ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ КООРДИНАТ
OPTICAL CALCULATOR OF COORDINATES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптических устройствах измерения расстояний, отклонений и смещений, исчисляемых в линейных единицах.
Известно оптическое устройство - матричный фотоприемник, построенный на основе приборов с зарядовой связью, описанных в [Либерман Ф.Я. Электроника на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Либерман Ф.Я. - М: Транспорт, 1987. - 288 с., страница 141, 142, рисунок 6.7], используемый для вычисления пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым изобретением, следующие: первый и второй линейные фотоприемники, построенные на основе приборов с зарядовой связью.
Недостатком вышеописанного аналога является то, что для определения местонахождения оптического потока на матричном фотоприемнике необходимо произвести сканирование всех элементарных фотоприемников, построенных на основе приборов с зарядовой связью, сравнить значение на выходе каждого элементарного фотоприемника с каждым, найти максимальное значение и указать адрес элементарного фотоприемника в матрице, что ведет к существенному снижению быстродействия вычисления пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат и увеличению оперативной памяти для хранения сравниваемых выходных величин от фотоприемников и их адресов.
Известно оптическое вычислительное устройство - оптический интегратор, выполняющий функцию неопределенного интегрирования, реализованный в виде Фурье-интегратора, описанного в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страница 168, рис.6.2], содержащий источник когерентного плоского светового потока, две последовательно расположенные системы преобразования Фурье, устройство ввода информации, пространственный операционный фильтр и детектор выходных данных.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым изобретением, следующие: источник когерентного излучения, система преобразования Фурье.
Недостатком вышеописанного аналога является невозможность вычисления в режиме реального времени пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат.
Известно оптическое устройство - оптический компаратор [Пат. RU 2020501 С1, Оптический компаратор / С.В.Соколов], принятый за прототип и содержащий источник излучения, коллимирующую линзу, прямоугольную призму, два электрооптических дефлектора и оптические объединители.
Существенные признаки прототипа, общие с заявляемым изобретением, следующие: источник излучения, электрооптический дефлектор, коллимирующая линза.
Недостатком прототипа является невозможность вычисления в режиме реального времени пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат.
12
Задачей изобретения является создание оптического вычислителя координат, позволяющего реализовать в режиме реального времени функцию вычисления пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат при обеспечении высокой производительности вычислений ≈10 операций в секунду и одновременном упрощении конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в него введены оптический Y-разветвитель, вторая выпуклая линза, два линейных фотоприемника, генератор импульсов, счетчик времени, счетчик пространственной частоты по оси абсцисс, счетчик пространственной частоты по оси ординат, входом оптического вычислителя координат являются управляющие входы электрооптического дефлектора, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого оптически подключен к информационному входу электрооптического дефлектора, а второй выход оптически подключен к первой выпуклой коллимирующей линзе по ее оптической оси, выход электрооптического дефлектора оптически подключен к первой выпуклой коллимирующей линзе, выход первой выпуклой коллимирующей линзы подключен ко входу второй выпуклой линзы, выход второй выпуклой линзы подключен ко входам первого линейного фотоприемника и ко входам второго линейного фотоприемника, выход первого линейного фотоприемника подключен к счетному входу счетчика пространственной частоты по оси абсцисс, выход второго линейного фотоприемника подключен к счетному входу счетчика пространственной частоты по оси ординат, выход генератора импульсов подключен к счетному входу счетчика времени и к синхровходам первого и второго линейных фотоприемников, выход счетчика времени подключен ко входам останова обоих счетчиков пространственной частоты, выходы которых являются выходами устройства.
Для достижения технического результата в оптический вычислитель координат, содержащий источник когерентного излучения, электрооптический дефлектор, первую выпуклую коллимирующую линзу, введены оптический Y-разветвитель, вторая выпуклая линза, два линейных фотоприемника, генератор импульсов, счетчик времени, счетчик пространственной частоты по оси абсцисс, счетчик пространственной частоты по оси ординат, входом оптического вычислителя координат являются управляющие входы электрооптического дефлектора, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического Y-разветвителя, первый выход которого оптически подключен к информационному входу электрооптического дефлектора, а второй выход оптически подключен к первой выпуклой коллимирующей линзе по ее оптической оси, выход электрооптического дефлектора оптически подключен к первой выпуклой коллимирующей линзе, выход первой выпуклой коллимирующей линзы подключен ко входу второй выпуклой линзы, выход второй выпуклой линзы подключен ко входам первого линейного фотоприемника и ко входам второго линейного фотоприемника, выход первого линейного фотоприемника подключен к счетному входу счетчика пространственной частоты по оси абсцисс, выход второго линейного фотоприемника подключен к счетному входу счетчика пространственной частоты по оси ординат, выход генератора импульсов подключен к счетному входу счетчика времени и к синхровходам первого и второго линейных фотоприемников, выход счетчика времени подключен ко входам останова обоих счетчиков пространственной частоты, выходы которых являются выходами устройства.
