измерительный канал, образованный соответствующей парой-эммитер и детектор (cм. фиг.2b, выделено штрих-пунктирной линией), работает независимо от других каналов, но при этом сканирование объекта источниками (11…1n) лазерного излучения и детекторами (71…7n) выполняется одновременно. Благодаря такой схеме сенсорного устройства расстояние до объекта и скорость объекта(объектов) измеряется в одно и тоже время (t), что повышает точность получаемых параметров и высокую скорость работы сенсорного устройства согласно изобретению. Described in FIGS. 2a-2f, the scheme of the sensor device according to the invention ensures the operation of each pair forming the measuring channel, for example, a source (1 1 ) of laser radiation (emitter) and a detector (7 1 ) in a fixed direction towards the point of the object. Thus, the object to be examined is scanned simultaneously, and each pair: the emitter-detector is aimed at one of its specific points located on the object, the sensor device thus covers the entire field of view. In this case, each measuring channel formed by the corresponding pair-emitter and detector (see Fig. 2b, highlighted by a dash-dotted line), operates independently of other channels, but at the same time scanning the object by sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation and detectors (7 1 … 7 n ) runs simultaneously. Thanks to such a scheme of the sensor device, the distance to the object and the speed of the object (objects) are measured at the same time (t), which increases the accuracy of the obtained parameters and the high speed of the sensor device according to the invention.
Благодаря этому, не возникает эффект нечеткости или размытия изображения движущегося объекта, поскольку дистанция до объекта измеряется в один и тот же момент времени, в отличие от традиционных устройств измерения дальности (лидаров), где при сканировании объекта, каждая последующая точка объекта, на который падает луч смещена на некоторое Δt и на некоторое расстояние Δs , чем обусловлено возникновение искажений изображения объекта, которое наглядно видно на фиг. 3а, где представлено несколько искаженное изображение объекта в виде черного кота. При этом такое же изображение на фиг. 3b демонстрирует четкое изображение, поскольку все точки объекта сканируются одновременно по всему полю зрения. Высокая скорость работы описываемого сенсорного устройства обеспечивается за счет проведения измерения во всем поле зрения одновременно и отсутствии механических вращающихся частей, ограничивающих скорость в классических лидарах.Due to this, the effect of fuzziness or blurring of the image of a moving object does not occur, since the distance to the object is measured at the same moment in time, in contrast to traditional distance measuring devices (lidars), where, when scanning an object, each subsequent point of the object falling on the beam is displaced by some Δt and some distance Δs, which causes the appearance of distortions in the image of the object, which is clearly seen in Fig. 3a, which shows a slightly distorted image of an object in the form of a black cat. In this case, the same image in FIG. 3b shows a clear image as all points of the object are scanned simultaneously across the entire field of view. The high speed of operation of the described sensor device is provided due to the measurement in the entire field of view at the same time and the absence of mechanical rotating parts that limit the speed in classical lidars.
Работа оптического сенсорного устройства определения дальности, скорости и идентификации формы и структуры объектов согласно изобретению основана на принципе непрерывного излучения с частотной модуляцией(FMCW), что позволяет регулировать разрешение по длине и частоту кадров «на лету», т.е. во время функционирования сенсорного устройства, не внося конструктивных изменений непосредственно в само устройство, а лишь изменяя рабочие параметры источников (11…1n) лазерного излучения, а именно ток, подаваемый в источники (11…1n) лазерного излучения через драйверы (21…2n) по сигналу от главного контроллера (9).The operation of the optical sensor device for determining the range, velocity and identification of the shape and structure of objects according to the invention is based on the principle of frequency-modulated continuous radiation (FMCW), which makes it possible to adjust the length resolution and frame rate on the fly, i. E. during the operation of the sensor device, without making structural changes directly to the device itself, but only by changing the operating parameters of the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation, namely the current supplied to the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation through the drivers ( 2 1 … 2 n ) by a signal from the main controller (9).
Одним из параметров, определяемым заявленным сенсорным устройством является оперативное разрешение (Res) по дальности. One of the parameters determined by the declared sensor device is the operational resolution (Res) in terms of range.
При этом, авторы провели экспериментальные исследования, при которых в сенсорном устройстве согласно изобретению амплитуда модуляции тока накачки, подаваемая на источники (11…1n) лазерного излучения, составляла 3мА (ток накачки менялся от 3 мА до 6 мА), при этом разрешение по дальности составляло 0.25 мм , а при амплитуде модуляции тока 1мА (ток накачки менялся от 4 мА до 5 мА) разрешение по дальности составляло 0,75 мм. В обоих случаях изменение значения тока, подаваемого на источники лазерного излучения позволяло регулировать разрешение по дальности до объекта. При этом длина волны источников лазерного излучения составляла 850 нм.At the same time, the authors conducted experimental studies in which the amplitude of modulation of the pump current supplied to the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation in the sensor device according to the invention was 3 mA (the pump current varied from 3 mA to 6 mA), while the resolution the range was 0.25 mm, and with a current modulation amplitude of 1 mA (the pump current varied from 4 mA to 5 mA), the range resolution was 0.75 mm. In both cases, a change in the value of the current supplied to the laser radiation sources made it possible to adjust the resolution in terms of the distance to the object. In this case, the wavelength of the laser radiation sources was 850 nm.
Аналогичные исследования были проведены и при длине волны источников лазерного излучения равной 780 нм. При этом амплитуда модуляции тока накачки, подаваемый на источники (11…1n) лазерного излучения, составлял 40мА (ток накачки менялся от 80 мА до 120 мА), при этом разрешение по дальности составляло 6 мм, а при амплитуде модуляции тока 10 мА (ток накачки менялся от 100 мА до 110 мА) разрешение по дальности составляло 25 мм. В обоих случаях изменение значения тока, подаваемого на источники лазерного излучения, позволяло регулировать разрешение по дальности до объекта.Similar studies were carried out at a wavelength of laser radiation sources equal to 780 nm. In this case, the amplitude of modulation of the pump current supplied to the sources (1 1 ... 1 n ) of laser radiation was 40 mA (the pump current was varied from 80 mA to 120 mA), while the range resolution was 6 mm, and with a modulation amplitude of the current of 10 mA (the pump current was varied from 100 mA to 110 mA) the range resolution was 25 mm. In both cases, a change in the value of the current supplied to the laser radiation sources made it possible to adjust the resolution in terms of the distance to the object.
