КОЛЛИМАТОР ДЛЯ НАСТРОЙКИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2011 года по МПК G02B27/30 H04N17/06 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при юстировке и настройке телевизионных камер многоканальной телевизионной системы.

Известно устройство [1] на основе коллиматора, содержащее щелевую диафрагму, установленную в фокальной плоскости объектива коллиматора, которая подсвечивается лампой накаливания через конденсорные линзы и светофильтры, проекционный объектив и ПЗС линейку.

Недостатком устройства является наличие проекционного объектива и щелевой диафрагмы, качественное изображение которой требует дополнительной математической обработки.

Известно устройство [2] на основе коллиматора, включающее расположенные на одной оптической оси источник света, штриховую миру с заданной пространственной частотой, снабженную механизмом перемещения перпендикулярно оптической оси, объектив коллиматора, ТВ-камеру с ПЗС-матрицей для обработки измерительной информации, при этом для обеспечения равномерной засветки штриховой миры между источником света и штриховой мирой расположено молочное стекло, а для выделения определенного спектрального диапазона между молочным стеклом и штриховой мирой установлен светофильтр.

К недостаткам этого устройства относятся оптическое рассогласование объектива коллиматора и источника света, необходимость использования светофильтра, полихроматический источник света, механизм перемещения штриховой миры.

Перечисленная совокупность недостатков устройства приводит к низким эксплуатационным и оптическим параметрам, снижает степень надежности устройства из-за сложности конструкции и технологии изготовления узлов и их взаимной юстировки.

Дело в том, что лампа накаливания в качестве источника света излучает в широком диапазоне длин волн. Это означает, что для получения качественного изображения штриховой миры необходим объектив коллиматора, в котором обеспечена коррекция хроматических аберраций. Такое требование усложняет расчет, конструкцию, а также изготовление объектива. Оптическое согласование по спектру излучения предпринято за счет применения светофильтра, который усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства. Кроме того, использование лампы накаливания не является экономичным в силу того, что мал коэффициент преобразования электрической мощности в световую, и сама подводимая электрическая энергия питания лампы весьма существенна. Применение механизма перемещения штриховой миры вызывает необходимость применения высокоточной, а потому затратной, технологии изготовления отдельных деталей и приводит к значительным погрешностям при измерениях по второму информационному каналу.

Задачей изобретения является создание надежного в эксплуатации, простого в изготовлении, сборке и настройке коллиматора, позволяющего проводить работы одновременно с двумя камерами телевизионной системы, содержащего объектив, отличающийся малыми габаритами, простотой конструкции и изготовления, обеспечивающий во взаимосвязи с источником света требуемое качество изображения; надежный и экономичный источник света, оптически связанный с объективом для обеспечения требуемого качества изображения, создающий равномерную освещенность тест-объекта, обеспечивающий необходимую мощность излучения во времени и постоянную мощность излучения при изменении температуры, тест-объект, рассеивающий элемент и светоделительный блок, при этом перечисленные элементы расположены в корпусе коллиматора по одной оптической оси, а источник света, объектив и фотоприемник ТВ-камеры оптически согласованы между собой и с наблюдателем, причем выбранная длина волны видимого диапазона позволяет предварительно оценивать качество сборки коллиматора и проводить визуальную настройку его оптической системы.

Технический результат достигается тем, что в корпусе коллиматора на оптической оси расположены плата источника света, рассеивающий элемент, тест-объект, объектив и светоделительный блок, при этом объектив минимизирован по габаритам, оптимизирован по конструктивной простоте, технологической реализации и обеспечивает построение изображения тест-объекта в бесконечности с требуемым качеством изображения; источник света представляет собой матрицу последовательно включенных в электрическую схему светодиодов, излучающих в видимом диапазоне длин волне; светоделительный блок выполнен с возможностью разделения изображения тест-объекта, построенного объективом, на два геометрически и энергетически одинаковых изображения, что позволяет проводить работы одновременно с двумя камерами телевизионной системы, визирные оси которых параллельны между собой; при этом тест-объект и рассеивающий элемент - компоненты с заранее заданными параметрами.

Конструктивная простота объектива предполагает возможность получения некачественного изображения из-за комплекса монохроматических и хроматических аберраций. Ограничение рабочего спектрального диапазона объектива позволило свести к минимуму влияние хроматических аберраций (хроматизма положения, сферохроматизма), что позволило обеспечить требуемое качество изображения. Поэтому объектив выполнен для работы в узком спектральном диапазоне.

