Оптико-электронные устройства

Оптико-электронные устройства делятся на приемники света и излучатели света. Совместно действующие светоприемник и светоизлучатель образуют оптронную пару.

К оптико-электронным относят только те устройства, в которых осуществляется взаимное преобразование электрических и оптических сигналов, несущих информацию. Поэтому, например, осветительные электрические лампы к таким устройствам не относятся.

В оптико-электронных излучателях света используется свойство некоторых кристаллов светиться в электромагнитном поле. Из оптико-электронных излучателей для контроля за спортсменами применяют светоизлучающие диоды (светодиоды) и лазеры.

Светодиод начинает светиться, если к нему подвести напряжение от электрической батарейки. Обычно он вспыхивает периодически через равные интервалы времени, что дает возможность рассчитать по циклограмме скорости и ускорения. Светодиоды све­тятся так ярко, что исследования можно проводить в естественных условиях тренировки, без специального затемнения. Светодиоды диаметром около 1 мм служат датчиками координат (маркерами). Ими маркируются суставы спортсмена при циклосъемке.

Лазером называется источник когерентного (лат. cohaerere — находиться в связи) направленного излучения. Когерентность* делает луч лазера узким, концентрированным, способным без заметного рассеивания передаваться на значительные расстояния. Лазеры посте­пенно вытесняют обычные электролампы с отражателями в оптронных парах, предназначенных для измерения скорости. Принцип измерения состоит в том, что бегущий спортсмен пересекает два или несколько лу­чей света, сфокусированных на приемниках светового излучения — «фотоэлементах» (например, на фотодиодах). Прерывая световые лучи, спортсмен на мгновение выключает ток, который течет в фотоэлементе под действием света; возникает электрический импульс. Лучи света параллельны друг другу и перпендикулярны к направлению бега. Поэтому для расчета скорости бега достаточно разделить расстояние между лучами на временной интервал между импульсами в фотоэле­менте.

Использование лазерного излучателя вместо обычной электриче­ской лампы не только повышает точность измерений, но и позволяет заменить несколько оптронных пар одной парой, оснащенной системой зеркал (рис. 45). Такая оптронная пара может применяться и для автоматического измерения частоты шагов в беге. В этом случае лазерный луч направляется вдоль беговой дорожки на высоте 1—2 см от земли.

Важным шагом в развитии оптико-электроники стало изобретение позиционно-чувствительных фотоэлементов. Так назы­ваются фотоэлементы, в которых возникают два электрических сигнала; один из них пропорционален горизонтальной координате освещающего луча, а другой — вертикальной. Первые позициощ чувствительные фотоэлементы представляли собой прямоугольна матрицы, составленные из нескольких сотен или тысяч фотодиодов. В настоящее время созданы монокристаллические позиционно-чувствительные фотодиоды.

Рис. 45

Эскиз оптико-электронной системы для автоматического измерения скорости бега:

1 — лазерный излучатель, 2 — фотоприемник, 3 — беговая дорожка; стрелками показан путь лазерного луча в системе зеркал (по Л. М. Райцину,В. В. Балахянчеву, А. С. Аруину)

Примером современной оптико-электронной системы может служить система «Selspot» (в буквальном переводе — «разделяющиеся точки»). Она включает в се«десять светодиодов инфракрасного (теплового) излучения, размещаемых на сустава» голове спортсмена, электронно-вычислительное устройство («электронный мозг» системы) и два объектива, фокусирующих изображение спортсмена на двух позиционных чувствительных фотодиодах («электронных глазах» системы). Электронно-вычислительное устройство периодически получает информацию о положении светодиодов пространстве и автоматически вычисляет скорости, ускорения, траектории (и вычерчивает их графики) всех десяти маркированных точек на теле спортсмена. «Selspot» имеет существенное преимущество перед системами фото- и киноизмерений: если какой-либо маркер неподвижен или перемещается незначительно, то соответствующие точки на выходе вычислительного устройства не сливаются, а фиксируются одна за другой в функции времени.

Оптико-электронные методы быстро развиваются. Они позволяй: полностью автоматизировать обработку данных о технике спортсмена. Однако в настоящее время эти методы еще очень дороги и недостаточно точны. Вместе с тем есть все основания ожидать, что в будущем они i многом заменят другие оптические методы (фото- и киносъемку).