УСТРОЙСТВО СКАНИРОВАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G02B26/12 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в сканирующих системах.

Сканирующие устройства применяются в оптико-электронном приборостроении для просмотра пространства предметов по заданному закону. Наиболее распространено построчное сканирование, при котором осуществляется последовательный просмотр пространства в заданном поле обзора без пропусков. Для уменьшения скорости сканирования применяют многоэлементные приемники, которые позволяют за один скан просматривать сравнительно широкую полосу из множества строк. Основные требования к такому сканирующему устройству следующие:
1. Неискаженная форма растра по сравнению с прямоугольной, т.е., должны быть обеспечены прямолинейные строки, примыкающие друг к другу без пропусков и переналожений по всему кадру. В случае многоэлементного приемника это предполагает также отсутствие вращения изображения линейки фотоприемников в пространстве при сканировании.

2. Предпочтительным является наличие в сканирующем устройстве одних лишь равномерно вращающихся элементов, поскольку точное согласование положений элементов строчной и кадровой разверток, необходимое для получения неискаженного растра, при сложных их движениях очень проблематично, особенно при больших скоростях и амплитудах этих движений.

3. Предпочтительным является также сканирование зеркалами в параллельном пучке, поскольку при этом сканирующее устройство не вносит аберраций. В этом случае сканер обычно устанавливается между объективом фотоприемника и телескопом, повышающим разрешение. Для минимизации размеров телескопа ось пучка при сканировании все время должна проходить через центр выходного зрачка телескопа.

Известные схемы сканирующих устройств, описанные, например, в книге М.М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов, - Л.: Машиностроение, 1983, стр. 33-111, не удовлетворяют перечисленным требованиям.

Наиболее близка по технической сущности к заявляемому устройству сканирующая система, патент Великобритании N 1569879, V 02 B, опубликована 25.06.1980 г. Система содержит зеркальный барабан, по периферии которого расположены пары отражателей (зеркальных граней). Отражающие грани каждой пары отражателей образуют между собой угол около 90^o, а линия пересечения этих граней перпендикулярна оси барабана. Чтобы обеспечить покадровое сканирование, угол между последовательными парами отражателей на барабане делают меняющимся и несколько отличным от 90^o.

Эта система сканирования обеспечивает малое искажение формы растра при умеренных углах сканирования по строке и кадру, но при значительных углах сканирования возникает наклон линейки фотоприемников и искривление строк, что недопустимо при высоких требованиях к определению координат визирования. Кроме того, это сканирующее устройство трудно агрегатируется с объективом фотоприемника и телескопом, в частности, от телескопа требуется значительный вынос выходного зрачка, поскольку точка, вокруг которой вращается пучок при сканировании и с которой должен быть совмещен центр выходного зрачка телескопа, находится внутри конструкции барабана.

Цель изобретения - уменьшение искажений растра и вынос точки вращения пучка в свободное пространство.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве сканирования, содержащем зеркальный вращающийся многогранник в виде двух одинаковых пирамид, повернутых друг к другу меньшими основаниями, грани которых с внешними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы, а ребра двугранных углов лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения многогранника, введен второй зеркальный многогранник, с тем же числом граней в виде двух пирамид, повернутых друг к другу большими основаниями, грани которых с внутренними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы и охватывают первый многогранник так, что луч последовательно отражается от отражающих поверхностей граней первого и второго многогранников, а угловая скорость второго многогранника при сканировании вдвое больше, чем первого, причем кадровое сканирование осуществляется последовательным изменением двугранных углов между последовательными парами отражающих поверхностей второго многогранника.

На фиг. 1 изображена схема конструкции сканирующего устройства в меридиональной плоскости; на фиг. 2 - фронтальная проекция первого (внутреннего) многогранника и ход луча в этой проекции при повороте многогранника на угол α; на фиг. 3 - модификация предложенной конструкции; на фиг. 4 - вид растра при сканировании в прототипе и предложенных конструкциях.

На фиг. 1 обозначено: 1 - фотоприемник; 2 - объектив фотоприемника; 3 - неподвижное ломающее зеркало (оно введено из компоновочных соображений, в принципе его может не быть); 4 - первый вращающийся многогранник с внешними отражающими гранями 4-1 и 4-2; 5 - второй вращающийся многогранник с внутренними отражающими гранями 5-1 и 5-2; 6 - плоское зеркало; 7 - окуляр телескопа.

Устройство работает следующим образом (рассматриваем в обратном ходе от фотоприемника к пространству предметов). В исходном положении, когда работающие отражающие грани перпендикулярны меридиональной плоскости (как изображено на фиг. 1), параллельный пучок, сформированный объективом 2 фотоприемника, падает на грань первого многогранника 4-1 перпендикулярно оси вращения, затем попадает на противоположную грань 4-2, проходит через грани второго многогранника 5-1 и 5-2, затем выводится из сканера плоским зеркалом 6 и направляется в окуляр телескопа. При повороте многогранника 4 на некоторый угол α отраженный от его второй грани 4-2 пучок разворачивается вокруг точки A (и вокруг оси, параллельной оси вращения и проходящей через точку A; см. также фиг. 2) на угол 2α. Расстояние Δ от точки пересечения луча с отражающей поверхностью 4-2 в начальном ее положении до точки A (фиг. 1) сложным образом зависит от радиуса многогранника r, от расстояния d между гранями 4-1 4-2 по ходу луча, а от угла α разворота многогранника 4 при умеренных углах зависит весьма слабо (диапазон углов сканирования при этом составляет ± 2α).
Зависимость эта имеет вид:

α^o - Δ
1 - 7,50
2 - 7,49
5 - 7,43
10 - 7,23
15 - 6,88
Выше приведены несколько значений функции Δ(α) при r = 25 мм; d = 15 мм. При малых углах cosα ≅ 1; sin²α ≅ 0. Из формулы следует

Таким образом, точка A в достаточно широком диапазоне углов сканирования почти не смещается.

