Сканирующая система
Владельцы патента RU 2273037:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (ФГУП "НПО "ГИПО") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство обороны РФ (RU)
Сканирующая система может быть использована для визуализации изображения объектов по их собственному тепловому излучению. Система содержит входной объектив, цилиндрическое зеркало, расположенное в фокусе входного объектива наклонно к его оптической оси, сканирующее зеркало, установленное с возможностью вращения относительно оси, параллельной образующей цилиндрического зеркала, проекционный объектив, микросканер, фотоприемное устройство. Выход фотоприемного устройства соединен с входом электронного блока обработки сигналов и отображения видеоинформации. Цилиндрическое зеркало установлено так, что его образующая составляет угол 90° с оптической осью входного объектива в точке их пересечения. Обеспечивается повышение качества формируемого изображения и расширение количества возможных конструктивно-компоновочных решений при проектировании. 7 ил.
Заявляемая сканирующая система относится к области техники оптико-электронного приборостроения и может быть использована для визуализации изображения объектов по их собственному тепловому излучению.
Известно устройство оптико-механической развертки (см. патент Франции №585204, кл. Н 04 N 3/08, G 02 В 26/10, опубл. 23.01.87 г.), содержащее последовательно расположенные по ходу лучей входной объектив, плоское кадровое сканирующее зеркало, вогнутое зеркало, расположенное в области фокуса входного объектива, многогранный вращающийся зеркальный барабан, проекционный объектив, многоэлементный линейчатый фотоприемник, выход которого соединен с электронной системой обработки сигналов.
Недостатком этого устройства является наличие кривизны строки при сканировании, а также то, что световые апертуры проекционного объектива и фотоприемника должны быть больше, чем реально используемая апертура при построении изображения отдельной точки в процессе сканирования. Увеличение апертуры приводит к возрастанию паразитной фоновой засветки на чувствительных элементах линейчатого фотоприемника и, как следствие, к ухудшению чувствительности.
Кроме того, в данном устройстве затруднено использование многоэлементного линейчатого фотоприемника с увеличенными геометрической длиной и числом фотоприемных каналов (до нескольких сотен) с целью уменьшения шумовой полосы пропускания электронного тракта и формирования кадра (полукадра) за один цикл сканирования. Это приводит к необходимости формирования кадра с последовательным построением ряда примыкающих зон, содержащих несколько десятков строк.
Наиболее близкой к заявляемой сканирующей системе по технической сущности и достигаемому эффекту является сканирующая система (см. патент Великобритании №1530791, G 02 В 26/10, опубл. 01.11.78 г.), содержащая последовательно расположенные входной объектив, наклоненное к оптической оси цилиндрическое зеркало, сканирующее зеркало, вращающееся относительно оси, параллельной образующей цилиндрического зеркала, линзовый проекционный объектив, микросканер, фотоприемное устройство, выход которого соединен с входом электронной системы обработки сигналов и отображения видеоинформации. При этом угол между оптической осью входного объектива и образующей цилиндрического зеркала отличен от 90° в точке их пересечения.
В этом устройстве обеспечивается возможность использования сравнительно длинного многоэлементного фотоприемного устройства линейчатого типа, которое за счет своей длины и числа фотодетекторов обеспечивает перекрытие всего поля зрения в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, например, по кадру. Построение изображения осуществляется за счет комбинации оптико-механического сканирования по строке и электронного сканирования по кадру за один цикл работы сканирующего зеркала.
Основной недостаток известного устройства проявляется при использовании субматричных фотоприемных устройств (СМФПУ), работающих в режиме временной задержки и накопления (ВЗН).
На фиг.1 приведена типичная топология фотодетекторов в СМФПУ.
Конструктивно СМФПУ представляет собой ряд сдвинутых в направлении сканирования параллельных друг другу линеек фотодетекторов, сигналы с которых суммируются друг с другом с определенными задержками. Это позволяет улучшить отношение сигнал/шум в N1/2 раз, где N - число линеек, формирующих сигнал строки. В современных тепловизионных сканирующих системах второго поколения (по международной классификации) используются СМФПУ с 4-8 параллельно расположенными линейками фотодетекторов, формирующих сигнал строки.
