RU2179707C1

RU2179707C1 - Process determining distance to radiation source

Info

Publication number: RU2179707C1
Application number: RU2001108790A
Authority: RU
Inventors: А.А. Щетников; Я.М. Ашкиназий; А.В. Чеглаков; Е.Н. Федоров
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Инсмат Технология"
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2002-02-20
Also published as: WO2002082015A1

Abstract

FIELD: optical measurements. SUBSTANCE: invention specifically refers to measurement of distance from radiation object to point light source. Process determining distance to radiation source S₀(S₁) includes formation of image S

\binom{1}{0}

(S

\binom{1}{1}

) of radiation source with the use of optical system and matching of this image S

\binom{1}{0}

(S

\binom{1}{1}

) with dependence of response function of this optical system on distance to radiation source S₀(S₁) found in advance. In this case response of optical system is modified by means of amplitude-phase mask installed in path of rays which is formed with capability of deflection of these rays in direction mainly orthogonal to direction of deflection of rays caused by defocusing. Angle of turn of image S

\binom{1}{0}

(S

\binom{1}{1}

) of radiation source S

\binom{1}{0}

(S

\binom{1}{1}

) is evaluated by matching this image S₀(S₁) with specified response function. Optimally transmission coefficient of amplitude-phase mask should be set in the form of periodic function of angle of turn. In this case while evaluating angle of turn one determines change of phase of signal of formed image S

\binom{1}{0}

(S

\binom{1}{1}

) of radiation source S₀(S₁). EFFECT: increased accuracy and economy of measurements thanks to possibility of evaluation of distance to any point on surface of object and to reproduction of its form by single photograph of image of radiation object. 1 cl, 4 dwg _

Description

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для измерения расстояния до излучающего объекта, в частности для определения расстояния до точечного источника света. The invention relates to the field of optical measurements and can be used to measure the distance to the emitting object, in particular to determine the distance to a point light source.

Из уровня техники можно выделить несколько вариантов определения расстояния до светящегося объекта,
Первый вариант предполагает формирование изображения объекта, включающего, к примеру, набор точечных источников света. Если мы знаем отклик оптической системы, формирующей изображение, и, если функция отклика (или функция рассеяния светящейся точки) зависит от того, на каком расстоянии находится источник излучения, то при дефокусировке, т.е. при изменении расстояния до источника, происходит размытие пятна изображения, по степени которого (т.е. размытия) можно оценить искомое расстояние или изменение расстояния. В частности, это используется для автофокусировки, например, в фотоаппаратах ("Политехнический словарь", под редакцией академика И.И.Артоболевского, изд. "Советская энциклопедия", М., 1976 г., стр.536, 323).From the prior art, there are several options for determining the distance to a luminous object,
The first option involves the formation of an image of an object, including, for example, a set of point light sources. If we know the response of the optical system forming the image, and if the response function (or the scattering function of the luminous point) depends on how far the radiation source is, then during defocusing, i.e. when the distance to the source changes, the image spot is blurred, by the degree of which (i.e. blur), one can estimate the desired distance or change in distance. In particular, it is used for autofocusing, for example, in cameras (Polytechnical Dictionary, edited by Academician I.I. Artobolevsky, ed. Sovetskaya Encyclopedia, Moscow, 1976, pp. 536, 323).

Второй вариант основан на принципе триангуляции, когда на объект (например, плоский экран) под разными углами направляют излучение от нескольких лазеров, при этом лучи сходятся на экране в одной точке. При смещении экрана проекции лучей в виде пятен будут расходиться друг от друга и по степени расхождения пятен можно судить о величине смещения экрана или о расстоянии до экрана. The second option is based on the principle of triangulation, when radiation from several lasers is directed at an object (for example, a flat screen) from different angles, while the rays converge on the screen at one point. When the screen is shifted, the projections of the rays in the form of spots will diverge from each other and the degree of discrepancy between the spots can be used to judge the amount of screen shift or the distance to the screen.

В ряде случаев на поверхность объекта проектируется маска, например, система параллельных полос (интерференционная картина). На изображении объекта получается тоже система параллельных прямых полос, если объект плоский. Если объект имеет поверхность с разной глубиной ее отдельных частей, то изображение будет представлять собой систему искривленных полос, по степени искривленности которых можно судить о форме объекта, т.е. о расстоянии до его отдельных частей (Cadmaster, 2000, 1, /январь-март/, А.Н. Макачев, А.А. Чадкин "Модельщик 2000: системы сканирования"). In some cases, a mask is projected onto the surface of the object, for example, a system of parallel stripes (interference pattern). In the image of the object, a system of parallel straight stripes is also obtained if the object is flat. If the object has a surface with different depths of its individual parts, the image will be a system of curved stripes, the degree of curvature of which can be used to judge the shape of the object, i.e. about the distance to its individual parts (Cadmaster, 2000, 1, / January-March /, A.N. Makachev, A.A. Chadkin "Modeler 2000: scanning systems").

