КОЛЛИМАТОР Российский патент 2013 года по МПК G02B27/30 G01M11/02 

Изобретение относится к области оптической контрольно-измерительной техники, а именно к коллиматорам, используемым для измерения или настройки параллельности визирных осей двух или более оптических систем, по меньшей мере, одна из которых является тепловизионной.

Известно устройство (патент Франции №2391482, G02B 27/30, публ. 1978 г.) для настройки параллельности нескольких оптических систем, по меньшей мере, одна из которых имеет максимальную чувствительность в инфракрасном диапазоне частот и может формировать тепловое изображение. Названное устройство содержит источник излучения, который излучает видимый свет и излучение инфракрасного диапазона. Источник расположен в фокальной плоскости зеркального объектива, фактически является тест-объектом и изображается как бесконечно удаленный предмет контролируемыми оптическими системами, имеющими в своем составе устройства для настройки направления их оптических осей по отношению к отсчетному направлению. При настройке добиваются, чтобы изображение источника, сформированное каждым каналом системы, занимало требуемое положение в фокальной плоскости канала, что, с определенной точностью, соответствует параллельности каналов. Данное устройство характеризуется наличием полосовых фильтров, ограничивающих спектральный состав излучения в диапазоне вблизи 10 мкм, причем полоса пропускания фильтров, работающих в инфракрасном диапазоне частот, составляет 1-2 мкм, а спектральная яркость используемого источника света, преимущественно лампы накаливания, достаточна для формирования как видимого, так и инфракрасного контрольного изображения всеми системами, параллельность которых контролируется или настраивается. Однако источник излучения, используемый в данном случае как тест-объект, должен выполнять противоречивые требования: обеспечивать необходимую спектральную яркость в сильно разнесенных спектральных диапазонах - в видимом и, как правило, в «дальнем» инфракрасном (обычно 8…14 мкм). Необходимое при этом дополнительное ограничение этих диапазонов полосовыми фильтрами усложняет контролирующую систему и связано со значительными бесполезными потерями мощности излучателя. Кроме того, для точного определения направления на изображение излучателя потоки его излучения необходимо формировать не только по спектральному составу, но и геометрически (например, точечными или другими диафрагмами), что создает дополнительные потери мощности.

В качестве средства для настройки или контроля параллельности оптико-электронных систем с разными рабочими диапазонами спектра может использоваться зеркальный коллиматор (RU, патент на полезную модель №31284, G02B 27/30, G01B 11/26, публ. 2003 г.), по совокупности признаков наиболее близкий к заявляемому изобретению, включающий оптически связанные зеркальный объектив, тест-объект, расположенный в фокальной плоскости зеркального объектива, и систему подсветки тест-объекта, причем тест-объект снабжен системой подогрева и выполнен в виде оптической пластины с полированными рабочими поверхностями, на первую из которых, обращенную к зеркальному объективу, нанесено металлическое покрытие, в котором выполнены прозрачные штрихи, образующие рисунок тест-объекта. При этом тест-объект зеркального коллиматора имеет один и тот же рисунок (прозрачные штрихи) как для видимого, так и для инфракрасного диапазона спектра, а на завершающей стадии настройки параллельности двух или более систем обычно наблюдают в едином поле зрения два или более двух идентичных изображений одинакового масштаба, расположенных близко друг к другу вплоть до касания, и их дальнейшее совмещение до желаемой точности затрудняется в связи с частичным взаимным перекрытием изображений тест-объекта, что затрудняет оценку или измерение их относительного смещения. Кроме того, контраст рисунка тест-объекта на созданном таким способом тепловом фоне понижен в связи с тем, что при подогреве всего тест-объекта спектральная яркость возрастает как в пределах штрихов, образующих рисунок тест-объекта, так и в зонах, непосредственно окружающих названные штрихи, причем контраст трудно заранее определить или установить его желаемое значение перед проведением измерений, например, с учетом температуры окружающей среды.

Задачей заявляемого изобретения является создание коллиматора с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат - создание коллиматора для контроля и настройки параллельности оптических осей нескольких оптических систем с экономичным обеспечением необходимой спектральной яркости тест-объекта в сильно разнесенных спектральных диапазонах, повышение точности настройки или контроля параллельности двух или более систем, объединенных в приборный комплекс.

Это достигается тем, что в коллиматоре, содержащем объектив, тест-объект, расположенный в фокальной плоскости объектива, и систему подсветки тест-объекта, тест-объект выполнен в виде системы проводников, подключенных к источнику стабилизированного тока и образующих, по меньшей мере, одно перекрестие в поле зрения, система подсветки выполнена в виде прозрачной пластины с матированной центральной зоной, расположенной непосредственно за тест-объектом и подсвеченной источником излучения видимого диапазона, например, светодиодом, перекрестие в поле зрения выполнено выступающим за границы матированной зоны.

Кроме того, в коллиматоре каждый из проводников тест-объекта может быть подключен к собственной секции источника стабилизированного тока, причем названные секции не имеют гальванической связи.

