СКАНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК G02B26/12 

Изобретение относится к оптотехнике и может найти применение в сканирующих оптико-электронных приборах, например в тепловизорах.

Известны оптико-механические системы с параллельно-последовательной схемой сканирования, в которой кадровая развертка осуществляется качающимся плоским кадровым зеркалом, а строчная вращающимся многогранным зеркальным барабаном, приводимыми в движение соответствующими приводами, связанными с датчиками кадровой и строчной синхронизации. Изображение сканируемых объектов в плоскости чувствительных площадок приемника изображения формируется зеркальным объектом, плоскими, ломающими оптическую ось, зеркалами и системой линз. В современных тепловизионных системах используется принцип оптико-механического сканирования в заднем отрезке объектива, что позволяет уменьшить габариты сканера.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является система, содержащая сканирующие кадровое плоское зеркало, установленное во входном зрачке системы, и многогранный зеркальный призменный барабан, обеспечивающий строчное сканирование, ось вращения которого перпендикулярна оси качания кадрового сканера, а также децентрированное относительно оптической оси системы вогнутое сферическое зеркало, расположенное между кадровым и строчным сканерами, создающее на своей фокальной поверхности промежуточное изображение точек пространства предметов в виде дуги, концентричной децентрированному сферическому зеркалу и совпадающей с траекторией сканирования зеркального барабана, плоские зеркала, ломающие оптическую ось, приемник излучения и передающий объектив, совмещающий осевую точку плоскости промежуточного изображения с плоскостью чувствительных элементов приемника излучения. При этом для минимизации размеров сканирующих элементов они расположены в плоскостях, совмещенных с входным и выходным зрачками децентрированного сферического зеркала, что обеспечивается за счет вырезки из сферического зеркала, смещенного относительно оптической оси системы. В такой системе неизбежны астигматизм, так как меридиальная и сагиттальная составляющие сферической аберрации сферического децентрированного зеркала имеют разную величину, а следовательно, и разные плоскости наилучшей установки, а также кома децентрировки. В устройстве для исправления сферической аберрации сферического децентрированного зеркала предлагается ввести в схему концентричный сферическому зеркалу линзовый мениск либо в параллельном, либо в сходящемся пучке.

Описанные устройства обладают довольно высокими техническими показателями, однако в настоящее время все большее распространение метода тепловизионной диагностики в различных отраслях промышленности, строительства, здравоохранения требует от сканирующих систем малых габаритов при сохранении или улучшении оптических характеристик.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов сканирующей системы при одновременном улучшении качества формируемого ею изображения.

Технический результат достигается тем, что в сканирующей системе содержится сканирующее плоское зеркало (кадровый сканер), установленное во входном зрачке системы с возможностью поворота вокруг оси, параллельной плоскости зеркала и перпендикулярной оптической оси системы, децентрированное относительно оптической оси системы вогнутое сферическое зеркало, сканирующий многогранный зеркальный барабан, установленный на оси вращения, перпендикулярной оси поворота плоского зеркала, плоские зеркала, ломающие оптическую ось, приемник излучения и передающий объектив, совмещающий промежуточное изображение, созданное децентрированным сферическим зеркалом, с плоскостью чувствительных элементов приемника излучения, при этом ось вращения барабана установлена так, чтобы при вращении барабана все точки промежуточного изображения последовательно совмещались через передающий объектив с точкой пересечения оптической оси системы с плоскостью чувствительных элементов приемника, ось симметрии одной из линз передающего объектива параллельно смещена в меридианальной плоскости относительно оптической оси передающего объектива, образуя своеобразный оптический клин, а одно из зеркал, ломающих оптическую ось, имеет цилиндрическую отражающую поверхность, причем ось цилиндра расположена в сагиттальной плоскости.

На фиг.1 приведена оптическая схема сканирующей системы, где: 1 входной зрачок системы; 2 сканирующее по кадру плоское зеркало; 3 ломающее оптическую ось цилиндрическое зеркало; 4 ломающее оптическую ось плоское зеркало; 5 децентрированное вогнутое сферическое зеркало; 6 отражающая поверхность барабана строчного сканирования; 7 передающий объектив, содержащий линзу-клин; 8 -ломающее оптическую ось плоское зеркало; 9 - защитное стекло приемника излучения; 10 плоскость чувствительных площадок приемника излучения.

На фиг.2 конкретные конструктивные параметры системы, фиг. 3-5 - графики аберраций, фиг. 6-8 -расфокусировочные кривые.