В отличие от прототипа необходимый спектральный диапазон выделяется не при помощи использования цветных фильтров, а формируется выбором источника света, обеспечивающего оптическую взаимосвязь источника света и объектива.

Источник света создает равномерную освещенность в плоскости тест-объекта в силу того, что дискретные элементарные излучатели расположены так, что геометрия их расположения подобна геометрии тест-объекта.

Кроме того, источник света комплектуется дискретными элементарными излучателями с предварительно обработанной шлифованием (для увеличения рассеяния) поверхностью излучения. Такое дополнительное рассеяние в совокупности с рассеивающим элементом резко повышает равномерность освещенности в плоскости тест-объекта, что позволяет отказаться от использования конденсорной оптической системы.

Особое значение имеет оптическое согласование между наблюдателем, источником света, объективом и фотоприемником ТВ-камеры. Дело в том, что выбор одинаковой рабочей длины волны излучения, например λ=0,85 мкм, для источника света, объектива и фотоприемника ТВ-камеры является условием, необходимым для функционирования системы, но совсем недостаточным для включения в процесс настройки наблюдателя. Ввиду этого рабочая длина волны выбрана такой, чтобы осуществить визуальную настройку коллиматора.

Необходимый уровень освещенности в плоскости тест-объекта вне зависимости от времени обеспечивается выставлением мощности излучения источника света на уровень, обеспечивающий значительное превышение минимального порога освещенности тест-объекта.

Постоянство излучаемой источником света мощности при изменении температуры достигается введением в электрическую схему питания сопротивления, величина которого изменяется в зависимости от температуры. Выставив определенное значение тока в электрической цепи питания при определенных величинах термосопративления и температуры, получим это же значение тока в цепи при колебаниях температуры от выставленного значения.

Равномерность освещенности тест-объекта достигается также включением дискретных элементарных излучателей в последовательную цепь. При этом через каждый излучатель протекает одинаковый ток, что вызывает одинаковую излучаемую мощность каждым элементарным излучателем.

Элементарные излучатели, из которых состоит источник света, располагаются от тест-объекта с рассеивающим элементом на расстоянии, которое определяется выражением:

где l - расстояние между поверхностью дискретных элементарных излучателей и плоскостью тест-объекта; I - сила света элементарного дискретного излучателя; Е - освещенность светлого фона в плоскости тест-объекта; а - коэффициент равномерности, зависящий от геометрических и оптических параметров отдельного дискретного элементарного излучателя и их количества в электрической схеме, геометрии их расположения на плате.

где S_T-T - площадь тест-таблицы, S_ИИ - площадь платы источника света.

где k - коэффициент заполнения дискретными элементарными излучателями платы с площадью S_ИИ (может принимать значения в диапазоне величин 0,3-1);

U_П - напряжение питания электрической схемы;

U_С - напряжение питания дискретного элементарного излучателя;

- количество дискретных элементарных излучателей на плате источника света;

S_С - площадь излучающей поверхности дискретного элементарного излучателя.

Объектив коллиматора оптически сопряжен со светоделительным блоком. Определенное положение светоделительного блока относительно объектива, как показали теоретические на основе компьютерного моделирования и практические исследования, позволяют получить как в первом, так и, в особенности, во втором телевизионных каналах световые потоки достаточной мощности и равной величины. Это особенно важно в случае, если телевизионные камеры различаются входными оптическими параметрами.

Заявленная совокупность отличительных признаков направлена на получение заявленного технического результата.

Заявленный коллиматор изображен на фиг.1. Коллиматор содержит корпус 1, объектив 2 в оправе 3, тест-объект 4, рассеивающий элемент 5, плату 6 с дискретными элементарными излучателями 7, светоделительный блок 8, в держателе 9.

Заявленный коллиматор работает следующим образом. При включении электрической цепи элементарные дискретные излучатели освещают рассеивающий элемент, а через него - тест-объект, изображение которого объектив направляет на светоделительный блок. В светоделительном блоке поток делится на две равные части, каждая из которых попадает в соответствующий объектив каждой из ТВ-камер.

Опытные испытания прошел коллиматор следующего конкретного исполнения. В корпусе из материала Д16Т размещена плата с 12-ю светодиодами, которые расположены в 4 ряда по 3 светодиода в каждом (фиг.2). Они расположены в прямоугольнике с размерами 24×32 мм². Поверхности линз светодиодов сошлифованы на глубину 1,5 мм от вершины первоначальной сферы. Светодиоды включены в последовательную цепь с напряжением питания 27 В и «гасящим» сопротивлением 150 Ом, выполняющим роль термосопративления. Светодиоды типа КИПД136 В-К4 производства ОАО «Протон». Длина волны излучения λ=0,63 мкм.