Разрешение (Res) по дальности может быть вычислено как:Range resolution (Res) can be calculated as:
(6)(6)
Res (6)Res (6)
c- скорость света (м/cек), c - speed of light (m / s),
Ώ-зависимость частоты излучаемого лазерного света в зависимости от тока, накачиваемого в по меньшей мере один источник (11…1n) лазерного излучения (далее, как лазер) (Гц/мА),Ώ-dependence of the frequency of the emitted laser light depending on the current pumped into at least one source (1 1 ... 1 n ) of laser radiation (hereinafter referred to as a laser) (Hz / mA),
dI- амплитуда модуляции тока источника лазерного излучения в процессе сканирования объекта (мА)(т.е. перестройка источника лазерного излучения по току в процессе сканирования объекта.dI is the amplitude of the modulation of the current of the laser radiation source during the scanning of the object (mA) (i.e., the restructuring of the laser radiation source by current during the scanning of the object.
Изменяя амплитуду модуляции тока (dI) в процессе сканирования объекта имеется возможность изменять оперативно разрешение по дальности.By changing the amplitude of the modulation of the current (dI) in the process of scanning the object, it is possible to change the operative range resolution.
На графиках 4а и 4b наглядно продемонстрированы графики, иллюстрирующие зависимость разрешения по длине от тока, а на фиг. 5а и 5b графики, иллюстрирующие зависимость частоты кадров от тока накачки лазера для случаев высокой и средней частоты кадров (т.е. количества измерений в единицу времени), где на фиг. 4а показана зависимость тока накачки источника лазерного излучения (лазера) от времени, при которой реализуется среднее разрешение определения расстояния (примерно 3 мм) и на фиг. 4b зависимость тока накачки источника лазерного излучения (лазера) от времени, при которой реализуется высокое разрешение определения расстояния (примерно 0.25 мм). При этом на фиг. 5а показана средняя скорость сканирования, а на фиг. 5b-высокая скорость сканирования. По ординате указано значение тока, подаваемого в источник лазерного излучения(мА), а по абсциссе-время (сек). На указанных графиках один период соответствует одному измерению. Из указанных графиков видно, что чем быстрее сигнал повторяется, тем выше частота кадров. Чем выше амплитуда сигнала (т.е. размах между минимумом и максимумом), тем выше точность определения расстояния.Graphs 4a and 4b clearly show graphs illustrating the dependence of the length resolution on the current, and in Fig. 5a and 5b are graphs illustrating the dependence of the frame rate on the pump current of the laser for cases of high and medium frame rates (i.e., the number of measurements per unit time), where in FIG. 4a shows the dependence of the pump current of the laser radiation source (laser) on time, at which the average resolution of the distance determination (about 3 mm) is realized, and in Fig. 4b dependence of the pump current of the laser radiation source (laser) on time, at which a high resolution of the distance determination is realized (about 0.25 mm). In addition, in FIG. 5a shows the average scan rate and FIG. 5b-high scanning speed. The ordinate indicates the value of the current supplied to the laser source (mA), and the abscissa indicates the time (sec). In these charts, one period corresponds to one dimension. It can be seen from these graphs that the faster the signal repeats, the higher the frame rate. The higher the signal amplitude (i.e. the swing between the minimum and maximum), the higher the accuracy in determining the distance.
Поскольку заявленное сенсорное устройство основано на принципе непрерывного излучения с частотной модуляцией(FMCW), помимо определения дальности до объекта оно может идентифицировать параметры самого объекта, т.к. заявленное сенсорное устройство способно выдавать данные распределения коэффициентов отражения в зависимости от структуры поверхности объекта.Since the claimed sensor device is based on the principle of frequency-modulated continuous radiation (FMCW), in addition to determining the distance to the object, it can identify the parameters of the object itself, because The inventive sensor device is capable of outputting data on the distribution of reflection coefficients depending on the surface structure of the object.
Классические оптические устройства определения дальности (лидары), основанные на время-пролетном принципе в качестве «сырых», т.е. не подвергающихся обработке, данных возвращают по каждому направлению одну точку, которая соответствует времени полета света до объекта, от которого отразился свет обратно в лидар. В отличие от традиционных время-пролетных лидаров, заявленное устройство обеспечивает в качестве «сырых» (необработанных) данных информацию распределения коэффициента отражения по каждому лучу, в зависимости от дистанции, отразившемуся от объекта.Classical optical ranging devices (lidars) based on the time-of-flight principle as "raw", i.e. of unprocessed data, one point is returned in each direction, which corresponds to the time of flight of the light to the object, from which the light was reflected back into the lidar. In contrast to traditional time-of-flight lidars, the claimed device provides, as "raw" (unprocessed) data, information on the distribution of the reflection coefficient for each beam, depending on the distance reflected from the object.
На фиг. 6а, 6b представлены графики, на которых наглядно продемонстрирован этот принцип работы.FIG. 6a, 6b are graphs that clearly demonstrate this principle of operation.
На фиг. 6а представлена схема расположения прозрачных и непрозрачных объектов на пути следования луча, испускаемого источником лазерного излучения (лазер), а на фиг. 6b проиллюстрировано распределение коэффициентов отражения, получаемых при прохождения лазерного луча через прозрачные или непрозрачные объекты. Как видно из фиг. 6а на пути следования лазерного луча расположены два прозрачных окна(стеклянные пластины) и далее расположен достаточно протяженный непрозрачный объект, например стена.FIG. 6a shows a diagram of the arrangement of transparent and opaque objects along the path of the beam emitted by the laser radiation source (laser), and FIG. 6b illustrates the distribution of reflectances obtained when a laser beam passes through transparent or opaque objects. As seen in FIG. 6a on the path of the laser beam there are two transparent windows (glass plates) and then there is a sufficiently extended opaque object, for example a wall.
Лазерный луч, испускаемый из источника (11….1n) лазерного излучения(лазер), проходит через, расположенные по пути следования луча, два прозрачных окна (две тонкие стеклянные пластины), которые пропускают большую часть излучения (90%) , а незначительная часть излучения (5-10%) рассеивается или отражается при прохождении через указанные прозрачные объекты. Соответственно на фиг. 6b изображены два маленьких пика, характерные для отраженного от прозрачных объектов луча и один большой пик, характерный для луча, практически полностью отраженного от стены. Как видно из графика амплитуды пиков пропорционально коэффициенту отражения светового сигнала (т.к. отражения от объектов на различном расстоянии приведет к сигналу от фотодетектора на разных частотах, которые могут быть легко различены согласно формуле (4)).The laser beam emitted from a source (1 1 ... .1 n ) of laser radiation (laser) passes through two transparent windows (two thin glass plates) located along the path of the beam, which transmit most of the radiation ( 90%), and an insignificant part of the radiation (5-10%) is scattered or reflected when passing through the indicated transparent objects. Accordingly, in FIG. 6b shows two small peaks characteristic of a beam reflected from transparent objects and one large peak characteristic of a beam that is almost completely reflected from a wall. As can be seen from the graph, the peak amplitudes are proportional to the reflection coefficient of the light signal (since reflections from objects at different distances will lead to a signal from the photodetector at different frequencies, which can be easily distinguished according to formula (4)).
