Оптическая сканирующая система Советский патент 1992 года по МПК G02B26/10 

Фм.1

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных приборах, предназначен ных для неразрушающего контроля промышленных изделий, объектов, энерге- тического оборудования и для медицинских исследований.

Известны оптические системы тепловизоров, в которых в качестве сканирующих устройств используются зеркальные бара- баны-многогранники, обеспечивающие в совокупности с обьективом и многоэлементным приемником излучения просмотр заданного поля зрения. Благодаря тому, что сканирование осуществляется вращением зеркального барабана-многогранника, можно легко обеспечить высокую скорость и линейность развертки. Становится возможным создание быстродействующих теп- ловизионных приборов.

Увеличение угла поля зрения прибора в кадровом направлении в таких системах возможно или за счет увеличения числа чувствительных элементов в линейке приемников или за счет изменения угла наклона граней зеркального барабана к оси его вращения. Первое влечет за собой усложнение технологии производства приемников излучения и, соответственно, повышение стоимости, а также усложнение конструкции объектива из-за необходимости увеличения его собственного угла поля зрения. Второе позволяет ограничиться использованием приемников излучения с небольшим числом чувствительных элементов и объективом, к которому, не предъявляются повышенные требования к качеству изображения по углу поля зрения. Примером тепловизионной системы, построенной по подобной схеме является тепловизор английской фирмы Presision Industry

Оптические системы со сканирующими устройствами в виде зеркальных барабанов с разнонаклонными гранями (типа колеса Вейлера) обладают тем недостатком, что взаимное расположение элементов системы не позволяет обеспечить высокий коэффициент использования зеркальной грани, а это приводит к увеличению габаритов и Снижению чувствительности тепловизора.

В оптической системе тепловизоров Алмаз и Радуга использована в качестве сканирующего устройства 12-гранная усеченная пирамида с разнонаправленными гранями и объектив, фокусирующий поток в плоскость изображения. Развертка изображения осуществляется следующим образом. При повороте зеркальной грани 11-элементный приемник излучения обеспечивает параллельное сканирование 11

строк разложения, составляющих одну зону изображения, а за полный оборот пирамиды осуществляется последовательное сканирование 12 зон.

В этой оптической системе за счет применения зеркальной пирамиды вместо барабана взаимное расположение оси вращения зеркальных граней, падающего и отраженного луча таково, что поворот отраженного луча происходит на угол,- равный повороту зеркальной грани. Это в два раза меньше, чем в схеме с использованием зеркального барабана, за счет чего и увеличивается коэффициент использования грани, что позволяет уменьшить габариты сканирующего устройства и повысить чувствительность тепловизионной системы. К недостаткам данной оптической системы следует отнести наличие растровых искажений, большого угла поворота изображения (поля зрения), увеличивающегося с увеличением угла сканирования, что приводит к искажениям формы изображения и ухудшению его качества.

Наиболее близким техническим решением является оптическая сканирующая система, состоящая из вращающейся зеркальной усеченной пирамиды, объектива приемника, фокусирующего поток на плоскость изображения, и дополнительного объектива с зеркалом, установленным на его оптической оси, которая параллельна оси вращения пирамиды.

В известной оптической системе за счет включения в ход лучей двух рабочих граней обеспечивается практически полная компенсация угла поворота поля зрения (изображения) и уменьшение растровых искажений по всему полю зрения. К недостаткам следует отнести наличие большой сферической аберрации дополнительного объектива, которая существенно ухудшает качество изображения всей системы. Величина сферической аберрации пропорциональна квадрату светового диаметра:

D2

Т

где D - световой диаметр дополнительного объектива;

г- фокусное расстояние дополнительного объектива;

К - коэффициент пропорциональности, зависящий от других параметров дополнительного объектива.

Световой диаметр дополнительного объектива известной системы очень большой, так как он должен быть не меньше диаметра усеченной пирамиды.

Целью изобретения является повышение качества сканируемого пятна.

Поставленная цель достигается тем, что в оптической сканирующей системе зеркальный многогранник выполнен полым и кольцевым, имеющим в сечении, проходящем через ось дополнительного объектива, треугольник, обращенный вершиной к дополнительному объективу. При этом объектив и приемник расположены внутри многогранника. Кроме того, ось дополнительного объектива проходит через вершину треугольника.

Введение в оптическую систему многогранника, выполненного полым и кольцевым, имеющим в сечении, проходящем через ось. треугольник, обращенный верши- ной к дополнительному объективу, и установка объектива и приемника внутри кольцевого многогранника обеспечивают уменьшение требований к светосиле дополнительного объектива, следовательно, уменьшение величины сферической аберрации и, соответственно, повышение качества изображения.

