Сборник авторских идей и решений в области инженерной оптики Владимир Хаустов

Что мы знаем об оптике?

В школе – это линзы, зеркала, преломление и «угол падения равен углу отражения». На практике – это лазеры, прицелы, волноводы, камеры и кабели. В научной лаборатории – интерференционные картины, спектры и фото напоминания о квантовой запутанности. Но далеко не всё, что связано со светом, строго укладывается в эти рамки.

Современная инженерная оптика – это не столько дисциплина, сколько поле для изобретательства и междисциплинарных прорывов. Это способ говорить с волнами напрямую – через пространство, форму, сигнал, структуру материи и… человеческое восприятие.

Перед вами – не учебник, не патентная сборка и не отчёт по гранту. Это живой, авторский (во всех смыслах) документ, в котором собраны идеи, рождённые не столько в кабинетной тишине, сколько в беспокойстве ума, в эксперименте на коленке, в попытке обойти «невозможное» – пусть даже путём, который покажется сначала странным.

Как сфокусировать точку света в воздухе без экрана? Можно ли «увидеть» искру стали и распознать её марку с помощью смартфона? Что, если тележка железнодорожного вагона – это уникальный идентификатор, который не скроешь? А может ли крутящий момент шпинделя быть видимым, как световая спираль?

Все эти вопросы находятся на границе инженерной оптики, цифровых технологий, «изобретения по нужде» и чисто человеческой страсти к эксперименту. Многие предложенные подходы уже проверены в простейших лабораториях или на действующем оборудовании. Какие-то – ждут прототипа, а какие-то – просто ищут тех, кто рискнёт сделать следующий шаг.

Сборник предназначен для инженеров, студентов, исследователей, стартаперов и технических фантазёров. Для тех, кто не боится слова «гипотеза», уважает эксперимент и умеет видеть в лазерном луче не только красный свет, но и любопытную возможность.

Добро пожаловать в инженерную оптику. Без лишнего лоска. Зато – честно, с идеей и потенциалом.

Предлагается способ формирования видимой светящейся точки прямо в пространстве (без экрана), основанный на физиологических особенностях зрительной системы человека – в частности, на неспособности зрительного анализатора реагировать на одиночные световые импульсы малой длительности (менее 0,1 секунды), но способности воспринимать их, если они повторяются или накладываются с задержкой.

Суть метода: если несколько лазерных источников направить на одну и ту же точку в пространстве и синхронизировать их кратковременные импульсы по фазе, частоте и длительности, то в перекрестии лучей человеческий глаз воспримет устойчивое свечение, даже при том, что каждый отдельный луч может быть сам по себе невидим.

Физиологическая основа

– Человеческий мозг игнорирует одиночные оптические импульсы короче 0,1 сек.

– Однако он способен воспринимать серию таких импульсов как однонаправленное событие, особенно если источников импульсов два и более, а импульсы следуют с небольшой временной задержкой.

– Таким образом, зрительная система работает как пространственно-временной коррелятор (или схема совпадений), реагируя не на отдельные импульсы, а на их сочетания во времени и пространстве.

Технический принцип

– В пространстве располагаются два и более лазера, излучающих импульсы видимого света длительностью <0.1 секунды.

– Лучи направлены в одну точку. При одиночном луче точка практически незаметна глазом.

– При включении второго – яркость возрастает кратно, создавая субъективно видимую устойчивую светящуюся "точку пересечения".

– Продвигая эту точку в пространстве путём отклонения лазеров (механически, оптически, MEMS-зеркалами и т.д.), можно рендерить статические и динамические объёмные изображения.

– Для визуального эффекта необходима серая среда: туман, аэрозоль, пыль или дисперсированная взвесь в воздухе для рассеяния точек по объёму.

Экспериментальная проверка (прототип)

Рис. № 1. Схема реализации способа формирования светящейся точки в пространстве

– Использованы два лазера от лазерных указок, управляемые через LPT-порт ПК с программной модуляцией на языке Delphi.

– Драйвера светодиодов генерировали импульсы длиной до 3 микросекунд – при частоте 1–2 Гц.

– Разнесённые на расстояние 20 см лазеры фокусировались в одну точку на стене.

– Яркость точки при работе одного лазера была предельно слабой, малозаметной; при включении второго – резко возрастала.

Программный фрагмент (на Delphi + вставка на ассемблере):

(Оставим по запросу – системный код подтверждает реальность эксперимента.)

