УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2008 года по МПК G02B23/12 

Область техники

Изобретение относится к устройствам формирования изображений объектов, в частности к оптико-электронным устройствам формирования изображений удаленных объектов.

Уровень техники

Известны системы формирования изображений с помощью фокусирующих элементов (Г.С.Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976, с.289-301, 329-336), состоящие из находящихся на одной оптической оси фокусирующей линзы и фоторегистратора, представляющего собой матрицу фотодетекторов.

Наиболее близким техническим решением является система построения изображений в астрономии с помощью когерентного интерферометра (К.Родье, Ф.Родье. Построение изображений в астрономии по функциям когерентности. Пер. с англ. Под ред. К.Ван Схонфелда. М.: Мир, 1982, стр.173-181). Такая система состоит из расположенных на одной оптической оси визуализатора пространственной когерентности и фоторегистратора, а также компьютера, включающего в себя узел считывания голограмм. Оптический канал данной системы состоит из расположенных на одной оптической оси визуализатора пространственной когерентности и фоторегистратора, предназначен для записи некогерентных Фурье-голограмм. Визуализатор пространственной когерентности, в данном случае являющийся когерентным интерферометром (вращательным разделительным интерферометром), отображает степень пространственной когерентности в виде ряда интерференционных полос, огибающая которых равна Фурье-образу распределения интенсивности света по объекту. На фоторегистратор, представляющий собой фотопластинку для записи голограмм, записывается распределение интенсивности в плоскости регистрации. Записанная на фотопластинку некогерентная Фурье-голограмма после соответствующей обработки считывается в узле считывания голограмм компьютера, и обратное преобразование Фурье-голограммы в изображение объекта производится в компьютере. Таким образом, процесс формирования изображений представлен как двукратное преобразование Фурье, при этом прямое преобразование осуществляется в оптическом канале системы, а обратное преобразование - в электронном канале системы. Описанная система построения изображений недостаточно оперативна, поскольку требуются дополнительные затраты времени на обработку фотопластинок, и, кроме того, существенным недостатком данной системы является малое отношение сигнал/шум, обратно пропорциональное числу разрешимых элементов изображения, что приводит к невозможности формирования изображений протяженных объектов с большим числом разрешимых элементов.

Недостатком известного изобретения является низкое отношение сигнал/шум устройства формирования изображений удаленных объектов.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение отношения сигнал/шум устройства формирования изображений удаленных объектов.

Раскрытие изобретения

Поставленная цель достигается за счет того, что устройство формирования изображения удаленных объектов включает первый блок развертки, предназначенный для сканирования излучения от объекта, входной поляризатор, делитель, предназначенный для преобразования входного светового потока в два световых пучка с ортогональной поляризацией, модулятор, выполненный в виде вращающегося относительно оптической оси поляризатора, фоторегистратор, временной фильтр и второй блок развертки, предназначенный для последовательного пространственного формирования изображения объекта, первый блок синхронизации и второй блок синхронизации, причем указанный первый блок развертки расположен на оптической оси перед указанным входным поляризатором, делитель расположен на оптической оси между входным поляризатором и модулятором, после которого расположен фоторегистратор, соединенный с временным фильтром, который соединен со вторым блоком развертки, причем первый блок синхронизации соединен с первым блоком развертки и вторым блоком развертки, второй блок синхронизации соединен с модулятором и временным фильтром.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1-11), где изображены блок-схема устройства формирования изображений удаленных объектов, его отдельные элементы и диаграммы, поясняющие его работу. На фиг.1 изображена блок-схема устройства формирования изображений удаленных объектов, на фиг.2-4 изображены отдельные элементы устройства формирования изображений удаленных объектов, на фиг.5-11 изображены диаграммы, поясняющие работу устройства формирования изображений удаленных объектов.

