Оптическая сканирующая система тепловизора

 

Использование: изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к сканирующим устройствам и может быть использовано в тепловизорах. Сущность изобретения: оптическая сканирующая система тепловизора содержит телескопическую систему, плоское сканирующее зеркало, первое сферическое зеркало, первый зеркальный многогранный сканирующий барабан с внешним отражением, объектив, фотоприемник и имитатор абсолютно черного тела, второе сферическое зеркало, центр кривизны которого совпадает с центром кривизны первого сферического зеркала, образуя вторую телескопическую систему, второй зеркальный барабан с внутренним отражением с числом граней отличным от первого, установленный на одной с ним оси с возможностью вращения вокруг нее в ту же сторону. Входной зрачок телескопической системы лежит в плоскости, проходящей через центр кривизны сферических зеркал, образующих вторую телескопическую систему, и точку пересечения визирных осей объектива, в фокальной плоскости которого расположены чувствительные площадки фотоприемника, и сканирующих барабанов. 4 ил.

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности, к сканирующим устройствам и может быть использовано, например, в тепловизорах. Известна сканирующая система тепловизора /1/ с двумя отражающими многогранными барабанами, вращающимися вокруг осей, разнесенных на определенное расстояние. Примеры реализации упомянутого устройства и условия его функционирования, защищенные патентом, справедливы для сканирования излучения сходящихся пучков. Известна также сканирующая система, выполненная в виде двух многогранных зеркальных пирамид с разным количеством граней, установленных на одной оси с возможностью вращения вокруг нее с различными скоростями /2/.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является оптическая сканирующая система тепловизионной камеры IR 18 /3/ фирмы Barr and Stroud (Шотландия), содержащая последовательно расположенные по ходу излучения телескопическую систему, плоское зеркало развертки по кадру, сферическое зеркало, зеркальный многогранный сканирующий барабан с внешним отражением, ось вращения которого находится вблизи центра кривизны сферического зеркала, объектив, фотоприемник, а также имитатор абсолютно черного тела. В этом устройстве расфокусировка изображения, возникающего при вращении зеркальной призмы, и низкий коэффициент ее использования снижает пороговую чувствительность и качество изображения. Изобретение свободно от этих недостатков. Это достигается за счет того, что в оптическую сканирующую систему, плоское сканирующее зеркало, первое сферическое зеркало, первый зеркальный многогранный сканирующий барабан с внешним отражением, объектив, фотоприемник и имитатор абсолютно черного тела введены дополнительно второе сферическое зеркало, центр кривизны которого совпадает с центром кривизны первого сферического зеркала, образуя вторую телескопическую систему, а радиус кривизны определяется соотношением где R₁ и R₂ радиусы кривизны первого и второго сферических зеркал, и второй зеркальный сканирующий барабан с внутренним отражением с числом граней, отличным от первого, установленный на одной с ним оси с возможностью вращения вокруг нее в ту же сторону, выходной зрачок телескопической системы лежит в плоскости, проходящей через центр кривизны сферических зеркал и точку пересечения визирных осей объектива, в фокальной плоскости которого расположены чувствительные площадки фотоприемника, и сканирующих барабанов.

На фиг. 1 изображена реализация оптической системы тепловизора с выполнением зеркальных сканирующих барабанов в виде призм; на фиг. 2 вид B; на фиг. 3 сечение A-A; на фиг. 4 реализация оптической системы тепловизора с выполнением зеркальных сканирующих барабанов в виде пирамид.

Оптическая сканирующая система тепловизора содержит телескопическую систему 1 в виде объектива 2 и окуляра 3, плоское сканирующее зеркало 4 развертки по кадру, первое 5 и второе 6, образующие вторую телескопическую систему, сферические зеркала, центры кривизны которых совпадают, а радиус кривизны зеркала 5 в два раза больше радиуса кривизны зеркала 6, зеркальные многогранные сканирующие барабаны 7 (с внутренним отражением) и 8 (с наружным отражением) с различным количеством граней, оси вращения которых совпадают, объектив 9, оптическая ось которого составляет угол Θ с осью вращения барабанов 7 и 8, фотоприемник 10, чувствительные площадки которого установлены в фокальной плоскости объектива 9, имитаторы излучения абсолютно черного тела 11, 12, установленные так, что их излучающие площадки расположены на поверхности, совпадающей с поверхностью сферического зеркала 6, но по его краям в направлении траектории сканирования по строке.