Наиболее близким способом определения расстояния до объекта излучения является способ, описанный в журнале Optical Engineering, v.38, 6, 1999, р. 1035-1040. В этом способе в качестве маски используется точечная диафрагма. Расстояние до объекта определяют по изменению распределения освещенности в его изображении, формируемом оптической системой с заранее известной зависимостью функции отклика оптической системы от расстояния до источника излучения. The closest way to determine the distance to the radiation object is the method described in the journal Optical Engineering, v. 38, 6, 1999, p. 1035-1040. In this method, a pinhole is used as a mask. The distance to the object is determined by the change in the distribution of illumination in its image formed by the optical system with a predetermined dependence of the response function of the optical system on the distance to the radiation source.

Недостатками известных способов и ближайшего аналога являются недостаточная точность измерения расстояния, многоэтапность измерения, использование множества изображений для определения формы поверхности одного объекта. The disadvantages of the known methods and the closest analogue are insufficient accuracy of distance measurement, multi-stage measurement, the use of multiple images to determine the surface shape of one object.

Задачей заявленного изобретения является создание способа определения расстояния до источника излучения, позволяющего оценить расстояние до любой точки поверхности объекта и восстановить его форму по одному снимку изображения излучающего объекта. The objective of the claimed invention is to provide a method for determining the distance to the radiation source, which allows to estimate the distance to any point on the surface of the object and restore its shape from one image of the image of the emitting object.

Поставленная задача осуществляется посредством того, что в способе определения расстояния до источника излучения, включающем формирование изображения источника излучения с помощью оптической системы и сопоставление этого изображения с заранее известной зависимостью функции отклика этой оптической системы от расстояния до источника излучения, согласно изобретению отклик оптической системы модифицируют посредством установленной в ходе лучей амплитудно-фазовой маски, которую формируют с возможностью отклонения этих лучей в направлении, преимущественно ортогональном направлению отклонения лучей, вызываемому дефокусировкой, а при сопоставлении этого изображения с указанной функцией отклика оценивают угол поворота изображения источника излучения. The task is carried out by the fact that in the method of determining the distance to the radiation source, which includes forming an image of the radiation source using an optical system and comparing this image with a previously known dependence of the response function of this optical system on the distance to the radiation source, according to the invention, the response of the optical system is modified by installed during the rays of the amplitude-phase mask, which is formed with the possibility of deflection of these rays in the direction In this case, it is predominantly orthogonal to the direction of deviation of the rays caused by defocusing, and when comparing this image with the specified response function, the angle of rotation of the image of the radiation source is estimated.

Оптимально, чтобы коэффициент пропускания амплитудно-фазовой маски был задан в виде периодической функции от угла поворота, в этом случае при оценке угла поворота определяют изменение фазы сигнала формируемого изображения источника излучения. It is optimal that the transmittance of the amplitude-phase mask be specified as a periodic function of the angle of rotation, in this case, when evaluating the angle of rotation, the phase change of the signal of the generated image of the radiation source is determined.

Изобретение поясняется графическими материалами. The invention is illustrated in graphic materials.

Фиг. 1 - принципиальная оптическая схема, с помощью которой осуществляется заявленный способ определения расстояния. FIG. 1 is a schematic optical diagram with which the claimed method for determining the distance is carried out.

Фиг. 2 - изображение дифракционной решетки (амплитудно-фазовой маски), необходимой для формирования изображения точки в виде кольца. FIG. 2 - image of a diffraction grating (amplitude-phase mask), necessary for forming an image of a point in the form of a ring.

Фиг. 3 - изображение амплитудной маски с синусоидальным распределением коэффициента пропускания от угла и анодизацией по радиусу (негатив). FIG. 3 - image of the amplitude mask with a sinusoidal distribution of the transmittance from the angle and anodization along the radius (negative).

Фиг.4 - вид функции рассеяния точки. Figure 4 is a view of the point scattering function.

Оптическая схема согласно фиг.1 содержит исследуемый объект (источник S₀, (S₁)) излучения, амплитудно-фазовую маску 1, оптическую систему 2 формирования изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) и приемник 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹).The optical circuit according to figure 1 contains the studied object (source S ₀ , (S ₁ )) radiation, amplitude-phase mask 1, the optical system 2 imaging S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) and the receiver 3 image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ).

Заявленный способ осуществляется следующим образом. The claimed method is as follows.