Конструкция предлагаемого коллиматора иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема, на фиг.2 - конструкция фокального узла, а на фиг.3 и 4 - примеры изображений, наблюдаемых при контроле или настройке параллельности каналов контролируемой системы. В фокальной плоскости объектива коллиматора 1 расположен тест-объект, а именно система проводников 2. Энергетическая яркость каждого проводника определяется пропускаемым через него стабилизированным током. Хорошим конкретным исполнением тест-объекта является перекрестие из двух проводников с большим удельным сопротивлением, каждый из которых подключен к самостоятельной секции источника стабилизированного тока, что практически исключает изменение теплового режима проводников при их касании. За фокальной плоскостью объектива коллиматора 1 и за системой проводников 2 расположена система подсветки, выполненная в виде прозрачной пластины 3 с матированной центральной зоной, подсвеченной источником видимого излучения 4 (предпочтителен светодиод как доступный и эффективный излучатель). Входные зрачки контролируемых оптических устройств 5 и 6 расположены в тепловых и световых потоках, отраженных зеркалом объектива 1 и формирующих тепловое и видимое изображения перекрестия.

Описанное устройство работает следующим образом.

При подаче электропитания на систему проводников 2 и источник видимого излучения 4 на объектив коллиматора 1 падает инфракрасное излучение нагретых током проводников тест-объекта и более коротковолновое излучение от матированной центральной зоны прозрачной пластины, подсвеченной источником видимого излучения. При этом в поле зрения коллиматора проводники являются излучающими объектами в инфракрасной области и «темными» объектами на фоне подсвеченной матированной центральной зоны прозрачной пластины в видимой области спектра. Объектив коллиматора формирует бесконечно удаленные (или расположенные на конечном расстоянии) изображения проводников тест-объекта в инфракрасной области спектра и имеющие меньшую протяженность изображения тех же проводников в более коротковолновой (обычно - видимой) области. Различие протяженности инфракрасного и видимого изображений проводников обусловлено размером матированной зоны пластины источника подсветки (в видимой области наблюдается только часть проводника, соответствующая его геометрической проекции на матированную центральную зону).

Входные зрачки контролируемых систем располагаются в потоках излучения, идущих от объектива коллиматора (предполагается, что объектив имеет достаточный диаметр для того, чтобы заполнить световыми или инфракрасными потоками зрачки всех контролируемых систем, связанных между собой элементами конструкции).

Видимые и преобразованные в видимые инфракрасные изображения, сформированные контролируемыми системами, обычно объединяются контролирующей системой в едином поле зрения для контроля параллельности визирных линий, направленных на изображения проводников тест - объекта. При этом в поле зрения контролирующей системы (например, фотокамеры) может наблюдаться картина, подобная изображению на фиг.3, где в виде темного перекрестия наблюдаются проводники тест-объекта на светлом фоне матированной центральной зоны, а смещенное на величину ΔГ по горизонтали и ΔВ по вертикали светлое перекрестие соответствует преобразованному инфракрасному изображению проводников тест-объекта (части этого изображения, показанные на фиг.3 пунктирными линиями, могут «подавляться» яркостью матированной центральной зоны). Взаимное смещение перекрестий говорит о непараллельности визирных линий светового и инфракрасного каналов контролируемой системы, что обусловлено технологическими отклонениями, устраняемыми при настройке соответствующих узлов системы. За счет этого может быть получена картина, показанная на фиг.4, где нежелательное смещение уменьшено до касания и частичного перекрытия изображений перекрестий. Непараллельность визирных линий при этом может быть все еще недопустимой. Дальнейшая регулировка должна вестись при наблюдении смещения перекрестий в зонах, обозначенных на фиг.4 пунктирными линиями, где обеспечивается повышенная точность совмещения за счет принципа «нониусного совмещения», что не осуществимо, когда совмещаются видимое и инфракрасное изображения, геометрически одинаковые (как в прототипе).

Таким образом, в результате предложенного решения обеспечено получение технического результата - создан коллиматор для контроля и настройки параллельности оптических осей нескольких оптических систем с экономичным обеспечением необходимой спектральной яркости тест-объекта в сильно разнесенных спектральных диапазонах, повышение точности настройки или контроля параллельности двух или более систем, объединенных в приборный комплекс.

Изобретение может использоваться для измерения или настройки параллельности визирных осей двух или более оптических систем. Коллиматор содержит объектив, тест-объект, расположенный в фокальной плоскости объектива, и систему подсветки тест-объекта. Тест-объект - система проводников, подключенных к источнику стабилизированного тока и образующих, по меньшей мере, одно перекрестие в поле зрения. Система подсветки - прозрачная пластина с матированной центральной зоной, расположенной непосредственно за тест-объектом и подсвеченной источником излучения видимого диапазона, например, светодиодом. Перекрестие в поле зрения выступает за границы матированной зоны. Каждый из проводников тест-объекта может быть подключен к собственной секции источника стабилизированного тока, которые не имеют гальванической связи. Технический результат - обеспечение необходимой спектральной яркости тест-объекта в сильно разнесенных спектральных диапазонах, повышение точности настройки или контроля параллельности двух или более систем, объединенных в приборный комплекс. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Коллиматор, содержащий объектив, тест-объект, расположенный в фокальной плоскости объектива, и систему подсветки тест-объекта, отличающийся тем, что тест-объект выполнен в виде системы проводников, подключенных к источнику стабилизированного тока и образующих, по меньшей мере, одно перекрестие в поле зрения, а система подсветки выполнена в виде прозрачной пластины с матированной центральной зоной, расположенной непосредственно за тест-объектом и подсвеченной источником излучения видимого диапазона, например светодиодом, причем перекрестие в поле зрения выполнено выступающим за границы матированной зоны.

2. Коллиматор по п.1, отличающийся тем, что каждый из проводников тест-объекта подключен к собственной секции источника стабилизированного тока, причем названные секции не имеют гальванической связи.