Таким образом, по указанным графикам можно судить о типе объектов, находящихся на пути распространения луча из источника лазерного излучения, т.е. два малых пика-маленькое отражение от прозрачного объекта(стекло) и один большой пик (большое отражение от непрозрачного объекта(стены). Thus, according to the indicated graphs, it is possible to judge the type of objects located in the path of the beam propagation from the laser radiation source, i.e. two small peaks - a small reflection from a transparent object (glass) and one large peak (a large reflection from an opaque object (wall).
Далее, когда сигнал преобразуется из частоты в расстояние, т.е. в метры, можно сделать вывод, что по ходу луча располагаются два объекта, которые мало отражают свет обратно в сенсорное устройство (т.е. прозрачные объекты) и за ними расположен один объект, с высоким коэффициентом отражения(большой пик), света от этого объекта (т.е. стена) обратно в сенсорное устройство.Further, when the signal is converted from frequency to distance, i. E. in meters, we can conclude that along the path of the beam there are two objects that reflect little light back into the sensor device (i.e. transparent objects) and behind them there is one object with a high reflection coefficient (large peak) of light from this object (i.e. wall) back to the touch device.
Таким образом, такая функция сенсорного устройства согласно изобретению, позволит повысить качество навигации внутри пространства дома или другого пространства, поскольку классические время-пролетные лидары смогут распознать только сильно отражающие объекты и не способны различить объекты с малым коэффициентом отражения (прозрачные или полупрозрачные объекты).Thus, such a function of the sensor device according to the invention will improve the quality of navigation within the space of a house or other space, since classical time-of-flight lidars will be able to recognize only highly reflective objects and are not able to distinguish objects with a low reflectivity (transparent or translucent objects).
Заявленное сенсорное устройство способно также распознавать или идентифицировать характеристические признаки поверхности прозрачных и непрозрачных объектов через которые распространяется и/или отражается луч, испускаемый из по меньшей мере одного источника (11…1n) лазерного излучения. При этом распознавание или идентификация структуры, или материала объекта может выполняться на основании распределения коэффициентов отражения вдоль траектории луча.The claimed sensor device is also capable of recognizing or identifying characteristic features of the surface of transparent and opaque objects through which a beam emitted from at least one source (1 1 ... 1 n ) of laser radiation propagates and / or is reflected. In this case, the recognition or identification of the structure or material of the object can be performed based on the distribution of the reflection coefficients along the ray path.
На фиг. 7а представлен пример расположения объекта, представляющего собой ткань, на фиг. 7b представлен вид структуры ткани с более плотным «слоем» внутри ткани и на фиг. 7с представлена схема распределения коэффициента отражения, вдоль хода лазерного луча, соответствующая примеру расположения объекта, представляющего собой ткань. На фиг.7а представлена схема, иллюстрирующая распространение луча, испускаемого из по меньшей мере одного источника (11…1n) лазерного излучения (лазер) через достаточно протяженный объект (например, ткань) по ходу распространения луча, где каждый объект можно условно разделить на слои, в данном случае послойное разделение куска ткани наглядно изображено на фиг. 7b и каждый слой объекта по его протяженности вносит свой вклад в отражение. При этом полезный сигнала, проходящий и/или отраженный от объекта в данном случае повторяет картину отражения или рассеяния объекта. В общем случае, каждый слой материала объекта будет отражать луч и проявлять себя как сигнал, характеризующий отражательную способность по ходу следования луча, что наглядно видно на фиг.7с, где более высокий пик соответствует более высокому коэффициенту отражения внутреннего слоя ткани. FIG. 7a shows an example of the arrangement of a fabric object, FIG. 7b is a view of a fabric structure with a denser "layer" within the fabric, and FIG. 7c is a diagram of the distribution of the reflection coefficient, along the path of the laser beam, corresponding to an example of the location of the object, which is a tissue. Fig. 7a is a diagram illustrating the propagation of a beam emitted from at least one source (1 1 ... 1 n ) of laser radiation (laser) through a sufficiently extended object (for example, tissue) along the path of the beam propagation, where each object can be conditionally divided into layers, in this case the layer-by-layer separation of the piece of fabric is clearly shown in FIG. 7b and each layer of the object, along its length, contributes to the reflection. In this case, the useful signal transmitted and / or reflected from the object in this case repeats the pattern of reflection or scattering of the object. In general, each layer of the object material will reflect the beam and manifest itself as a signal indicative of the reflectivity along the path of the beam, as clearly seen in Fig.7c, where a higher peak corresponds to a higher reflectivity of the inner tissue layer.
Таким образом по распределению отражательной способности объекта можно судить о природе материала из которого выполнен объект.Thus, by the distribution of the reflectivity of the object, one can judge the nature of the material from which the object is made.
Объекты с высокой отражательной способностью, например бетонные стены, металлические предметы и т. д, отражают практически 100% света от своей поверхности, что дает узкий пик в спектре сигнала.Highly reflective objects such as concrete walls, metal objects, etc. reflect almost 100% of the light from their surface, resulting in a narrow peak in the signal spectrum.
Объекты с низкой отражающей способностью, например предметы из стекла, кожи, ткани и т.д., отражают часть света от поверхности, а также больше света отражается от подповерхностных областей, когда свет проникает в материал. Это дает широкий, неровный пик. Анализируя форму пика, т.е. ширину и высоту, можно оценить тип материала протяженного объекта. Этот наглядно продемонстрировано на графике фиг. 7с, характеризующий распределение отражательной способности сигнала, отраженного от ткани. Low-reflective objects, such as glass, leather, fabric, etc., reflect some of the light off the surface, and more light is reflected off the subsurface as the light enters the material. This produces a wide, uneven peak. By analyzing the shape of the peak, i.e. width and height, you can estimate the type of material of the extended object. This is clearly illustrated in the graph of FIG. 7c, which characterizes the distribution of the reflectance of the signal reflected from the tissue.