Излучение, исходящее от источника S₀, (S₁) излучения, проходит через амплитудно-фазовую маску 1, затем через оптическую систему 2 формирования изображения S₀ ¹ (S₁ ¹) и попадает на приемник 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹). Далее происходит, как правило, цифровая обработка снимка изображения S₀ ¹ (S₁ ¹), в результате которой определяется расстояние до отдельных точек излучающего объекта или до его определенных участков поверхности (в результате чего можно определить форму объекта).The radiation coming from the radiation source S ₀ , (S ₁ ) passes through the amplitude-phase mask 1, then through the optical imaging system 2 S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) and enters the image receiver 3 S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) Then, as a rule, digital processing of the image image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) occurs, as a result of which the distance to individual points of the emitting object or to its certain surface areas is determined (as a result of which the shape of the object can be determined).

Если из рассматриваемой оптической схемы убрать амплитудно-фазовую маску 1, то при дефокусировке объекта (т.е. при изменении положения объекта вдоль главной оптической оси оптической системы) отклоненные после прохождения оптической системы 2 лучи будут находиться в той же плоскости, что и лучи, идущие от объекта независимо от его дефокусировки, а изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) точки будет представлять собой пятно, диаметр которого будет пропорционален величине расфокусировки.If the amplitude-phase mask 1 is removed from the optical scheme under consideration, then when the object is defocused (i.e., when the object is positioned along the main optical axis of the optical system), the rays deflected after passing through the optical system 2 will be in the same plane as the rays, coming from the object regardless of its defocusing, and the image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) of the point will be a spot whose diameter will be proportional to the amount of defocus.

При введении амплитудно-фазовой маски 1, которая будет отклонять лучи в направлении, ортогональном направлению отклонения лучей, вызванному дефокусировкой (т.е. ортогонально плоскости прохождения луча от объекта к приемнику 3 изображения S₀ ¹ (S₁ ¹)), любая светящаяся точка объекта будет изображаться в виде некоего кольцевого изображения (кольца), т.е. функция отклика оптической системы 2, модифицированная посредством амплитудно-фазовой маски 1, будет представлять собой кольцо.With the introduction of the amplitude-phase mask 1, which will deflect the rays in a direction orthogonal to the direction of the deflection of the rays caused by defocusing (i.e., orthogonal to the plane of the beam from the object to the image receiver 3 S ₀ ¹ (S ₁ ¹ )), any luminous point the object will be depicted as a kind of ring image (ring), i.e. the response function of the optical system 2, modified by the amplitude-phase mask 1, will be a ring.

В отличие от известных способов измерения расстояния в заявленном способе функции рассеяния практически не будут деформироваться, так как смещение лучей будет происходить по касательной к кольцу. Unlike the known methods of measuring distance in the claimed method, the scattering functions will practically not be deformed, since the displacement of the rays will occur tangentially to the ring.

Причем в любой меридиональной плоскости характер отклонения лучей будет одинаковым, т. е. изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) точки в целом будет обладать вращательной симметрией. Распределение освещенности изображения будет оставаться одним и тем же, а функция отклика, в силу смещения лучей по касательной к изображению S₀ ¹ (S₁ ¹), будет поворачиваться на определенный угол, пропорциональный величине дефокусировки или расстоянию до объекта (т.е. до источника S₀ (S₁)). Измерив этот угол, можно оценить расстояние до объекта.Moreover, in any meridional plane, the character of the deviation of the rays will be the same, i.e., the image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) of the point as a whole will have rotational symmetry. The distribution of the illumination of the image will remain the same, and the response function, due to the displacement of the rays tangentially to the image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ), will be rotated by a certain angle proportional to the amount of defocusing or the distance to the subject (i.e., to source S ₀ (S ₁ )). By measuring this angle, you can estimate the distance to the object.

В предпочтительном варианте осуществления заявленного способа можно ввести кодировку функции отклика, например, распределение освещенности во входном зрачке промодулировать такой амплитудной маской 1, которая имеет некие градиенты по углу поворота (вдоль кольца). В этом случае изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) будет представлять собой кольцо с определенным распределением освещенности вдоль кольца.In a preferred embodiment of the claimed method, it is possible to introduce an encoding of the response function, for example, modulate the distribution of illumination in the entrance pupil with an amplitude mask 1 that has some gradients along the rotation angle (along the ring). In this case, the image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) will be a ring with a certain distribution of illumination along the ring.

Удобнее ввести синусоидальное распределение освещенности. Такое периодическое распределение приводит к повышению точности измерения. В этом случае можно оценивать распределение фазы синусоидального сигнала. It is more convenient to introduce a sinusoidal distribution of illumination. Such a periodic distribution increases the accuracy of the measurement. In this case, the phase distribution of the sinusoidal signal can be estimated.