Недостаток заключается в невозможности точного обеспечения режима ВЗН для всех строк изображения. Сигналы четных и нечетных строк формируются группами, состоящими, в данном случае, из четырех фотодетекторов с использованием режима ВЗН, предусматривающего синфазное сложение за счет задержек четырех сигналов.
Из-за наклонного падения на цилиндрическое зеркало лучей в обратном ходе изображение регулярной топологии СМФПУ в фокальной плоскости входного объектива геометрически искажается в виде трапеции.
На фиг.2 приведено изображение топологии СМФПУ в обратном ходе лучей, приведенное к фокальной плоскости входного объектива в известном устройстве.
В результате изображение в фокальной плоскости входного объектива сканируется геометрически искаженной фоточувствительной топологией СМФПУ. Время задержки сигналов между фотодетекторами во всех строках одинаково, так как управление СМФПУ происходит от одного тактового генератора. При этих условиях из-за вариации пространственного периода Т между изображениями строчных фотодетекторов строгое выполнение режима ВЗН (синфазное сложение сигналов) возможно только для одной строки, например центральной. В крайних же строках значение периода Т будет изменяться в пределах от Т-ΔТ до Т+ΔТ. В результате к краям кадра будет происходить ухудшение температурной чувствительности и разрешающей способности из-за нарушения синфазности, а следовательно, и качества изображения.
Кроме этого недостатка в известном устройстве на взаимное расположение входного и проекционного объектива наложено ограничение. Оптические оси входного и проекционного объективов должны быть параллельны друг другу и принадлежать вместе с осью вращения сканирующего зеркала одной плоскости. Несоблюдение этих условий приведет к появлению кривизны строки при сканировании. Данное ограничение, как и любое ограничение, сужает количество возможных конструктивно-компоновочных решений при проектировании.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является строгое обеспечение режима ВЗН по всему кадру и, как следствие, повышение качества формируемого изображения, а также расширение количества возможных конструктивно-компоновочных решений при проектировании.
Это достигается тем, что в сканирующей системе, содержащей входной объектив, цилиндрическое зеркало, расположенное в фокусе входного объектива наклонно к его оптической оси, сканирующее зеркало, установленное с возможностью вращения относительно оси, параллельной образующей цилиндрического зеркала, проекционный объектив, микросканер, фотоприемное устройство, выход которого соединен с входом электронного блока обработки сигналов и отображения видеоинформации, цилиндрическое зеркало установлено так, что его образующая составляет угол 90° с оптической осью входного объектива в точке их пересечения.
На фиг.3, 4 приведена оптическая схема предлагаемой сканирующей системы в двух вариантах компоновки.
На фиг.5 приведены цилиндрическое и сканирующее зеркала предлагаемого устройства.
На фиг.6 показан вид формируемого кадра в предлагаемом устройстве.
На фиг.7 показано изображение топологии СМФПУ в обратном ходе лучей, приведенное к фокальной плоскости входного объектива, для крайних и центрального положения в пределах строки в предлагаемом устройстве.
Сканирующая система содержит последовательно расположенные входной объектив 1, цилиндрическое зеркало 2, расположенное в фокусе входного объектива 1 наклонно к его оптической оси, при этом образующая цилиндрического зеркала 2 составляет угол 90° с оптической осью входного объектива 1 в точке их пересечения, плоское сканирующее зеркало 3, установленное с возможностью вращения относительно оси, параллельной образующей цилиндрического зеркала 2, проекционный объектив 4, микросканер 5, субматричное фотоприемное устройство (СМФПУ) 6, работающее в режиме ВЗН, выход которого соединен с входом электронного блока обработки сигналов и отображения видеоинформации 7, линейка фоточувствительных элементов СМФПУ 6 перпендикулярна плоскости чертежа.