Таким образом заявленное сенсорное устройство выполнено с возможностью обеспечения высокого разрешения изображения движущегося объекта в сочетании с обнаружением множественных отражений вдоль пути луча, что позволяет дифференцировать целевой объект в зависимости от того, как целевые объекты отражают луч от источника лазерного излучения. Thus, the inventive sensor device is configured to provide a high resolution image of a moving object in combination with multiple reflections detection along the beam path, which makes it possible to differentiate the target object depending on how the target objects reflect the beam from the laser source.
Авторы провели ряд экспериментальных исследований и классифицировали картины распределения отражательной способности некоторых целевых объектов: стекла, бетона(кирпича), ткани. Таким образом по профилю пиков, характерных для сигнала отражения для различных материалов объектов, можно распознать материалы, из которых выполнены объекты и их форму. The authors carried out a number of experimental studies and classified the patterns of the distribution of the reflectivity of some target objects: glass, concrete (brick), fabric. Thus, the profile of the peaks characteristic of the reflection signal for various materials of objects, it is possible to recognize the materials from which the objects are made and their shape.
На фиг. 9а, 9b, 9c и 9d представлены графики, иллюстрирующие распределение отражательной способности в зависимости от материала объектов (пластик, кожа, ткань, стекло), где по оси ординат в условных единицах обозначена отражательная способность (отражение), а по оси абсцисс расстояние в мм (т.е. расстояние от сенсорного устройство до объекта, которое в ходе эксперимента было примерно 150 мм). FIG. 9a, 9b, 9c and 9d are graphs illustrating the distribution of reflectivity depending on the material of objects (plastic, leather, fabric, glass), where the ordinate in arbitrary units denotes the reflectivity (reflection), and the abscissa is the distance in mm (i.e. the distance from the sensor device to the object, which was approximately 150 mm during the experiment).
На фиг.9а представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта пластиковой пластинки. При этом на графике можно заметить большую высоту пика сигнала и малую ширину.Fig. 9a is a graph illustrating a signal obtained using a plastic plate as an object. At the same time, one can notice a large height of the signal peak and a small width on the graph.
На фиг.9b представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта кожи ладони человека. При этом на графике можно заметить: низкую высоту пика структуры (более пологую часть пика справа, говорящую о проникновении света под поверхность и отражающуюся от глубинных слоев объекта), существенную ширину.Fig. 9b is a graph illustrating a signal obtained using human palm skin as an object. At the same time, one can notice on the graph: a low height of the structure peak (the flatter part of the peak on the right, indicating the penetration of light under the surface and reflecting from the deep layers of the object), a significant width.
На фиг.9с представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта ткани (медицинской маски). При этом а графике можно заметить: низкую высоту пика, структуру пика (видно, что он состоит из двух рядом расположенных максимумов) и существенную ширину.Fig. 9c is a graph illustrating a signal obtained using a tissue (medical mask) as an object. At the same time, one can notice in the graph: a low peak height, a peak structure (it can be seen that it consists of two adjacent maxima) and a significant width.
На фиг.9d представлен график, иллюстрирующий сигнал, полученный при использовании в качестве объекта стеклянной пластинки толщиной 20 мм. При этом а графике можно заметить: большую высоту пика, малую ширину и наличие двух пиков (это явно говорит об отражении от двух поверхностей, расположенных друг за другом - в данном случае от передней и задней поверхности стеклянной пластинки). Fig. 9d is a graph illustrating a signal obtained using a 20 mm thick glass plate as an object. At the same time, you can see in the graph: a large peak height, small width and the presence of two peaks (this clearly indicates reflection from two surfaces located one after the other - in this case, from the front and rear surfaces of the glass plate).
Представленные на фиг.9а-9d, в виде графиков, экспериментальные данные, наглядно иллюстрируют существенные отличия формы сигналов в зависимости от материала (структуры) отражающего объекта. Форма сигнала может быть использована, как исходные данные для алгоритма распознавания типа материала.The experimental data presented in Figs. 9a-9d, in the form of graphs, clearly illustrate the significant differences in the waveforms depending on the material (structure) of the reflecting object. The waveform can be used as input data for the material type recognition algorithm.
Полученные экспериментальные данные используются для настройки алгоритма машинного обучения, предназначенного для классификации результатов данных отклика, полученных на детекторах (71..7n) и поступающих на главный контроллер 9 (далее, контроллер), где осуществляется классификация полученных данных отклика от объекта на основе предварительно настроенного алгоритма главного контроллера 9, на основе которой выводится результат о структуре и форме объекта.The obtained experimental data are used to set up a machine learning algorithm designed to classify the results of the response data obtained on the detectors (7 1 ..7 n ) and arriving at the main controller 9 (hereinafter referred to as the controller), where the classification of the received response data from the object is carried out based on pre-configured algorithm of the
Заявленное сенсорное устройство также выполнено с возможностью измерения скорости каждой точки объекта, которая измеряется одновременно с дистанцией до объекта, в отличие от известных из уровня техники лидаров, где скорость определяется на основании местоположения объектов на двух последующих кадрах (под «кадром» в данном случае понимается одно измерение расстояний до объекта в поле зрения устройства, выполненное одновременно).The claimed sensor device is also configured to measure the speed of each point of the object, which is measured simultaneously with the distance to the object, in contrast to the lidars known from the prior art, where the speed is determined based on the location of objects in two subsequent frames (by "frame" in this case is meant one measurement of distances to an object in the field of view of the device, performed simultaneously).
При движении объекта, свет, отражающийся от него, испытывает сдвиг частоты из-за эффекта доплера. Это сдвиг описывается формулой:As an object moves, the light reflected from it experiences a frequency shift due to the Doppler effect. This shift is described by the formula:
(7)(7)
, ,
где ω0 - частота падающего света(Гц), V - скорость объекта(м/c), с - скорость света(м/с).where ω 0 is the frequency of the incident light (Hz), V is the speed of the object (m / s), s is the speed of light (m / s).
Таким образом, разница частот источника лазерного излучения и измерительного сигнала оказывается равной:Thus, the difference between the frequencies of the laser radiation source and the measuring signal is equal to:
(8)(eight)
где ω0 - частота падающего света(Гц), V - скорость объекта(м/с), с - скорость света(м/с), L - расстояние до объекта(м), α - скорость нарастания частоты излучения (Гц/с), т.е. скорость измерения мгновенной частоты испускаемого источником лазерного излучения(лазер).where ω 0 is the frequency of the incident light (Hz), V is the speed of the object (m / s), s is the speed of light (m / s), L is the distance to the object (m), α is the rate of rise of the radiation frequency (Hz / s) ), i.e. the rate of measurement of the instantaneous frequency of the laser radiation emitted by the source (laser).