Оптический вычислитель координат - устройство, предназначенное для вычисления в режиме реального времени пространственных координат Δх и Δу смещения оптического потока относительно начала выбранной системы координат.
Функциональная схема оптического вычислителя координат показана на чертеже.
Оптический вычислитель координат содержит:
- 1 - источник когерентного излучения (ИКИ) длиной λ и с амплитудой 2 усл(овных) ед(иниц)ы;
- 2 - оптический Y-разветвитель;
- 3 - электрооптический дефлектор (ЭОД), осуществляющий пространственное отклонение оптического потока по оси х и по оси у;
1
- 4 - первую выпуклую линзу (ВЛ) с фокусным расстоянием f, осуществляющую коллимирование падающих на нее оптических потоков; ЭОД 3 находится при этом в фокальной плоскости ВЛ 4;
2
1
- 5 - вторую ВЛ с фокусным расстоянием f, осуществляющую двумерное преобразование Фурье [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., страницы 35-38, рисунок 1.7] падающих на нее оптических потоков; при этом вторая ВЛ 5 расположена от первой ВЛ 4 на расстоянии l>>f;
- 6 - первый линейный фотоприемник (ЛФП), расположенный в фокальной плоскости второй ВЛ 5 вдоль оси Ох и состоящий из n точечных фотоприемников, построенных на основе приборов с зарядовой связью (ФПЗС);
- 7 - второй ЛФП, расположенный в фокальной плоскости второй ВЛ 5 вдоль оси Оу и состоящий из n ФПЗС;
- 8 - генератор импульсов (ГИ);
- 9 - счетчик времени (СВ), который может быть выполнен в виде стандартного двоичного счетчика;
- 10 - счетчик пространственной частоты (СПЧ) по оси Ох, который может быть выполнен в виде стандартного двоичного счетчика;
- 11 - СПЧ по оси Оу.
Входом оптического вычислителя координат являются управляющие входы ЭОД 3.
Выход ИКИ 1 подключен ко входу оптического Y-разветвителя 2. Первый выход оптического Y-разветвителя 2 оптически подключен к информационному входу ЭОД 3, а второй выход оптически подключен к первой ВЛ 4 по ее оптической оси.
Выход ЭОД 3 также оптически подключен к ВЛ4.
Выход первой ВЛ4 подключен ко входу второй ВЛ5.
Выход второй ВЛ 5 подключен ко входам первого ЛФП 6 и второго ЛФП 7. Выход ЛФП 6 подключен к счетному входу СПЧ по оси Ох 10. Выход ЛФП 7 подключен к счетному входу СПЧ по оси Оу 11.
Выход ГИ 8 подключен к счетному входу СВ 9 и к синхровходам ЛФП 6 и ЛФП 7. Выход СВ 9 подключен ко входу останова СПЧ по оси Ох 10 и ко входу останова СПЧ по оси Оу 11. Выходы СПЧ по оси Ох 10 и СПЧ по оси Оу 11 являются выходами устройства.
Работа оптического вычислителя координат происходит следующим образом.
С выхода ИКИ 1 оптический поток когерентного излучения с амплитудой 2 усл.ед. и длиной λ поступает на вход оптического Y-разветвителя 3. С первого выхода оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (далее - оптический поток «1») поступает на информационный вход ЭОД 3, а со второго выхода оптического Y-разветвителя 2 оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (далее - оптический поток «2») поступает на вход первой ВЛ 4 по ее оптической оси (х=0, у=0).
x
y
x
y
При поступлении на информационные входы ЭОД 3 координатных сигналов - сигналов отклонения «Δх'» и «Δу'» оптический поток «1» с выхода ЭОД 3, падая на вход первой ВЛ 4, будет смещен на выходе относительно ее оптической оси на величину Δx=k×Δx' по оси Ох и на величину Δу=k×Δу' по оси Оу, где k и k - коэффициенты, определяемые типом и конструкцией ЭОД 3.