Заключение

На основе эффекта пространственно-временного совпадения световых импульсов возможно построение технологии формирования реальных светящихся точек в воздухе, воспринимаемых человеческим зрением при определённых условиях, без наличия реального "объекта" в фокусе.

Перспективы:

– Отображение 3D-голограмм "в воздухе"

– Простые объёмные указатели, предупреждающие знаки, проекционные дисплеи

– 3D-интерфейсы для авиации, транспорта, AR-технологий и комплексных ситуационных центров

Публикация по теме:

https://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/public/YaBB.pl?num=1585918183

Заключение

Никакие утверждения о точности или эффективности не делаются. Метод требует дальнейшего технического развития, тонкой калибровки по углу/фазе/частоте, создания точной системы управления развёрткой и источниками. Но эффект – наблюдательный и воспроизводимый.

Автор открыт к обсуждению, моделированию и разработке алгоритмов развертки при поддержке технических специалистов.

Статья по теме опубликована в библиотеке проекта SCITECLIBRARY:

http://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/public/YaBB.pl?num=1585918183

Заявленный способ является альтернативой дорогостоящим оптическим системам распознавания с использованием видеокамер и искусственного интеллекта.

Единственное условие, ограничивающее применение способа заключается в том, что система должна заранее знать информация о каждом железнодорожном составе, который поступит на территорию промышленного производства. Должны быть известны все номера вагонов и последовательность расположения в железнодорожном составе.

Это условие для крупного промышленного производства в настоящее время выполняется. Информация о каждом железнодорожном составе, поступающим на территории промышленного производства, представлена в виде телеграммы натурного листа поезда (ТГНЛ), с указанием всех вагонов входящих в его состав и их последовательности номеров.

Предлагается за идентификационный параметр для каждого грузового вагона брать колёсные базы его двух тележек. Каждый Ж/Д вагон в своей серии конструктивного исполнения, в том числе и тележек – индивидуален. Невозможно изготовить две строго идентичные тележки. К тому же база каждой тележки в течении относительно небольшого периода будет зависеть только от температурных условий окружающей среды, которые можно легко учесть программным способом.

Таким образом, идентификационная характеристика каждого вагона носи вероятностный характер.

Рассмотрим пример использования способа идентификации применительно к самому распространённому типу колёсных тележек с базой в 1850 мм.

Рис. № 2. Вагонная тележка, размеры.

Где:

B – колёсная база, мм.

L – идентификатор, мм.

H – высота идентификатора над Ж/Д полотном, мм.

Для других типов тележек способ идентификации идентичен и будет зависеть только от места статического расположения оптических датчиков.

Согласно ГОСТ колёсная база классической тележки равна 1850 мм с погрешностью от 1800 до 1890 мм.

Измерение расстояния колёсной базы будем проводить с помощью лазерных импульсно-оптических датчиков с чувствительностью на переключение – 0,01 мм.

В диапазоне выше указанных отклонений базы согласно ГОСТ в 90 мм для одной тележки в идеальных условиях (без влияния температуры окружающей среды и степени износа вагона) вероятность распознавания в идеальных условиях составит 1:90 000. Вероятность распознавания системой одного вагона с двумя тележками будет составлять 1:180 000.

В реальных условиях с учётом степени износа вагона и температурных условий окружающей среды – вероятностные значения идентификации будут в разы меньше, но достаточны для заявляемых целей учёта времени нахождения на территории промышленного производства.

Техническая реализация способа в упрощённом виде представлена на рис. № 3 только для одной стороны Ж/Д пути. Для другой стороны Ж/Д пути принцип идентичен.

Рис. № 3. Способ идентификации по колёсной базе.

Четыре оптические пары датчиков (в дальнейшем – датчики) стационарно размещены вдоль Ж/Д полотна на высоте h в пункте входа/выхода Ж/Д составов на/из территории промышленного производства.

Датчики располагаются таким способом, чтобы с учётом возможного максимального расстояния колёсной базы из стандарта ГОСТ– два крайних датчика (1,4) перекрывались колёсами, а два внутренних (2,3) – были открытыми. В случае выше указанного расстоянием размещения крайних датчиков будет 890 мм плюс расстояние однозначного распознавания перекрытия. Расстояние между 1 и 2, а также между 3 и 4 датчиками выбирается также исходя из однозначного распознавания переключения их по отдельности.