книги / Оптоэлектронные сенсорные системы

н1 .Шмидт, В.Шварц

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ

СЕНСОРНЬЕ

СИСТЕМЫ

Перевод с немецкого канд. техн. наук М . М. Гельмана

МОСКВА «МИР» 1991

REIE AUTOMATISIERUNGSTECHNIK 231 Herausgegeben von

G. Brack, H. Fuchs, G. Paulin, R. Piegert, G. Schwarze und E.-G. Woschni

Optoelektronische

Sensorsysteme,

Detlef Schmidt

Wolfgang Schwarz

VEB VERLAG TECHNIK

ББК 22.343 Ш73

УДК 681.782.473

Шмидт Д., Шварц В.

Ш73 Оптоэлектронные сенсорные системы: Пер. с нем. — М., Мир, 1991. — 96 с., ил.

ISBN 5-03-002009-8

Книга немецких ученых посвящена принципам построения оптоэлектронных сенсорных устройств. Описываются современные интегральные фотодетекторы и матричные приемные устройства, а также их характеристики. Излагаются основы обработки кодированных данных и восстановления оптических изображений. Рассматриваются общие методы проектирования систем технического зрения и приво­ дятся примеры их практического использования.

Для специалистов, занятых созданием промышленных роботов нового поколения, систем инспекци­ онного видения в ГАП, а также студентов технических вузов.

ш1402070000-134

ББК 22.343

041 (01)-91 4"91

Редакция литературы по информатике и робототехнике

1991

ПРЕДИСЛОВИЕ

При измерениях, а также контроле параметров и характеристик ряда процессов свет является единственно приемлемым носителем информации. До недавнего времени его использование для этих це­ лей было затруднено. Цифровые оптоэлектронные элементы не обеспечивали требуемого пространственного разрешения, а тради­ ционная видеотехника была слишком дорогой для решения указан­ ных задач.

С совершенствованием интегральных технологий появились на­ дежные и дешевые светочувствительные сенсоры — приборы с за­ рядовой связью (ПЗС), которые в сочетании с цифровой техникой, в том числе микропроцессорами, создают новые и многочисленные возможности для автоматизации измерений и контроля. Однако при этом возникает ряд проблем с разработкой соответствующих оптических элементов.

Оптоэлектронные сенсорные системы используют различные ме­ тоды преобразования информации и включают в себя различные элементы, которым посвящена многочисленная литература, напри­ мер [3, 6, 8, 10, 11]. Авторы стремились рассмотреть некоторые основные проблемы, возникающие при различных промышленных применениях подобных систем для целей измерения и контроля. Примеры таких применений базируются в основном на разработ­ ках, выполненных в ГДР, в отделе электротехники и электроники Высшей школы в Висмаре. Участникам этих работ авторы прино­ сят свою благодарность.

5

1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ

1.1. Н овы е возмож ности для автоматизации измерений и контроля в промыш ленном производстве

На современных предприятиях с высоким уровнем автома­ тизации производственных процессов людям отводятся роли кон­ троллеров и испытателей. Однако до недавнего времени техниче­ ские возможности создания автоматов, воспринимающих визуаль­ ную информацию и обрабатывающих ее, были весьма ограничены. И сегодня еще существует немало рабочих мест, на которых чело­ век вынужден визуально считывать показания измерительных при­ боров и принимать решения о проведении контроля, тех или иных проверок оборудования на основе своих визуальных наблюдений.

В сфере материального производства испытания, измерения и контроль направлены в итоге на получение ответа на вопрос о со­ ответствии конечного результата требуемому классу качества с его критериями. Ответ на этот вопрос получают в виде альтернативы «Да» или «Нет».

Автоматизация процессов, для которых характерны сравнитель­ но небольшие потоки информации, не вызывала технических труд­ ностей. Примером может служить регулятор температуры, дей­ ствующий в. соответствии с сигналами устройства, измеряющего температуру (датчика).

При существенно болыцих информационных потоках алгоритмы автоматизации процессов оказываются значительно более сложны­ ми, и часто человек не способен их реализовать самостоятельно. Например, одно дело оценивать (чисто эстетически) качество лако­ вого покрытия какой-либо поверхности и совсем другое дело — де­ фекты этого покрытия, не превышающие 10“ 6 общей поверхности, что и является критерием качества.

7

В настоящее время благодаря прогрессу микроэлектроники и вы­ числительной техники оптоэлектронные сенсорные системы дости­ гли такого уровня, который позволил широко использовать их для автоматизации измерений и контроля соответствующих процессов. Однако следует подчеркнуть, что средства «машинного» (техни­ ческого) зрения для промышленных роботов не получили пока пер­ воначально ожидаемого распространения.

Оптоэлектронная сенсорная система, включенная в виде измери­ тельной подсистемы в систему автоматического управления какимлибо процессом, будет активно влиять на рост качества выпускае­ мой продукции. Оптоэлектроника позволила создать такие качест­ венно новые средства для такой традиционной области измерений, какой является измерение размеров, длин и расстояний.