Многогранник 5 разворачивается в ту же сторону на угол 2α и возвращает пучок на ось его вращения в точку A'. В этой точке должен находиться центр зрачка телескопа (выходного зрачка, если смотреть со стороны пространства предметов). Это совмещение, в отличие от прототипа, можно осуществить без проблем при любом выносе выходного зрачка телескопа. Именно в зрачке предпочтительно помещать плоское зеркало 6. В этом случае оно будет иметь минимальные габариты.

Кадровое сканирование можно осуществить последовательным изменением (отступлением от 90^o) угла между отражающими гранями 5-1 и 5-2 второго многогранника 5. Целесообразно это делать изменением наклона ближайшей к точке A' грани 5-2. Для того чтобы отклоненный по кадру пучок не уходил из зрачка телескопа, эти грани следует смещать по оси падающего на них пучка на величину
δ = (R-r+Δ)•tg(2ϕ),
где R - радиус второго многогранника по оси пучка;
ϕ - угол отклонения грани 5-2 от среднего значения (пучок при этом отклоняется по кадру на угол 2ϕ).

На фиг. 4 а) изображен растр, полученный в прототипе при сканировании линейкой фотоприемников длиной 1,12 мм, установленной в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием 19,67 мм, в пределах +20^o по строке и +14^o по кадру для центра линейки (показана четверть кадра). Для крайнего скана указаны координаты концов линейки в центре строки и на краю строки (верхнее число - координата в направлении кадровой развертки; нижнее - в направлении строчной). Указанные числа позволяют судить об искривлении строки на краю кадра и о наклоне линейки фотоприемников на краю этой строки (в других строках искажения все меньше по мере приближения к центру кадра). Грани второго многогранника включаются в работу через одну. Для того чтобы поочередно работали все грани, их число должно быть нечетным.

На фиг. 4 б) изображен растр, полученный в предлагаемой конструкции (фиг. 1) при тех же условиях. Кадровое сканирование осуществляется изменением наклона грани 5-2 второго многогранника. Аналогичным образом указаны координаты концов линейки в крайнем скане. Видно, что в этой конструкции полностью устраняется наклон линейки фотоприемников. Но искривление строки осталось и даже несколько увеличилось.

На фиг. 4 в) изображен растр, полученный в модификации предложенной конструкции (фиг. 3). Ее отличие в том, что рассматриваемый скан получен при угле между гранями 4-1 и 4-2, меньшем 90^o, именно, 85^o; соответствующим заклоном грани 5-1 это отступление скомпенсировано; наклоном грани 5-2, по-прежнему, задается угол кадровой развертки. В полученном скане искривление строки выведено на уровень прототипа (фиг. 4 а)), но наклон линейки заметно меньше. Понятно, что при большем отступлении от 90^o между гранями 4-1 и 4-2 можно полностью устранить искривление строки, но наклон линейки увеличится. Для получения симметричного скана на другой оконечности кадра угол между гранями 4-1 и 4-2 должен быть на столько же больше 90^o. Для сканов, расположенных ближе к центру кадра, отступление от 90^o между указанными гранями должно быть меньше, а для центрального скана отсутствовать вовсе. Таким образом, в предложенной конструкции имеется возможность формировать форму растра по отдельным сканам, добиваясь некоторого оптимума, который, как показано выше, может превосходить уровень прототипа.

Кадровое сканирование можно осуществлять также качанием плоского зеркала 6. При этом, если все двугранные углы обоих зеркальных многогранников равны 90^o, может быть реализован прямоугольный растр без заклонов линейки фотоприемников и искривления строк. При расположении сканирующего зеркала в зрачке телескоп 7 имеет минимальные габариты и наилучшие условия аберрационной коррекции.

Устройство сканирования содержит первый зеркальный вращающийся многогранник в виде двух одинаковых пирамид, повернутых друг к другу меньшими основаниями, и второй зеркальный многогранник с тем же числом граней в виде двух пирамид, повернутых друг к другу большими основаниями. Грани первого многогранника с внешними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы, а ребра двугранных углов лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения многогранника. Грани второго многогранника с внутренними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы и охватывают первый многогранник так, что луч последовательно отражается от отражающих поверхностей граней первого и второго многогранников. Угловая скорость второго многогранника при сканировании вдвое больше, чем первого. Кадровое сканирование осуществляется последовательным изменением двугранных углов между последовательными парами отражающих поверхностей второго многогранника. Обеспечивается уменьшение искажений растра и вынос точки вращения пучка в свободное пространство. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство сканирования, содержащее зеркальный вращающийся многогранник в виде двух одинаковых пирамид, повернутых друг к другу меньшими основаниями, грани которых с внешними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы, а ребра двугранных углов лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения многогранника, отличающееся тем, что введен второй зеркальный многогранник с тем же числом граней в виде двух пирамид, повернутых друг к другу большими основаниями, грани которых с внутренними отражающими поверхностями образуют попарно двугранные углы и охватывают первый многогранник так, что луч последовательно отражается от отражающих поверхностей граней первого и второго многогранников, а угловая скорость второго многогранника при сканировании вдвое больше, чем первого. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кадровое сканирование осуществляется последовательным изменением двугранных углов между последовательными парами отражающих поверхностей второго многогранника.