Например, если лазер изменяет свою длину волны с 852 нм (частота=352.1 ТГц) до 850 нм (частота=352.9 ТГц) за время 0.1 секунды, то скорость нарастания частоты оказывается равной .For example, if a laser changes its wavelength from 852 nm (frequency = 352.1 THz) to 850 nm (frequency = 352.9 THz) in a time of 0.1 seconds, then the rate of rise of frequency is equal to ...
Из формулы (8) видно, что на измеряемую частоту сигнала фотодетектора влияет как расстояние (L) до объекта, так и скорость объекта (V). Чтобы иметь возможность отдельно измерить скорость и расстояние до объекта, предлагается провести два измерения последовательно друг за другом: сначала, когда скорость нарастания частоты равна α, а затем - когда скорость нарастания частоты равна -α. (т.е. частота падает со временем). It can be seen from formula (8) that the measured frequency of the photodetector signal is influenced by both the distance (L) to the object and the object's velocity (V). In order to be able to separately measure the speed and distance to the object, it is proposed to carry out two measurements sequentially one after the other: first, when the rate of rise of frequency is equal to α, and then - when the rate of rise of frequency is equal to -α. (i.e. the frequency falls over time).
При этом во время нарастания частоты будет измерена частота Δw1:In this case, during the rise in frequency, the frequency Δw 1 will be measured:
(9)(nine)
где Δω1 -разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при нарастании частоты излучения (Гц), ω0 - частота падающего света(Гц), V - скорость объекта(м/с), с - скорость света(м/с), L - расстояние до объекта(м), α - скорость нарастания частоты излучения (Гц/с).where Δω 1 is the frequency difference of the signals generated by the measuring and reference beams with increasing radiation frequency (Hz), ω 0 is the frequency of the incident light (Hz), V is the object's speed (m / s), s is the speed of light (m / s) , L is the distance to the object (m), α is the rate of rise of the radiation frequency (Hz / s).
А во время спада частоты будет измерена частота Δw2:And during the fall of the frequency, the frequency Δw 2 will be measured:
(10)(10)
где Δω2 -разность частот сигналов, сформированных измерительным и опорными лучами при спаде частоты излучения (Гц), ω0 - частота падающего света(Гц), V - скорость объекта(м/с), с - скорость света(м/с), L - расстояние до объекта(м), α - скорость нарастания частоты излучения (Гц/с)where Δω 2 is the difference between the frequencies of the signals generated by the measuring and reference beams at a decrease in the radiation frequency (Hz), ω 0 is the frequency of the incident light (Hz), V is the speed of the object (m / s), s is the speed of light (m / s) , L is the distance to the object (m), α is the rate of rise of the radiation frequency (Hz / s)
Таким образом, расстояние до объекта L и его скорость V могут быть вычислены по формуле:Thus, the distance to the object L and its speed V can be calculated by the formula:
(11)(eleven)
Эти вычисления могут быть выполнены в главном контроллере (9).These calculations can be performed in the main controller (9).
Основные эффекты заявленного устройстваThe main effects of the claimed device
Заявленное сенсорное устройство обеспечивает одновременное измерение расстояния до объекта, скорость движения объекта, а также форму и структуру объекта, например материал из которого выполнен указанный объект. The claimed sensor device provides simultaneous measurement of the distance to the object, the speed of the object, as well as the shape and structure of the object, for example, the material of which the specified object is made.
Указанное заявленное устройство представляет собой компактный датчик, предназначенный для использования в маленьких роботах и других бытовых приборов, как внутри дома, так и вне его. The specified claimed device is a compact sensor designed for use in small robots and other household appliances, both inside and outside the home.
Кроме того, указанное сенсорное устройство характеризуется высокой надежностью, поскольку его конструктивное выполнение не предусматривает наличие движущихся механических частей или деталей. Как уже указывалось в описании в основу работы сенсорного устройства положен интерферометрический способ, что способствует возможности работы заявленного устройства как внутри дома, так и вне дома рядом с источниками яркого света и другими лидарами, поскольку указанный интерферометрический метод предусматривает детектирование только света, излучаемого самим сенсорным устройством и не реагирует на другие источники излучения, например яркие лампы, солнце, луна и другие источники излучения, т.е. нет проблем с засветками от других потенциальных источников излучения.In addition, the specified sensor device is characterized by high reliability, since its design does not provide for the presence of moving mechanical parts or parts. As already indicated in the description, the operation of the sensor device is based on the interferometric method, which facilitates the operation of the claimed device both inside the house and outside the house next to bright light sources and other lidars, since the specified interferometric method provides for the detection of only light emitted by the sensor device itself and does not react to other sources of radiation, such as bright lamps, the sun, the moon and other sources of radiation, i.e. no problem with flares from other potential radiation sources.
Заявленное сенсорное устройство позволяет одновременно определять, как расстояние до объекта, так и его скорость, что позволяет использовать новые алгоритмы для навигации. Кроме того, заявленное устройство позволяет получить данные (FMCW сигнал), которые после некоторой обработки характеризуют структуру объекта. The claimed sensor device makes it possible to simultaneously determine both the distance to the object and its speed, which makes it possible to use new algorithms for navigation. In addition, the claimed device allows obtaining data (FMCW signal), which, after some processing, characterize the structure of the object.
Кроме того, в заявленном сенсорном устройстве обеспечивается оперативное изменение параметров лазерной модуляции сенсорного устройства. Например, для увеличения частоты кадров необходимо увеличить частоту модуляции тока (по сигналу от главного контроллера 9), а для улучшения разрешения необходимо увеличить амплитуду модуляции тока накачки (по сигналу от главного контроллера 9), что приведет к большей амплитуде модуляции длины волны. Указанные возможности сенсорного устройства согласно изобретению позволяют оперативно менять функцию устройства, например сенсорное устройство может работать для целей навигации при функционировании с бытовым пылесосом, но при необходимости, легко можно перестроить работу устройства на малое количество точек сканирования объекта, но с более высоким разрешением и высокой частотой кадров, что обеспечивает его работу в качестве датчика жестов ( в данном случае по сигналу управления от главного контроллера 9 сокращается количество одновременно функционирующих источников лазерного излучения(по сравнению с предыдущим случаем), но увеличивается амплитуда модуляции тока, подаваемого на указанные источники (11…1n) лазерного излучения, что повышает разрешение изображения объекта и скорость кадров), в случае попеременного режима работы источников (11…1n) лазерного излучения, обеспечивается работа сенсорного устройства как 3-ех мерного сканера. Таким образом, заявленное устройство позволяет оперативно менять свой режим работы в зависимости от поставленной задачи пользователя. In addition, the claimed sensor device provides an operational change in the laser modulation parameters of the sensor device. For example, to increase the frame rate, it is necessary to increase the frequency of modulation of the current (according to the signal from the main controller 9), and to improve the resolution, it is necessary to increase the amplitude of the modulation of the pump current (according to the signal from the main controller 9), which will lead to a greater amplitude of the wavelength modulation. The specified capabilities of the sensor device according to the invention make it possible to quickly change the function of the device, for example, the sensor device can operate for navigation purposes when operating with a household vacuum cleaner, but if necessary, it is easy to rearrange the operation of the device for a small number of scanning points of the object, but with a higher resolution and high frequency frames, which ensures its operation as a gesture sensor (in this case, according to a control signal from the
В общем случае выходными данным от сенсорного устройства является распределение отражающих и рассеивающих свет объектов (с их формой) в окружающем пространстве.In general, the output from a sensor device is the distribution of light reflecting and scattering objects (with their shape) in the surrounding space.