Расположение оси дополнительного объектива, проходящей через вершину треугольника, обеспечивает оптимальное положение дополнительного объектива, при котором его диаметр оказывается минимальным при заданном значении фокусного расстояния, а следовательно, максимальными становятся значения сферической аберрации.

Концентрация рабочих отражающих поверхностей по одну сторону от оси вращения пирамиды позволяет существенно уменьшить диаметр дополнительного объектива, что дает возможность значительно снизить величину сферической аберрации и тем самым повысить качество изображения системы.

На фиг. 1 представлена оптическая сканирующая система, общий вид, на фиг. 2 - зеркальный многогранник, вид сверху.

Оптическая сканирующая система содержит приводной двигатель 1, на валу 2 которого закреплен зеркальный многогран- ник 3, выполненный в виде кольцевого многогранника с внешними А и внутренними Ј смежными, оптически сопряженными гранями, с осью вращения А-А, имеющий в сечении треугольник. Внутри кольцевого отражателя 3 расположен объектив €, в плоскости 7 изображения которого расположен приемник излучения. Система содержит также дополнительный объектив 8, оптическая ось В-В которого параллельна оси вращения А-А, и зеркало 9, установленное на оптической оси В-В дополнительного объектива 8. Последний расположен над ребром С смежных оптически сопряженных граней 4 и 5 так, что ось В-В отнесена от оси А-А на расстояние, равное радиусу окруж- 5 ности, вписанной в многоугольник, образованный ребрами С двугранных уголковых отражателей.

При вращении двигателя 1 вращается приводной вал 2, а вместе с ним кольцевой

0 многогранник 3. Поток излучения от объекта попадает на входную грань 4 многогранника 3, отражается от нее, поворачиваясь на угол, равный углу поворота грани, и дополнительным объективом 8 переносится на

5 зеркало 9. После отражения от зеркала 9 поток излучения вновь, пройдя через объектив 8, попадает на смежную внутреннюю грань 5 многогранника 3. Отразившись от грани 5 и претерпев еще один поворот на

0 угол, равный углу поворота грани, поток излучения фокусируется объективом приемника 6 в плоскость 7 изображения, в которой устанавливается приемник излучения

Благодаря тому, что в процессе скани5 рования участвуют смежные грани 4 и 5 кольцевого многогранника, диаметр дополнительного объектива существенно уменьшается при неизменном f, что приводит к значительному уменьшению сферической

0 аберрации и, следовательно, к повышению качества изображения.

Предлагаемая сканирующая система тепловизора может применяться как самостоятельно, так и с телескопической насад5 кой (не показана) для изменения углового разрешения системы.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения заключается в повышении качества получаемого изображе0 ния. Световой диаметр дополнительного объектива уменьшается более чем в 2 раза при одних и тех же параметрах сканирующего устройства: угле сканирования, угловом разрешении, фокусном расстоянии

5 дополнительного обьектива - (в известной системе диаметр дополнительного объектива равен 120 мм, а в данном решении он уменьшается до 60 мм). Величина сферичеD20 ской аберрации б S К уменьшается

более чем в 4 раза, обеспечивается высокое качество изображения по всему полю.Кроме того, за счет уменьшения диаметра дополнительного объектива снижается $ материалоемкость при изготовлении сканирующей системы. Масса дополнительного объектива, пропорциональная его объему, уменьшается примерно в 5-6 раз. Масса дополнительного объектива составляет 25%

от массы оптических деталей всей сканирующей системы. Таким образом, материалоемкость сканирующей системы снижается на 20-21%.

Формула изобретения 1. Оптическая сканирующая система, содержащая зеркальный многогранник, установленный с возможностью Ёращения относительно оси, приемник, перед которым установлен объектив, и дополнительный объектив, ось которого параллельна оси многогранника, а также плоское зеркало, установленное на оси дополнительного объ0

ектива и перпендикулярное к ней, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества изображения сканируемого поля, многогранник выполнен полым и кольцевым, имеющим в сечении, проходящем через ось дополнительного объектива, треугольник, обращенный вершиной к дополнительному объективу, при этом приемник и объектна, размещены внутри многогранника.

2. Система поп. 1. отличающая - с я тем, что ось дополнительного объектива проходит через вершину треугольника.

Изобретение может быть использовано в оптическом приборостроении для создания приборов, предназначенных для нераз- рушающего контроля промышленных изделий, объектов и энергетического оборудования. Зеркальный многогранник 3 выполнен полым и кольцевым, имеющим в сечении, проходящем через ось, треугольник, обращенный вершиной к дополнительному объективу 8. При этом объектив приемника расположен внутри зеркального многогранника, а ось дополнительного объектива проходит через вершину треугольника. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. Ё

Фи г. 2