Устройство работает следующим образом. Излучение от объектива поступает в телескопическую систему, образованную объективом 2 и окуляром 3 и в виде параллельного пучка попадает на плоское сканирующее зеркало 4 развертки по кадру. Зеркало 4 периодически поворачивается вокруг оси 0, перпендикулярной плоскости чертежа (см. фиг. 1).

Сферическое зеркало 5 фокусирует излучение от объектов на зеркальной поверхности сферического зеркала 6 (см. фиг. 1.3), после отражения от зеркала 6 излучение вновь попадает на зеркало 5 и в виде параллельного пучка попадает на зеркальные грани первого сканирующего барабана 7 с внутренним отражением, а затем на зеркальные грани второго сканирующего барабана 8 с наружным отражением, после чего фокусируется объективом 9 на чувствительных площадках фотоприемника 10. Сканирование по строкам осуществляется за счет вращения многогранных зеркальных барабанов 7 и 8 в одну сторону с угловыми скоростями w₁ и ω₂, обратно пропорциональными числу граней каждого из них n₁ и n₂, так что выполняется условие n₁ω₁= n₂ω₂. При этом на чувствительные площадки фотоприемника 10 попадает излучение от различных участков объекта в зависимости от взаимного положения зеркальных граней барабанов 7 и 8. Выходной зрачок телескопической системы совпадает с центром кривизны О₂ сферических зеркал 5 и 6 и оптически сопряжен с точкой О₂, в которой пересекаются оси параллельных пучков, отражающихся от сферического зеркала 5, попадающих на зеркальную грань первого 7 и второго 8 барабанов и фокусирующихся объективом 9 на чувствительных площадках фотоприемника 10.

В каждом цикле сканирования по строкам в начале и конце крайних участков поля обзора на чувствительные площадки фотоприемника 10 попадает излучение от имитаторов излучения абсолютно черного тела 11, 12, сигналы от имитаторов используются для компарирования с сигналами от объектов при измерении распределения по их поверхности радиационной температуры.

Многогранные сканирующие барабаны 7 и 8 могут быть выполнены в виде призм, плоскости зеркал которых параллельны или наклонены к оси вращения (или усеченных пирамид). Барабаны в виде усеченных пирамид однонаправленно расположены по ходу луча.

При использовании барабанов в виде призм, у которых плоскости зеркал 7 и 8 параллельны оси вращения O-O', угол отклонения главного луча в плоскости XOZ определяется соотношением где ϕ₁ и ϕ₂ углы поворота первого и второго барабанов, Θ угол между оптической осью объектива 9 и осью OO' вращения барабанов.

Угол отклонения луча, определяющий искривление траектории сканирования, равен β = arcsin[sin²(ϕ₁-ϕ₂)sin2Θ] При использовании барабанов в виде многогранных призм, грани которых наклонены к оси вращения, угол Ψ₁= Ψ₂= 45°, те же углы α и β определяются как
Как показал анализ, можно для заданных n₁ и n₂ подобрать такое сочетание углов Ψ₁ и Ψ₂ при вершинах пирамидальных барабанов, когда искривление траектории практически отсутствует, например, этот эффект достигается для n₁=5 и n₂=7 при Ψ₁= 43° и Ψ₂= 47°..

Реализация предлагаемого устройства не требует разработки новых технологий, материалов и элементной базы и поэтому может быть изготовлено на предприятиях оптикомеханической промышленности.

Формула изобретения

Оптическая сканирующая система тепловизора, содержащая телескопическую систему, плоское сканирующее зеркало, сферическое зеркало, зеркальный многогранный сканирующий барабан с внешним отражением, объектив, фотоприемник и имитатор абсолютно черного тела, отличающаяся тем, что в систему введены второе сферическое зеркало, центр кривизны которого совпадает с центром кривизны первого сферического зеркала, образуя вторую телескопическую систему, радиус кривизны определяется соотношением
R₁ / R₂ 1/2,
где R₁ и R₂ радиусы кривизны второго и первого сферических зеркал,
и второй зеркальный барабан с внутренним отражением с числом граней, отличным от первого, установленный на одной с ним оси с возможностью вращения вокруг нее в ту же сторону, выходной зрачок телескопической системы лежит в плоскости, проходящей через центр кривизны сферических зеркал, образующих вторую телескопическую систему, и точку пересечения оптических осей объектива, в фокальной плоскости которого расположены чувствительные площадки фотоприемника, и оси пучка на входе сканирующего барабана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4