Осуществление изобретения

Описание конструкции устройства, иллюстрирующего частный случай реализации изобретения

На фигурах в порядке возрастания номеров по часовой стрелке обозначены: объект 1, оптическая ось 2, первый блок развертки, предназначенный для сканирования излучения от объекта (далее по тексту именуемый - первый блок развертки) 3, входной поляризатор 4, делитель, предназначенный для преобразования входного светового потока в два световых пучка с ортогональной поляризацией (далее по тексту именуемый - делитель) 5, модулятор, выполненный в виде вращающегося относительно оптической оси поляризатора (далее по тексту именуемый - модулятор) 6, фоторегистратор 7, временной фильтр 8, второй блок развертки, предназначенный для последовательного пространственного формирования изображения объекта (далее по тексту именуемый - второй блок развертки) 9, второй блок синхронизации 10, первый блок синхронизации 11, первая призма 12, вторая призма 13, третья призма 14, четвертая призма 15, расщепитель пучка 16, первая линза 17, первое зеркало 18, второе зеркало 19, вторая линза 20, делительная куб-призма 21, первая треугольная 90°-ная призма 22, вторая треугольная 90°-ная призма 23, первая грань 24, вторая грань 25, третья грань 26, первый поляризатор 27, второй поляризатор 28, элемент с оптической активностью 29.

В устройстве формирования изображений удаленных объектов первый блок развертки 3, входной поляризатор 4, делитель (с изменением масштаба) 5, модулятор 6, фоторегистратор 7 расположены один за другим последовательно (в порядке перечисления) на одной оптической оси 2 (фиг.1). В данном случае под оптической осью понимается воображаемая ось, соответствующая ходу лучей в процессе их обработки устройством формирования изображений удаленных объектов. Также в состав устройства формирования изображений удаленных объектов входят первый 11 и второй 10 блоки синхронизации, причем первый блок синхронизации 11 электрически соединен с первым 3 и вторым 9 блоками развертки, а второй блок синхронизации 10 электрически соединен с модулятором 6 и временным фильтром 8.

Первый блок развертки 3 предназначен для сканирования излучения от объекта (т.е. для последовательного прохождения по точкам объекта с получением значений интенсивности светового потока от каждой точки, например, по одному отрезку прямой, затем, со смещением в ортогональном направлении, по такому же второму отрезку и т.д.). Первый блок развертки 3 расположен на оптической оси 2 перед входным поляризатором 4. В данном случае первый блок развертки 3 выполнен в виде зеркала, имеющего возможность поворачиваться относительно двух ортогональных осей, пересекающихся на оптической оси 2, снабженного для этого электромеханическим приводом. В других случаях первый блок развертки 3 может быть выполнен, например, в виде акустооптического сканера.

Входной поляризатор 4 предназначен для поляризации проходящего через него излучения, т.е. для выделения направления вектора поляризации всех световых лучей в потоке, сонаправленного с осью поляризации входного поляризатора 4. Положение входного поляризатора 4 выбирается таким образом, чтобы световые пучки, в дальнейшем интерферирующие на выходе из модулятора 6, имели одинаковую интенсивность. В данном случае входной поляризатор 4 выполнен из поляризационной пленки.

Делитель 5 предназначен для преобразования входного светового потока в два световых пучка с ортогональной поляризацией (в данном случае под изменением масштаба понимается изменение поляризации светового пучка, его поворот, в частности, с дополнительным изменением его поперечного сечения или его отдельных размеров) для последующего получения из них на выходе модулятора 6 интерференционной картины. Делитель 5 расположен на оптической оси 2 между входным поляризатором 4 и модулятором 6.

Ниже приведены три из возможных примера реализации делителя 5.

Первый пример реализации делителя 5 (фиг.2) представляет собой конструкцию, составленную из первой 12, второй 13, третьей 14 и четвертой 15 призм, первого 27 и второго 28 поляризаторов. Первая 12 и вторая 13 призмы предназначены для разделения надвое световых пучков. Первая 12 и вторая призмы 13 выполнены треугольными (в данном случае их основанием является равнобедренный прямоугольный треугольник), соединены большими гранями, в соединении образуют светоделительный куб. В другом варианте соединение первой 12 и второй 13 призм может образовывать прямоугольный параллелепипед, однако представленная в данном случае форма в виде куба является оптимальной для получения максимальной величины апертуры данной конструкции. Третья 14 и четвертая 15 призмы предназначены для зеркального отражения световых пучков, выполнены треугольными (основание - прямоугольный равнобедренный треугольник). Первая 12, вторая 13, третья 14 и четвертая 15 призмы выполнены из изотропного кристалла (например, плавленого кварца, стекла и т.п.). Первый 27 и второй 28 поляризаторы выполнены из поляризационной пленки.