Сканирующая система работает следующим образом. Входной объектив 1 строит промежуточное изображение пространства предметов в плоскости YOZ системы координат, связанной с цилиндрическим зеркалом 2. Цилиндрическое зеркало 2 отражает под углом пучок лучей, трансформируя плоскую поверхность изображения в цилиндрическую поверхность с осью, совпадающей с осью вращения сканирующего зеркала 3. При этом промежуточное цилиндрическое поле изображения оптически сопрягается с траекторией движения изображения СМФПУ 6 в обратном ходе лучей при движении сканирующего зеркала 3. Далее промежуточное изображение с помощью сканирующего зеркала 3, проекционного объектива 4, микросканера 5 проецируется на СМФПУ 6. Микросканер 5 позволяет переместить изображение относительно СМФПУ 6 в кадровом направлении на половину ширины строки. При этом обеспечивается чересстрочный принцип сканирования для улучшения пространственного разрешения по кадру. Результирующий кадр при этом формируется из двух последовательных полукадров по аналогии с телевизионными системами. Формирование выходного изображения производится в электронном блоке обработки сигналов и отображения видеоинформации 7.
Как показано на фиг.5, изображение СМФПУ 6 в обратном ходе лучей при движении сканирующего зеркала 3 расположено на цилиндрической поверхности АБ. Ось цилиндрической поверхности совпадает с осью вращения сканирующего зеркала 3. Сегмент цилиндрической поверхности АБ с помощью цилиндрического зеркала 2, имеющего приблизительно в два раза больший радиус кривизны, оптически трансформируется в фокальной плоскости входного объектива в плоскую поверхность кадра ВГ, расположенную в плоскости координат YOZ. Вид кадра в фокальной плоскости входного объектива приведен на фиг.6. При этом строки ориентированы в направлении оси OY. Таким образом, обеспечивается оптическое сопряжение входного объектива 1 с проекционно-сканирующей частью, состоящей из элементов 2, 3, 4, 5, 6.
Изображение топологии СМФПУ 6 в обратном ходе лучей в плоскости кадра в крайних и центральном положениях приведено на фиг.7. В предлагаемом устройстве из-за наклонного падения лучей на цилиндрическое зеркало 2 также будет возникать геометрическое искажение изображения топологии СМФПУ 6 в обратном ходе лучей. Однако из-за того, что в заявляемом устройстве цилиндрическое зеркало 2 установлено таким образом, что его образующая составляет угол 90° с осью входного объектива, изменение пространственного периода Т между изображениями фотодетекторов для различных положений в строке кадра одинаково для всех строчных групп фотодетекторов в линейке СМФПУ 6 в отличие от прототипа (фиг.2). Это дает возможность за счет соответствующего подбора закона движения сканирующего зеркала 3 обеспечить постоянство времени задержки для всех групп строчных фотодетекторов в пределах длительности строки и обеспечить строгое выполнение требований режима ВЗН для всего кадра, что улучшает температурную чувствительность и разрешающую способность предлагаемого устройства.
В предлагаемой сканирующей системе также отсутствует ограничение на взаимное угловое положение оптических осей входного и проекционного объективов. На фиг.4. приведена другая возможная компоновка сканирующей системы, что обеспечивает многовариантность конструктивных решений.
Таким образом, изменение взаимного расположения элементов предлагаемой сканирующей системы позволяет улучшить качество изображения при использовании СМФПУ и увеличить конструктивно-компоновочные возможности при проектировании.
Сканирующая система, содержащая входной объектив, цилиндрическое зеркало, расположенное в фокусе входного объектива наклонно к его оптической оси, сканирующее зеркало, установленное с возможностью вращения относительно оси, параллельной образующей цилиндрического зеркала, проекционный объектив, микросканер, фотоприемное устройство, выход которого соединен с входом электронного блока обработки сигналов и отображения видеоинформации, отличающаяся тем, что цилиндрическое зеркало установлено так, что его образующая составляет угол 90° с оптической осью входного объектива в точке их пересечения.