Для работы в режиме датчика жестов сенсорное устройство может перейти в режим c более высокой частотой кадров (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с частотой 10 кадров/сек, то в режиме датчика жестов оно функционирует с частотой 50 кадров/сек), более высоким разрешением (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с разрешением в 5 мм, то в режиме датчика жестов оно функционирует с разрешением 0.2 мм) и более узким полем зрения (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с полем зрения 50°, то в режиме датчика жестов оно функционирует с полем зрением 15°, путем сокращения числа опрашиваемых фотодетекторов). При этом реализуется оптимальное соотношения параметров для получения изображения жеста пользователя.To work in the gesture sensor mode, the touch device can switch to a mode with a higher frame rate (for example, if in normal mode the touch device operates at a frequency of 10 frames / sec, then in the gesture sensor mode it operates at a frequency of 50 frames / sec), more high resolution (for example, if in normal mode the touch device operates with a resolution of 5 mm, then in gesture sensor mode it operates with a resolution of 0.2 mm) and a narrower field of view (for example, if in normal mode the touch device operates with a field of view of 50 ° , then in the gesture sensor mode it operates with a field of view of 15 °, by reducing the number of interrogated photodetectors). In this case, an optimal ratio of parameters is realized to obtain an image of a user's gesture.
Для работы в режиме трехмерного сканера сенсорное устройство может перейти в режим с низкой частотой кадров (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с частотой 10 кадров/сек, то в режиме трехмерного сканера оно функционирует с частотой 1 кадр/сек), высоким разрешением (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с разрешением в 5 мм, то в режиме трехмерного сканера оно функционирует с разрешением 1 мм) и большим углом зрения (например, если в обычном режиме сенсорное устройство работает с полем зрения 50°, то в режиме трехмерного сканера оно функционирует с полем зрения 70°, путем включения всех доступных фотодетекторов). При этом реализуется оптимальное соотношения параметров для получения трехмерного изображения объекта, а скорость сканирования не играет существенной роли.To operate in 3D scanner mode, the sensor device can switch to a mode with a low frame rate (for example, if in normal mode the sensor device operates at a frequency of 10 frames / sec, then in a 3D scanner mode it operates at a frequency of 1 frame / sec), high resolution (for example, if in normal mode the sensor device operates with a resolution of 5 mm, then in the 3D scanner mode it operates with a resolution of 1 mm) and a large angle of view (for example, if in normal mode the sensor device operates with a field of view of 50 °, then in in 3D scanner mode, it operates with a 70 ° field of view by switching on all available photodetectors). In this case, an optimal ratio of parameters is realized for obtaining a three-dimensional image of an object, and the scanning speed does not play a significant role.
Авторы изобретения провели ряд исследований параметров подобных устройств определения расстояния, используемых в бытовых целях и указанные исследования наглядно продемонстрировали преимущества заявленного сенсорного устройства по сравнению с известными подобными устройствами известными на рынке. The inventors have carried out a number of studies on the parameters of such distance detecting devices used for domestic purposes, and these studies have clearly demonstrated the advantages of the claimed sensor device in comparison with known similar devices known on the market.
Были рассмотрены следующие устройства: The following devices were considered:
(1) оптическое сенсорное устройство для определения расстояния до и скорости объектов и для распознавания его формы и структуры или материала, из которого выполнены указанные объекты(далее, как сенсорное устройство) согласно изобретению; (1) an optical sensor device for determining the distance and speed of objects and for recognizing its shape and structure or the material from which these objects are made (hereinafter, as a sensor device) according to the invention;
(2) вспышечный время-пролетный лидар (Benewake C30A); (2) flare time-of-flight lidar (Benewake C30A);
(3) стереокамера(Stereolabs ZED) и (3) a stereo camera (Stereolabs ZED) and
(4) лидар, работающий по методу триангуляции(RPLidar M8A1). (4) triangulated lidar (RPLidar M8A1).
Исследования проведены по следующим критериям: 1) определяемое расстояние, 2) использование механического сканирования, 3) радиус мертвой зоны, 4) точность, 5) интерференция другими сенсорами. В таблице 1 наглядно продемонстрированы результаты полученных исследований.The studies were carried out according to the following criteria: 1) the determined distance, 2) the use of mechanical scanning, 3) the radius of the dead zone, 4) accuracy, 5) interference with other sensors. Table 1 clearly demonstrates the results of the studies obtained.
Критерий 1) Все исследуемые устройства работают примерно с расстоянием одного порядка, за исключение стереокамеры, функционирующей с возможностью измерения расстояния до 25 м.Criterion 1) All tested devices operate at approximately the same order of magnitude, with the exception of the stereo camera, which is capable of measuring distances up to 25 m.
Критерий 2) Все исследуемые устройства за исключением лидара, работающего по методу триангуляции (RPLidar M8A1) не требуют механического сканирования.Criterion 2) All devices under test, with the exception of the triangulated lidar (RPLidar M8A1), do not require mechanical scanning.