Третья призма 14 своей большей гранью присоединена к грани второй призмы 13, причем первый поляризатор 27 помещен между этими гранями. Четвертая призма 15 своей большей гранью присоединена к грани первой призмы 12, причем второй поляризатор 28 помещен между этими гранями. При этом упомянутые грани первой 12 и второй 13 призм являются смежными в светоделительном кубе. Третья 14 и четвертая 15 призмы ориентированы по отношению друг к другу так, что их ребра, образованные соответствующими ортогональными гранями, перпендикулярны. Первый 27 и второй 28 поляризаторы ориентированы относительно друг друга так, что они поляризуют проходящие через них световые потоки в ортогональных направлениях.

Второй пример реализации делителя 5 представляет собой конструкцию, состоящую из первой 17 и второй 20 линз с разными фокусными расстояниями, первого 18 и второго 19 зеркал, расщепителя пучка 16 и элемента с оптической активностью 29. Первое 18 и второе 19 зеркала и расщепитель пучка 16 установлены в вершинах мнимого треугольника, элемент с оптической активностью 29 расположен между первым 18 и вторым 19 зеркалами, первая линза 17 установлена между расщепителем пучка 16 и первым зеркалом 18, вторая линза 20 установлена между расщепителем пучка 16 и вторым зеркалом 19, причем расстояние между первой 17 и второй 20 линзами равно сумме их фокусных расстояний, а их фокальные точки совмещены. Элемент с оптической активностью 29 предназначен для поворота плоскости поляризации проходящего через него светового потока на заданный угол. Под оптической активностью материалов понимается способность вращать плоскость поляризации проходящего через них линейно-поляризованного света. В данном случае элемент представляет собой пластинку из оптически активного материала (например, кристаллического кварца, кристаллического селена, тиогаллата серебра), толщина которой подобрана так, чтобы поворачивать угол поляризации проходящего света на 45°.

Третий пример реализации делителя 5 (фиг.4) представляет собой конструкцию из делительной куб-призмы 21, элемента с оптической активностью 29, первой 22 и второй 23 треугольных 90°-ных призм, расположенных в одной рабочей плоскости (в данном случае под таким расположением понимается расположение оптических элементов по направлению распространения светового потока, идущего от исследуемого объекта). Под треугольной 90°-ной призмой в данном случае понимается треугольная призма, у которой основание является прямоугольным равнобедренным треугольником, а плоскости всех боковых граней перпендикулярны обоим ее основаниям. Делительная куб-призма 21, составлена из двух одинаковых треугольных призм, первая 22 и вторая 23 треугольные 90°-ные призмы выполнены из изотропного кристалла (например, плавленого кварца, стекла). Первая 22 и вторая 23 треугольные 90°-ные призмы расположены напротив соответственно смежных первой 24 и второй 25 граней делительной куб-призмы, расположенных ортогонально к рабочей плоскости. Элемент с оптической активностью 29 расположен между второй треугольной 90°-ной призмой и второй гранью делительной куб-призмы 21, предназначен для поворота направления поляризации светового потока на заданный угол, выполнен в виде пластинки из материала, обладающего оптической активностью (например, кристаллического кварца, кристаллического селена, тиогаллата серебра), толщина которой подобрана так, чтобы поворачивать угол поляризации проходящего света на 45°. Первая треугольная 90°-ная призма 22 расположена по ходу светового луча, проходящего прямо через делительную куб-призму 21, и таким образом, что ее ребро между гранями, образующими прямой угол, параллельно рабочей плоскости. Вторая треугольная 90°-ная призма 23 расположена по ходу светового луча, проходящего с отражением через делительную куб-призму 21, так, что ее ребро между гранями, образующими прямой угол, расположено под углом малой величины к рабочей плоскости.

Расположенный далее на оптической оси 2 после делителя 5 модулятор 6 предназначен для модуляции во времени контраста интерференционных полос. В данном случае модулятор 6 выполнен в виде вращающегося относительно оптической оси 2 поляризатора.