Потребности автоматизации операций на технологических лини­ ях привели к комплексным решениям и созданию сложных систем.

Например, для контроля параметров цилиндрической головки в

ч

процессе ее изготовления используется измерительная система, со­ держащая 80 полностью автоматизированных оптоэлектронных сенсорных устройств.

Спектр областей применения оптоэлектронных сенсорных сис­ тем столь обширен, что его невозможно охватить в*, одном обзоре. Можно утверждать, что там, где еще сегодня в процессе произвол* ства продукции используют визуальные возможности человека, его можно заменить оптоэлектронным сенсорным автоматическим уст­ ройством. Естественно, что такая замена должна быть обусловлена социальными соображениями и технико-экономически обоснована.

1.2. Диапазон использования оптоэлектронны х

ях используют рентгеновское и гамма-излучения. Человек воспри­ нимает видимое излучение с длиной волн 380—780 нм. Оптоэлект­ ронные устройства преобразуют электрическую энергию в оптиче­ ское излучение и наоборот.

Различают две основные возможности использования света в ка­

8

честве носителя информации: для формирования точечного и пло­ ского изображений0.

В первом случае используют отдельное световое излучение, на­ пример, прямолинейный лазерный луч или излучение, передаваемое по световоду (оптоволоконной линии), на которое последовательно во времени «накладывается» информационный сигнал (т. е. осу­ ществляется соответствующая модуляция носителя — света) и мо­ дулированный сигнал подводится к оптоэлектронному преобразова­ телю — фотодетектору. Модуляция может осуществляться как чи­ сто оптическим способом, например, с использованием отража­ тельного свойства вращающегося зеркала, так и воздействием на оптические свойства и характеристики излучения других физических величин0 .

Во втором случае для одновременного восприятия плоского све­ тового изображения, как его воспринимает человек, используют группу параллельных видеоприемников (фотодетекторов) с парал­ лельной или последовательной (во времени) передачей соответству­ ющих электрических сигналов и последующей обработкой («восста­ новление^» изображения).

Новые микроэлектронные светочувствительные полупроводни­ ковые устройства, в частности линейки и матрицы сенсоров в соче­ тании с микропроцессорами, открыли широкие возможности для высокоскоростного сканирования элементов оптических изображе­ ний, детектирования информативных признаков, преобразования их в электрические сигналы и подготовки этих сигналов для дальней­ шей обработки.

Также как и сигналы рецепторов глаза, которые только после их обработки в головном мозге вызывают соответствующие изо­ бражения, видеосигналы, несущие, как правило, сравнительно боль­ шой объем информации, подлежат обработке в ЭВМ. Набор опто­ электронных сенсорных устройств — линейчатых или матричных фотоприемников — в сочетании с ЭВМ образует сенсорную систе­ му. Это понятие помимо оптоэлектронных охватывает и визуаль-

1} Следует указать на третью возможность — для формирования пространствен­ ных изображений — голограмм. — Прим, перев.

2) Например, электрическими — током, напряжением, воздействием на амплиту­ ду, фазу, поляризацию излучения в специальных электрооптических модуляторах. —

Прим, перев.

9

ные сенсорные устройства, если их спектральная чувствительность обеспечивает восприятие видимого изображения на длинах волн 380—780 нм.

1.3. Свет как носитель информации

Значительную часть информации человек воспринимает визуаль­ но. Свет в качестве носителя информации в технических системах имеет ряд особенностей и преимуществ по сравнению с иными фи­ зическими носителями:

— многие физические величины можно описывать с помощью амплитуды, частоты, фазы или поляризации светового излучения;

—достигается высокое временное разрешение (< 1 0 -14 с);

—обеспечивается высокое разрешение при измерениях длин (расстояний) порядка нанометров;

—возможно двух- и трехмерное структурирование изо­ бражений;

—возможна передача света на большие расстояния, она не огра­ ничивается многими барьерами, например высокой температурой и средой передачи;

—энергия света для многих объектов оказывается достаточной для проведения испытаний, измерений и контроля; она слабо по­ глощается этими объектами;

—бесконтактное восприятие информации исключает воздейст­ вие на измеряемый объект;

—благодаря незначительной чувствительности к внешним маг­ нитным и электрическим полям достигается высокая помехозащи­ щенность;

—использование средств прямого и обратного преобразований электрических и оптических сигналов коммерчески оправдано, при­ чем во многом благодаря полупроводниковой технике и интеграль­ ному исполнению.

Благодаря высокому временному и пространственному разреше­ нию оптоэлектронных сенсорных устройств можно передавать и обрабатывать большие массивы информации. Однако им присущи

инедостатки:

—трасса передачи светового излучения можетбыть легко бло­ кирована;

—оптические элементы чувствительны к наличию пыли;

—оптическое излучение со временем (например, из-за старения

10