В качестве амплитудно-фазовой маски 1 можно применить, например, дифракционную решетку со штрихами, преимущественно, радиального направления и использовать, например, 1-й дифракционный максимум. As the amplitude-phase mask 1, it is possible to apply, for example, a diffraction grating with strokes, mainly of a radial direction, and use, for example, the 1st diffraction maximum.

Дифракционная решетка может быть как бинарной, так и фазовой с непрерывным треугольным профилем штрихов. The diffraction grating can be either binary or phase with a continuous triangular profile of strokes.

На фиг.2 представлено изображение дифракционной решетки, необходимой для формирования изображения точки в виде кольца, а на фиг.3 показано изображение амплитудной маски 1 с синусоидальным распределением коэффициента пропускания от угла и анодизацией по радиусу (негатив). Figure 2 presents the image of the diffraction grating necessary to form the image of a point in the form of a ring, and figure 3 shows the image of the amplitude mask 1 with a sinusoidal distribution of the transmittance from the angle and anodization along the radius (negative).

При размещении указанных амплитудно-фазовых масок 1 в плоскости апертурной диафрагмы оптической системы 2, формирующей изображение S₀ ¹ (S₁ ¹) объекта, функция рассеяния точки будет иметь вид, представленный на фиг.4. На этом изображении легко заметить кольцевые области разного диаметра, соответствующие 0-му, 1-му, 2-му и т.д. порядкам дифракции. Отдельные элементы изображения, соответствующие максимуму коэффициента пропускания синусоидальной амплитудной маски 1, можно соединить прямыми линиями. Расстояние от этих линий до центра изображения определяется величиной расфокусировки, так что при точной фокусировке на источник S₀ (S₁) излучения все эти линии проходят через центр изображения и угол поворота равен нулю. А в любом другом случае тангенс угла поворота равен отношению величины смещения луча за счет расфокусировки к радиусу кольцевой области соответствующего дифракционного порядка.When placing the specified amplitude-phase masks 1 in the plane of the aperture diaphragm of the optical system 2, forming the image S ₀ ¹ (S ₁ ¹ ) of the object, the point scattering function will have the form shown in Fig.4. In this image, it is easy to notice the annular regions of different diameters corresponding to the 0th, 1st, 2nd, etc. diffraction orders. The individual image elements corresponding to the maximum transmittance of the sinusoidal amplitude mask 1 can be connected by straight lines. The distance from these lines to the center of the image is determined by the amount of defocus, so that when accurately focusing on the radiation source S ₀ (S ₁ ), all these lines pass through the center of the image and the rotation angle is zero. And in any other case, the tangent of the rotation angle is equal to the ratio of the beam displacement due to defocusing to the radius of the annular region of the corresponding diffraction order.

Таким образом, заявленный способ определения расстояния, кроме повышения точности измерения, позволяет измерять расстояние до любой светящейся точки поверхности объекта и восстанавливать его форму по одному снимку изображения. Thus, the claimed method for determining the distance, in addition to increasing the accuracy of measurement, allows you to measure the distance to any luminous point on the surface of the object and restore its shape from one image.

Claims

1. Способ определения расстояния до источника излучения, включающий формирование изображения источника излучения с помощью оптической системы и сопоставление этого изображения с заранее известной зависимостью функции отклика этой оптической системы от расстояния до источника излучения, отличающийся тем, что отклик оптической системы модифицируют посредством установленной в ходе лучей амплитудно-фазовой маски, которую формируют с возможностью отклонения этих лучей в направлении, преимущественно ортогональном направлению отклонения лучей, вызываемому дефокусировкой, так что функция отклика будет поворачиваться на определенный угол, пропорциональный величине дефокусировки, при сопоставлении этого изображения с указанной функцией отклика оценивают угол поворота изображения источника излучения, а измерив этот угол, оценивают расстояние до источника излучения. 1. The method of determining the distance to the radiation source, including forming an image of the radiation source using an optical system and comparing this image with a previously known dependence of the response function of this optical system on the distance to the radiation source, characterized in that the response of the optical system is modified by means of radiation amplitude-phase mask, which is formed with the possibility of deflection of these rays in a direction predominantly orthogonal to the direction of deviation I of rays caused by defocusing, so that the response function will rotate by a certain angle proportional to the defocusing value, when comparing this image with the specified response function, the rotation angle of the image of the radiation source is estimated, and by measuring this angle, the distance to the radiation source is estimated.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент пропускания амплитудно-фазовой маски задают в виде периодической функции от угла поворота, а при оценке угла поворота определяют изменение фазы сигнала формируемого изображения источника излучения. 2. The method according to p. 1, characterized in that the transmittance of the amplitude-phase mask is set in the form of a periodic function of the angle of rotation, and when evaluating the angle of rotation, the phase change of the signal of the generated image of the radiation source is determined.