Фоторегистратор 7 предназначен для пространственного интегрирования интерференционной картины в реальном масштабе времени (суммирования входного светового потока по всей апертуре фоторегистратора 7), он расположен на оптической оси 2 после модулятора 6. Фоторегистратор 7 электрически соединен с временным фильтром 8. В данном случае фоторегистратор 7 выполнен в виде фотоприемника (например, фотоэлектронный умножитель).

Временной фильтр 8 предназначен для модулирования сигнала во времени и электрически соединен со вторым блоком развертки 9. В данном случае временной фильтр 8 представляет собой управляемый электрический фильтр.

Второй блок развертки 9 предназначен для последовательного пространственного формирования изображения объекта, он электрически соединен через первый блок синхронизации 11 с первым блоком развертки 3. В данном случае второй блок развертки 9 представляет собой монитор (в других случаях это может быть, например, проектор, компьютер).

Работа устройства, иллюстрирующего частный случай реализации изобретения

Работает устройство следующим образом.

Предварительно производится подключение электронных элементов устройства формирования изображений удаленных объектов к источнику электроэнергии, а также при необходимости - настройка первого 11 и второго 10 блоков синхронизации. Устройство формирования изображений удаленных объектов устанавливается так, чтобы его оптическая ось 2 была направлена на объект 1, и чтобы световой поток от объекта 1 был направлен на первый блок развертки 3.

Световой поток, излученный объектом 1 или рассеянный им, сканируется при помощи первого блока развертки 3. Зеркало первого блока развертки 3, поворачиваясь с заданной угловой скоростью по одной оси, последовательно размещает в один ряд заданного размера световые лучи от каждой точки объекта 1, затем, по окончании первого ряда, зеркало поворачивается на ортогональной оси на один шаг с заданным интервалом, и начинается формирование второго ряда световых лучей от каждой точки, и таким образом объект 1 сканируется по всей заданной апертуре (фиг.5).

Сформированный пространственно световой поток проходит через входной поляризатор 4 и соответственно поляризуется, т.е. имеющий до прохождения через входной поляризатор 4 круговую поляризацию световой поток преобразуется так, что направление вектора поляризации всех световых лучей в потоке становится сонаправленным с осью поляризации входного поляризатора 4.

Поляризованный световой поток с распределением интенсивности света от объекта 1 попадает в делитель 5.

В делителе 5, выполненном по первому примеру реализации (фиг.2), каждый луч светового потока, проходя границу между первой 12 и второй 13 призмами, делится на два луча. Первый из этих лучей (обозначен пунктирной линией) проходит прямо, поляризуется при прохождении через первый поляризатор 27, затем отражается от третьей призмы 14 с поворотом на 180°, снова отражается от границы между первой 12 и второй 13 призмами, выходит из делителя 5 в направлении модулятора 6. Второй из этих лучей (обозначен сплошной линией) отражается от границы между первой 12 и второй 13 призмами, после чего поляризуется при прохождении через второй поляризатор 28, отражается с поворотом на 180° от четвертой призмы 15 относительно направления, ортогонального направлению первого луча, проходит прямо через границу и выходит из делителя 5 в том же направлении, что и первый из лучей. Поскольку лучи имеют перпендикулярную поляризацию, они не интерферируют между собой. Таким же образом в делителе 5 преобразуются и остальные лучи светового потока.

В делителе 5, выполненном по второму примеру реализации (фиг.3), световой луч от одной точки объекта 1, попадая на расщепитель пучка 16, делится надвое. Первая составляющая светового луча (обозначена сплошной линией) отражается от расщепителя пучка 16, проходит через первую линзу 17, отражается последовательно от первого зеркала 18, проходит через элемент с оптической активностью 29, отражается от второго зеркала 19, проходит через вторую линзу 20, снова отражается от расщепителя пучка 16 и выходит из делитель 5 (фиг.3). Вторая составляющая светового луча (обозначена пунктирной линией) проходит напрямую через расщепитель пучка 16, затем через вторую линзу 20, отражается от второго зеркала 19, проходит через элемент с оптической активностью 29, отражается от первого зеркала 18, проходит через первую линзу 17, снова напрямую через расщепитель пучка 16 и выходит из делителя 5. Поскольку первая линза 17 и вторая линза 20 имеют разное фокусное расстояние, то первая составляющая и вторая составляющая светового луча, соответственно прошедшие в противоположных направлениях, имеют разный масштаб. Первая и вторая составляющие светового луча, пройдя внутри делителя 5 двумя путями в противоположных направлениях, на выходе имеют ортогональную поляризацию.