Критерий 3) Все исследуемые устройства имеют некоторую мертвую зону, при которой они не могут работать: у время-пролетного лидара (2) такая зона составляет 10 см, поскольку на этой дистанции интенсивность излучения слишком велика и сенсор засвечивается, стереокамера (3) работает за счет стереоэффекта, обеспечиваемого двумя камерами, разнесенными на определенное расстояние, называемое стереобазой (обычно - несколько десятков сантиметров). При этом для наблюдения стереоэффекта необходимо, чтобы наблюдаемый объект попал в поле зрения обеих камер. Т.к. поле зрения камер ограничено, область стереоскопического зрения стереокамеры также ограничена. Минимальное расстояния для работы при этом составляет сравнимую со стереобазой величину - т.е. несколько десятков сантиметров.Criterion 3) All investigated devices have a certain dead zone, at which they cannot work: for a time-of-flight lidar (2) this zone is 10 cm, since at this distance the radiation intensity is too high and the sensor is illuminated, the stereo camera (3) works for account of the stereo effect provided by two cameras separated by a certain distance, called a stereo base (usually a few tens of centimeters). In this case, to observe the stereo effect, it is necessary that the observed object falls into the field of view of both cameras. Because the field of view of the cameras is limited, the area of stereoscopic vision of the stereo camera is also limited. In this case, the minimum distance for operation is comparable to the stereo base, i.e. several tens of centimeters.
Для лидара (4) (RPLidar M8A1) для его функционирования требуется минимальное расстояние около 15 см между излучателем и приемником, меньше которого он не способен функционировать. При этом для заявленного оптического сенсорного устройства (1) в силу его гетеродинного принципа работы практически не существует мертвая зона, поскольку измерение расстояние основано на измерениях разности частоты между испущенным и принятым светом, и нулевой частоте будет соответствовать нулевая разница, т.е. нулевая дистанция, т.е. отсутствие мертвой зоны является существенным преимуществом заявленного сенсорного устройства.For lidar (4) (RPLidar M8A1), for its operation, a minimum distance of about 15 cm is required between the emitter and the receiver, less than which it is unable to function. At the same time, for the claimed optical sensor device (1), due to its heterodyne principle of operation, there is practically no dead zone, since the distance measurement is based on measurements of the frequency difference between the emitted and received light, and zero frequency will correspond to zero difference, i.e. zero distance, i.e. the absence of a dead zone is a significant advantage of the claimed sensor device.
Критерий 4) заявленное сенсорное устройство согласно изобретению продемонстрировало более высокое разрешение при измерении расстояния (менее 1 мм) в отличие от других устройств.Criterion 4) The claimed sensor device according to the invention showed a higher resolution when measuring distance (less than 1 mm), in contrast to other devices.
Критерий 5) заявленное устройство (1) полностью исключает влияние помех от других устройств, поскольку основано на гетеродинном методе, устройства (2) и (4) подвержены влиянию других излучающих устройств, что может вызвать ошибки в измерениях, а стереокамера (3) не подвержена влиянию других излучающих устройств, поскольку является ничего не излучающим пассивным прибором.Criterion 5) the claimed device (1) completely excludes the influence of interference from other devices, since it is based on the heterodyne method, devices (2) and (4) are subject to the influence of other emitting devices, which can cause measurement errors, and the stereo camera (3) is not susceptible the influence of other emitting devices, since it is a non-emitting passive device.
Таким образом из Таблицы 1 наглядно видно, что заявленное устройство (1) характеризуется высокой точностью (менее 1мм), высокой надежностью(отсутствие механических движущихся частей) и полностью не подвержено влиянию помех от других излучающих устройств благодаря гетеродинному принципу работы.Thus, Table 1 clearly shows that the claimed device (1) is characterized by high accuracy (less than 1 mm), high reliability (no mechanical moving parts) and is completely unaffected by interference from other radiating devices due to the heterodyne principle of operation.
Авторы провели экспериментальные исследования по идентификации формы и структуры объектов с помощью заявленного сенсорного устройства, см. фиг.10. The authors conducted experimental studies to identify the shape and structure of objects using the claimed sensor device, see Fig. 10.
На фиг.10 по углам представлены фотоснимки секторов 1-4 экспериментальной лаборатории, а в центре фигуры расположен темный круг, в центре, которого расположено заявленное сенсорное устройство, формирующее карту навигации, построенную компьютером на основе данных, полученных от контроллера (9). На темном круге четко просматриваются по секторам большие участки (отрезки прямых линий), соответствующие стенам и прерывистыми линиями небольшие участки, соответствующие мелким предметам: шкафчики, полки, ноутбуки.In Fig. 10, photographs of sectors 1-4 of the experimental laboratory are presented in the corners, and in the center of the figure there is a dark circle, in the center of which is the claimed sensor device that forms a navigation map built by a computer based on data received from the controller (9). On the dark circle, large areas (segments of straight lines) corresponding to walls and broken lines are clearly visible in sectors, small areas corresponding to small objects: cabinets, shelves, laptops.
При этом на фиг.11 в увеличенном виде представлены детали изображений с фиг.10, где с левой стороны рисунка представлены фотоснимки отдельных элементов лаборатории, сверху слева на фотоснимке изображены порожки стены, которые отображены на соответствующей картинке карты навигации справа, где наглядно просматриваются порожки стены. Фотоснимок в середине слева показывает мелкие детали и как они отображаются на карте навигации, при этом разрешение достигает 6мм. На нижнем фотоснимке слева изображен куб из органического стекла, а справа четко просматриваются его передние и задние грани.At the same time, Fig. 11 shows in an enlarged view the details of the images from Fig. 10, where photographs of individual laboratory elements are presented on the left side of the figure, wall sills are shown on the top left in the photograph, which are displayed on the corresponding picture of the navigation map on the right, where the wall sills are clearly visible ... The photo in the middle left shows fine details and how they are displayed on the navigation map, with a resolution up to 6mm. The bottom photo on the left shows a plexiglass cube, while on the right its front and back faces are clearly visible.
Таким образом, авторы наглядно продемонстрировали возможность заявленного сенсорного устройства распознавать форму и структуру объектов в помещении.Thus, the authors have clearly demonstrated the ability of the claimed sensor device to recognize the shape and structure of objects in a room.
Авторы провели экспериментальные исследования по точности измерения скорости движущегося объекта с помощью заявленного сенсорного устройства (см. фиг.12). Пластиковую пластину в качестве движущегося объекта помещают на линейный двигатель, способный развивать скорость от 5 мм/сек до 500 мм/сек. Напротив объекта , расположенного на линейном двигателе размещают заявленное сенсорное устройство согласно фиг.2а, 2b При запуске линейного двигателя пластиковая пластинка движется со скоростью 5, 16 мм/сек, при этом измеренная заявленным сенсорным устройством скорость пластины составляет 5, 27 мм/сек, т.е. ошибка измерений составляет +2,1% , когда линейный двигатель развивает скорость 499,2 мм/сек, ошибка измерений значительно уменьшается, в данном случае измеренная скорость составляет 495, 45 мм/сек, т.е. ошибка составляет -0,8%.The authors conducted experimental studies on the accuracy of measuring the speed of a moving object using the claimed sensor device (see Fig. 12). The plastic plate is placed as a moving object on a linear motor capable of speeds from 5 mm / s to 500 mm / s. Opposite the object located on the linear motor, the declared sensor device is placed according to FIGS. 2a, 2b. When starting the linear motor, the plastic plate moves at a speed of 5.16 mm / s, while the plate speed measured by the claimed sensor device is 5.27 mm / s, t .e. the measurement error is + 2.1%, when the linear motor develops a speed of 499.2 mm / s, the measurement error decreases significantly, in this case the measured speed is 495, 45 mm / s, i.e. the error is -0.8%.