Кадровый сканер 2 и строчный сканер 6 осуществляют развертку изображения соответственно по кадру и по строкам. На фокальной поверхности децентрированного сферического зеркала, концентричной поверхности самого зеркала 5, создается действительное промежуточное изображение, пространства предметов в виде узкой полосы на сферической поверхности изображения, расположенной симметрично относительно плоскости, параллельной оси вращения кадрового сканера 2. При вращении строчного барабана после отражения от его граней 6 точки действительного промежуточного изображения, созданного сферическим зеркалом 5, последовательно совмещаются с точкой пересечения предметной плоскости передающего объекта 7, с оптической осью этого объектива. Передающий объектив передает мнимое изображение, созданное в его предметной плоскости сферическим зеркалом 5 и кадровым сканером 3 и строчным барабаном 6, в плоскость чувствительных площадок приемника излучения 10.

На фиг. 2 приведены конкретные конструктивные параметры системы, радиусы кривизны, расстояния между оптическими элементами, толщины линз, световые диаметры элементов, материалы линзпередающего объектива и защитного стекла, а также величины эксцентриситета асферической поверхности линзы-клина и параметры децентрировки углы разворота оптических элементов вокруг осей, перпендикулярных плоскости чертежа, и смещение этих элементов с первоначального направления оптической оси перпендикулярно этому направлению.

На фиг. 3 приведены графики аберраций, а на фиг.6 расфокусировочные кривые этого варианта схемы. Фиг. 3 показывает значительную величину комы децентрировки, на фиг. 6 видно несовпадение плоскости наилучшей установки (ПНУ) в меридианальном Т и сагиттальном S сечениях пучков лучей. Оптимальной плоскостью изображения для данного варианта схемы следует считать плоскость, расположенную между ПНУ для сагиттального и меридианального сечений, в которой коэффициент передачи модуляции (КПМ) для обоих сечений равен 0,45. На фиг. 6 видно, что для меридианального сечения КПМ в ее ННУ, расположенной на расстоянии Δ -0,16 мм, равен 0,53, а для сагиттального сечения (D +0,16 мм) его оптимальный КПМ равен 0,65. Введение в схему цилиндрической поверхности на зеркале 3 (радиус кривизны в плоскости чертежа R 11 м) позволяет совместить ПНУ меридианального и сагиттального сечений, хотя и несколько снижает величины максимальных КПМ этих сечений. В плоскости изображения получены КПМ для меридианального сечения 0,5, для сагиттального сечения 0,63. Графики аберраций для этого случая приведены на фиг.4 расфокусировочные кривые на фиг.7.

Дополнительное выполнение одной из линз передающего объектива в виде линзы-клина (величина клина 21') позволяет устранить кому децентрировки. На фиг. 5 показаны графики аберраций окончательного заявляемого варианта схемы, а на фиг. 8 приведены расфокусировочные кривые. Из этих кривых видно, что КПМ в обоих сечениях увеличились до 0,72, т.е. получена практически безаберрационная система.

Использование: оптотехника и может быть использовано в сканирующих тепловизорах. Сущность изобретения: сканирующая система содержит приемник излучения 10, передающий объектив 7, вращающийся многогранный зеркальный барабан 6, осуществляющий строчное сканирование, размещенный между передающим объективом 7 и образованным им изображением приемника излучения, а также вогнутое сферическое зеркало 5, зеркала 3 и 4, установленные под углом к оптической оси, и плоское зеркало 2 во входном зрачке 1, осуществляющее кадровое сканирование, при этом ось вращения барабана установлена так, что траектория перемещения изображения приемника излучения концентрична с вогнутом зеркалом и расположена в его фокальной плоскости. В передающем объективе 7 один из компонентов выполнен в виде линзы, ось симметрии которой параллельно смещена относительно оптической оси передающего объектива в меридианальной плоскости, а одно из установленных под углом к оптической оси зеркал имеет цилиндрическую отражающую поверхность, причем ось цилиндра расположена в сагиттальной плоскости. 8 ил.

Сканирующая система, содержащая плоское зеркало во входном зрачке системы, установленное с возможностью поворота вокруг оси, параллельной плоскости зеркала и перпендикулярной оптической оси системы, децентрированное относительно оптической оси системы вогнутое сферическое зеркало, многогранный зеркальный барабан, установленный на оси вращения, перпендикулярной оси поворота плоского зеркала, плоские зеркала, установленные под углом к оптической оси системы, приемник излучения и передающий объектив, совмещающий промежуточное изображение, созданное децентрированным сферическим зеркалом, с плоскостью чувствительных элементов приемника излучения, при этом ось вращения барабана установлена так, чтобы при вращении барабана все точки промежуточного изображения последовательно совмещались через передающий объектив с точкой пересечения оптической оси системы с плоскостью чувствительных элементов приемника, отличающаяся тем, что ось симметрии одной из линз передающего объектива параллельно смещена в меридиональной плоскости относительно оптической оси передающего объектива, а одно из зеркал, установленных под углом к оптической оси, имеет цилиндрическую отражающую поверхность, причем ось цилиндра расположена в сагиттальной плоскости, а остальные зеркала, установленные под углом к оптической оси системы, выполнены плоскими.