При заданных значениях I=14 кд, E=1000 лк, k=0,3, значение коэффициента a=0,24 и расстояние между тест-объекта и поверхностью дискретных элементарных излучателей l≈30 мм. В конкретной реализации расстояние l было сокращено из-за наличия рассеивающего элемента. Таким образом, на расстоянии 25 мм от сошлифованных поверхностей светодиодов размещено молочное стекло (рассеивающий элемент) и на расстоянии 1 мм от него находится универсальная телевизионная тест-таблица ТИТ 0249 с размером рисунка 24×32 мм² (размеры тест-таблицы соответствует сформированной геометрии расположения и размерам расположения светодиодов). В передней фокальной плоскости объектива расположена тест-таблица (фиг.3). Объектив имеет параметры: f'=100 мм, D/f'=1:2,5. Малые габариты и простота конструкции объектива достигается применением в объективе только двух сферических линз. Наличие у двух линз общего радиуса влечет за собой простоту их изготовления и сборки, а исполнение в виде склеенного блока - простоту центрировки в оправах объектива.

К объективу примыкает призменный блок (фиг.4), выполненный в виде призмы, в основе которой лежат светоделительный кубик и призма АР-90. Необходимо отметить разные габаритные размеры составной призмы: светоделителный кубик имеет меньшие габаритные размеры, чем призма АР-90. Это сделано для удобства монтажа составной призмы в конструкции держателя, т.к. в этом случае отсутствует нежелательная нагрузка на место склейки кубика.

Оптическая схема коллиматора приведена на фиг.5.

По итогам опытных испытаний коллиматор принят к серийному производству.

Источники информации

1. Бузанов В.И. КП ЦКБ «Арсенал» - ведущий разработчик оптических и оптико-электронных приборов и систем в Украине. Сб. МАК «Контенант» - 2002, октябрь, с.6-10.

2. Патент RU 2282170, G01M 11/02 - прототип.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при юстировке и настройке телевизионных камер многоканальной телевизионной системы. Коллиматор содержит корпус и расположенные в нем на одной оптической оси источник света, рассеивающий элемент, тест-объект, объектив и светоделительный блок. Источник света выполнен из дискретных элементарных излучателей. Излучающие поверхности излучателей выполнены диффузно- рассеивающими. Расстояние между излучающими поверхностями излучателей и тест-объектом определяется выражением где l - расстояние между поверхностью излучателей и плоскостью тест-объекта, I - сила света элементарного источника излучения, Е - освещенность светлого фона в плоскости тест-объекта, а - коэффициент равномерности. Объектив выполнен для узкого спектрального диапазона. Светоделительный блок выполнен с возможностью разделения изображения тест-объекта, построенного объективом, на два геометрически и энергетически одинаковых изображения. Источник света, объектив, светоделительный блок, фотоприемники телевизионной системы оптически согласованы между собой по длине волны излучения, соответствующей длине волны наблюдения. Технический результат - создание надежного в эксплуатации, простого в изготовлении, сборке и настройке коллиматора. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Коллиматор для настройки многоканальной телевизионной системы, содержащий корпус, расположенные в нем на одной оптической оси источник света, рассеивающий элемент, тест-объект, объектив и светоделительный блок, отличающийся тем, что источник света выполнен из дискретных элементарных излучателей, размеры и геометрия расположения которых подобны размерам и геометрии тест-объекта, а излучающие поверхности излучателей выполнены диффузно-рассеивающими, причем расстояние между излучающими поверхностями излучателей и тест-объектом определяется выражением
,
где l - расстояние между поверхностью излучателей и плоскостью тест-объекта;
I - сила света элементарного источника излучения;
Е - освещенность светлого фона в плоскости тест-объекта;
а - коэффициент равномерности,
объектив минимизирован по габаритам, оптимизирован по конструктивной простоте и технологической реализации, выполнен для узкого спектрального диапазона, светоделительный блок выполнен с возможностью разделения изображения тест-объекта, построенного объективом, на два геометрически и энергетически одинаковых изображения, при этом источник света, объектив, светоделительный блок, фотоприемники телевизионной системы оптически согласованы между собой по длине волны излучения, соответствующей длине волны наблюдения.

2. Коллиматор для настройки многоканальной телевизионной системы по п.1, отличающийся тем, что дискретные элементарные излучатели соединены в последовательную электрическую цепь.

3. Коллиматор для настройки многоканальной телевизионной системы по п.2, отличающийся тем, что в электрическую цепь включено термосопротивление.