Так как ЭОД 3 находится в фокусе первой ВЛ 4, то на выходе последней образуются два оптических потока, параллельных оптической оси первой ВЛ 4 и второй ВЛ5: смещенный оптический поток «1» и центральный оптический поток «2».
Далее смещенный оптический поток «1» (х=Δх, у=Δу) и параллельный ему оптический поток «2» (х=0, у=0) поступают на вход второй ВЛ 5, на выходе в фокальной плоскости которой формируются изображения двумерного преобразования Фурье поступивших на нее оптических потоков:
1
- U(ξ,η) - Фурье-образ оптического потока «1»;
2
- U(ξ,η) - Фурье-образ оптического потока «2»,
причем
где ξ и η - пространственные частоты, определяемые как  и  соответственно.
Так как в фокальной плоскости ВЛ 5 расположены два ЛФП 6 и 7, то на их поверхностях возникает интерференционная картина с интенсивностью, определяемой в соответствии с (1) как [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988]:
где Δφ - разность фаз интерферирующих волн, определяемая из (1):
В соответствии с (2) и (3) получаем в фокальной плоскости ВЛ 5 интерференционную картину:
2
2
I=2|U(ξ,η)|(1+cos(ξ·Δx+η·Δy)).
2
2
При этом следует иметь в виду, что распределение интенсивности светового пятна сфокусированного лазерного потока в плоскости Оху может быть достаточно точно аппроксимировано гауссовской функцией Аехр[-(ах+ву)]. В этом случае распределение интенсивности светового пятна Фурье-образа оптического потока «2» в плоскости Oξη равно
2
-0,5
-0,5
-1
2
-1
2
U(ξ,η)=А(2а)(2в)ехр[-([4а]ξ+[4в]η)].
2
Т.е. при достаточно точной фокусировке лазерного потока в плоскости Оху распределение интенсивности U(ξ,η) будет стремиться к равномерному, слабо влияя на распределение максимумов в интерференционной картине. Степень этой равномерности (или степень расфокусировки) определяет необходимое число n ФПЗС в ЛФП.
Тогда на входах ФПЗС ЛФП 6 (которые линейно распределены вдоль оси 0ξ, т.е. η=0) будет сформирован оптический поток с интенсивностью:
1
2
2
I=2|U(ξ,0)|(1+cos(ξ·Δx)).
На входах ФПЗС ЛФП 7 (которые линейно распределены вдоль оси Оη, т.е. ξ=0) будет сформирован оптический поток с интенсивностью:
2
2
2
I=2|U(0,η)|(1+cos(η·Δу)).
1
2
x
y
ГИ 8 вырабатывает импульсы, которые подаются на синхровходы ЛФП 6 и ЛФП 7, а также на счетный вход СВ 9, который осуществляет подсчет заданного временного интервала Т. Импульсы от ГИ 8, поступающие на синхровходы ЛФП 6 и ЛФП 7, осуществляют тактовый сдвиг информации в ФПЗС ЛФП 6 и ЛФП 7 и ее считывание в СПЧ 10 и СПЧ 11 соответственно. Последние осуществляют подсчет максимумов интенсивностей I и I интерференционной картины на ЛФП 6 и ЛФП 7 - N и N в течение заданного временного интервала Т.
x
y
По окончании заданного временного интервала Т (все ФПЗС ЛФП 6 и ЛФП 7 опрошены, СВ9 переполнен) импульс переполнения с СВ 9 останавливает счет в СПЧ 10 и СПЧ 11, на выходах СПЧ 10 и СПЧ 11 формируются величины N и N соответственно.
x
y
Дальнейшее вычисление пространственных координат Δх и Δу на основе полученных N и N осуществляется следующим образом.
Вначале вычисляются частоты пространственных гармоник по осям ξ и η:
;
,
после чего вычисляются значения пространственных координат Δх и Δу
2
ξ
Δх=2π·λ·fF,
2
η
Δу=2π·λ·fF.
9
8
10
-9
Быстродействие оптического вычислителя координат определяется динамическими характеристиками электрооптического дефлектора, фотоприемников на основе приборов с зарядовой связью, генератора импульсов и счетчиков. Фотоприемники, выполняемые на основе приборов с зарядовой связью, имеют частоту среза 10 Гц, а электрооптический дефлектор - 10-10Гц. Время задержки генератора импульсов и счетчиков, которые могут быть выполнены в интегральном исполнении на базе логики ТТЛШ, составляет 10с. Для существующих систем обработки координатной информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.