В делителе 5, выполненном по третьему примеру реализации (фиг.4), световой поток от объекта 1, проходя через делительную куб-призму 21, делится на два пучка. Оба пучка, проходя через одни и те же оптические элементы в различной последовательности, распространяются навстречу друг другу. Первый пучок (показан пунктирной линией) проходит делительную куб-призму 21, отражаясь от границы между двумя призмами, составляющими делительную куб-призму 21, затем последовательно отражается от первой треугольной 90°-ной призмы 22, второй треугольной 90°-ной призмы 23, проходит через элемент с оптической активностью 29 и, отражаясь в делительной куб-призме 21, выходит через ее третью грань 26. Второй пучок (показан сплошной линией) проходит делительную куб-призму 21 напрямую, затем проходит через элемент с оптической активностью 29, последовательно отражается от второй треугольной 90°-ной призмы 23, первой треугольной 90°-ной призмы 22 и, проходя напрямую через делительную куб-призму 21, выходит через ее третью грань 26. Поскольку ребро второй треугольной 90°-ной призмы 23 между гранями, образующими прямой угол, расположено под углом к рабочей плоскости, пучки светового потока, выходящие через третью грань 26 делительной куб-призмы 21, взаимно развернуты на двойную величину этого угла и имеют ортогональную поляризацию.

Далее световой поток, состоящий из двух ортогонально поляризованных пучков, проходит через модулятор 6, представляющий собой в данном случае вращающийся относительно оптической оси 2 поляризатор (фиг.7). За модулятором 6 формируется система интерференционных полос с постоянной фоновой составляющей. Контрастность интерференционных полос соответствует Фурье-образу распределения интенсивности светового потока от объекта 1 (в данном случае под контрастностью понимается отношение разности максимальной и минимальной интенсивности интерференционной полосы к сумме этих интенсивностей в выбранной точке). Огибающая системы интерференционных полос соответствует степени пространственной когерентности, а частота полос пропорциональна смещению центра яркости объекта 1 относительно оптической оси 2 (фиг.6). Временная модуляция контраста интерференционных полос достигается вращением модулятора 6. В определенный момент времени ось поляризации модулятора 6 совпадает с вектором поляризации одного из световых пучков, выходящих из делителя 5, и ортогональна вектору поляризации второго пучка. В этом случае на выходе модулятора 6 в этот момент интерференционной картины нет, наблюдается только фоновая составляющая. В дальнейшем, при повороте модулятора 6 на 45° ось поляризации направлена под углом +45° и -45° к осям поляризации первого и второго пучков соответственно и контраст интерференционной картины достигает максимума. При повороте модулятора 6 на 90° его ось поляризации совпадает с вектором поляризации второго из световых пучков, выходящих из делителя 5, и ортогональна вектору поляризации первого пучка. В этом случае на выходе модулятора 6 в этот момент интерференционной картины нет, наблюдается только фоновая составляющая. При повороте модулятора 6 на 135° его ось поляризации направлена под углами -45° и +45° соответственно к осям поляризации первого и второго световых пучков и контраст интерференционной картины достигает максимума. Однако при интерференции сложение амплитуд световых пучков происходит с обратным знаком, следовательно, интерференционная картина изменится по сравнению с интерференционной картиной, наблюдаемой при положении модулятора 6 под углом 45°, следующим образом: там, где была светлая полоса, станет темная и наоборот. Таким образом, контраст интерференционных полос модулируется во времени с удвоенной частотой вращения модулятора 6 (фиг.8), при этом фоновая составляющая светового поля остается немодулированной.

Интерференционная картина с промодулированным во времени контрастом интерференционных полос поступает на вход фоторегистратора 7. В фоторегистраторе 7 производится пространственное интегрирование интерференционной картины в реальном масштабе времени (фиг.9). Ток через фоторегистратор 7, на входном окне которого формируется такая система интерференционных полос, пропорционален сумме постоянной фоновой составляющей и значения интенсивности сигнала в точке, через которую проходит оптическая ось делителя 5.