Таким образом, экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали высокую точноcть измерений скорости объекта.Thus, the experimental studies carried out by the authors have shown a high accuracy of measurements of the object's velocity.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Оптическое сенсорное устройство, согласно изобретению выполнено с возможностью определения расстояния до объекта, скорости объекта, а также структуры объекта и материала, из которого выполнен объект и может использоваться в сенсорах для целей навигации, используемых для мобильных электронных устройств, компактных переносных устройствах, как для бытовых целей, например пылесосах, и в других бытовых приборах для расширений их функции, в частности в качестве датчика жестов, так и в целях промышленного производства для навигации объекта и бесконтактной идентификации параметров объекта, например структуры и материала (состава) объекта.The optical sensor device, according to the invention, is configured to determine the distance to the object, the speed of the object, as well as the structure of the object and the material from which the object is made and can be used in sensors for navigation purposes used for mobile electronic devices, compact portable devices, as for household purposes, for example vacuum cleaners, and in other household appliances to expand their functions, in particular as a gesture sensor, and for industrial purposes for navigating an object and contactless identification of object parameters, for example, the structure and material (composition) of the object.
Claims (43)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020132894A RU2750681C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object |
KR1020210004869A KR20220046406A (en) | 2020-10-07 | 2021-01-13 | Optical sensor device for determining distance, velosity and identification of the shape and structure of the object |
PCT/KR2021/008161 WO2022075553A1 (en) | 2020-10-07 | 2021-06-29 | Optical sensor device for determining distance to object and velocity of the object, and identifying the shape and structure of the object |
US17/459,513 US20220107409A1 (en) | 2020-10-07 | 2021-08-27 | Optical sensor device for determining distance to object and velocity of the object, and identifying the shape and structure of the object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020132894A RU2750681C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2750681C1 true RU2750681C1 (en) | 2021-07-01 |
Family
ID=76755885
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020132894A RU2750681C1 (en) | 2020-10-07 | 2020-10-07 | Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20220046406A (en) |
RU (1) | RU2750681C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794869C1 (en) * | 2022-12-09 | 2023-04-25 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for scanning space with a laser beam and determining the coordinates of detected objects |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7283214B2 (en) * | 2005-10-14 | 2007-10-16 | Microsoft Corporation | Self-mixing laser range sensor |
US8692979B2 (en) * | 2008-01-16 | 2014-04-08 | Koninklijke Philips N.V. | Laser sensor system based on self-mixing interference |
RU167276U1 (en) * | 2016-08-12 | 2016-12-27 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | LASER RANGE WITH AN EXTENDED RANGE OF RANGE |
WO2019115278A1 (en) * | 2017-12-13 | 2019-06-20 | Asml Holding N.V. | Beam splitting prism systems |
JP2020101453A (en) * | 2018-12-21 | 2020-07-02 | オムロン株式会社 | Light interference sensor |
-
2020
- 2020-10-07 RU RU2020132894A patent/RU2750681C1/en active
-
2021
- 2021-01-13 KR KR1020210004869A patent/KR20220046406A/en unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7283214B2 (en) * | 2005-10-14 | 2007-10-16 | Microsoft Corporation | Self-mixing laser range sensor |
US8692979B2 (en) * | 2008-01-16 | 2014-04-08 | Koninklijke Philips N.V. | Laser sensor system based on self-mixing interference |
RU167276U1 (en) * | 2016-08-12 | 2016-12-27 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | LASER RANGE WITH AN EXTENDED RANGE OF RANGE |
WO2019115278A1 (en) * | 2017-12-13 | 2019-06-20 | Asml Holding N.V. | Beam splitting prism systems |
JP2020101453A (en) * | 2018-12-21 | 2020-07-02 | オムロン株式会社 | Light interference sensor |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2794869C1 (en) * | 2022-12-09 | 2023-04-25 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for scanning space with a laser beam and determining the coordinates of detected objects |
RU2794869C9 (en) * | 2022-12-09 | 2023-06-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for scanning space with a laser beam and determining the coordinates of detected objects |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20220046406A (en) | 2022-04-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10739460B2 (en) | Time-of-flight detector with single-axis scan | |
US9255790B2 (en) | Wide angle bistatic scanning optical ranging sensor | |
CN106646501B (en) | Photoelectric measuring apparatus, photoelectric measuring method, and computer-readable medium | |
US10444361B2 (en) | Laser tracker having two measurement functionalities | |
US7378658B2 (en) | Security portal with THz trans-receiver | |
US9335220B2 (en) | Calibration of time-of-flight measurement using stray reflections | |
JP5576294B2 (en) | Laser sensor system based on self-mixing interference | |
CA3017735A1 (en) | Integrated illumination and detection for lidar based 3-d imaging | |
CN110199204A (en) | Laser radar sensor system with small form factor | |
CN110325877A (en) | System and method for supporting laser radar to apply | |
US20120218563A1 (en) | Devices and methods for position determination and surface measurement | |
EP1966627A2 (en) | Device and method for measuring relative movement | |
CN210142187U (en) | Distance detection device | |
WO2007075639A2 (en) | Microwave datum tool | |
RU2319158C2 (en) | Optical measuring transformer of displacement | |
KR20200102900A (en) | Lidar device | |
CN110235025A (en) | Distance detector | |
RU2375724C1 (en) | Method for laser location of specified region of space and device for its implementation | |
KR20160101312A (en) | Apparatus for measuring distance | |
CN113933811A (en) | Laser radar detection method, laser radar, and computer storage medium | |
RU2750681C1 (en) | Optical sensor device for determining range, speed and identification of shape and structure of object | |
US20220107409A1 (en) | Optical sensor device for determining distance to object and velocity of the object, and identifying the shape and structure of the object | |
WO2017176410A1 (en) | Time-of-flight detector with single-axis scan | |
WO2022217564A1 (en) | Laser radar system, and spatial measurement device and method | |
KR100905882B1 (en) | Light detection and ranging apparatus |