Далее при прохождении полученного сигнала от фоторегистратора 7 через временной фильтр 8, расположенный за фоторегистратором 7, полезная составляющая сигнала отделяется от фоновой составляющей путем синхронного детектирования. В частном случае, например, коэффициент усиления временного фильтра 8 меняется по синусоиде с частотой, равной частоте модуляции контраста интерференционных полос (фиг.10). Поскольку временной фильтр 8 синхронизирован с модулятором 6 по времени при помощи второго блока синхронизации 10, то изменение его коэффициента усиления происходит синхронно с вращением модулятора 6. В интервалы времени, когда во входном сигнале присутствует полезная составляющая, и ее огибающая меняется известным образом, так же синхронно изменяется и коэффициент усиления временного фильтра 8. Соответственно полезная составляющая сигнала усиливается, а величина фоновой составляющей на временных интервалах, где нет полезной составляющей, остается прежней, и, таким образом, увеличивается отношение сигнал/шум.

Сигнал с увеличенным отношением сигнал/шум поступает во второй блок развертки 9, синхронизированный с помощью первого блока синхронизации 11 с первым блоком развертки 3. Второй блок развертки 9 включается по соответствующему запускающему сигналу (с учетом времени задержки сигнала, последовательно проходящего входной поляризатор 4, делитель 5, модулятор 6, фоторегистратор 7, временной фильтр 8) от второго блока синхронизации 10 и последовательно формирует на выходе (например, экране монитора) изображение объекта 1 с аналогичными первому блоку развертки 3 временными параметрами и с увеличенным отношением сигнал/шум (фиг.11).

Выполнение устройства формирования изображения удаленных объектов с первым блоком развертки 3, входным поляризатором 4, делителем 5, модулятором 6, фоторегистратором 7, временным фильтром 8, вторым блоком развертки 9, размещенными последовательно на одной оптической оси 2, а также с первым блоком синхронизации 11, соединенным с первым блоком развертки 3 и вторым блоком развертки 9, и вторым блоком синхронизации 10, соединенным с модулятором 6 и временным фильтром 8, значительно увеличивает отношение сигнал/шум на выходе устройства формирования изображений удаленных объектов.

Устройство формирования изображения удаленных объектов включает первый блок развертки, предназначенный для сканирования излучения от объекта, входной поляризатор, делитель, предназначенный для преобразования входного светового потока в два световых пучка с ортогональной поляризацией, модулятор, выполненный в виде вращающегося относительно оптической оси поляризатора, фоторегистратор, временной фильтр и второй блок развертки, предназначенный для последовательного пространственного формирования изображения объекта, первый блок синхронизации и второй блок синхронизации, причем указанный первый блок развертки расположен на оптической оси перед указанным входным поляризатором, делитель расположен на оптической оси между входным поляризатором и модулятором, после которого расположен фоторегистратор, соединенный с временным фильтром, который соединен со вторым блоком развертки, причем первый блок синхронизации соединен с первым блоком развертки и вторым блоком развертки, второй блок синхронизации соединен с модулятором и временным фильтром. Технический результат: увеличение отношения сигнал/шум. 11 ил.

Устройство формирования изображения удаленных объектов, включающее первый блок развертки, предназначенный для сканирования излучения от объекта, входной поляризатор, делитель, предназначенный для преобразования входного светового потока в два световых пучка с ортогональной поляризацией, модулятор, выполненный в виде вращающегося относительно оптической оси поляризатора, фоторегистратор, временной фильтр и второй блок развертки, предназначенный для последовательного пространственного формирования изображения объекта, первый блок синхронизации и второй блок синхронизации, причем указанный первый блок развертки расположен на оптической оси перед указанным входным поляризатором, делитель расположен на оптической оси между входным поляризатором и модулятором, после которого расположен фоторегистратор, соединенный с временным фильтром, который соединен со вторым блоком развертки, причем первый блок синхронизации соединен с первым блоком развертки и вторым блоком развертки, второй блок синхронизации соединен с модулятором и временным фильтром.