RU2079157C1 - Optical scanning system cf infra-red image - Google Patents

Abstract

FIELD: optico-mechanical engineering. SUBSTANCE: optical scanning system of infra-red imager has telescopic system, flat scanning mirror, first spherical mirror, first mirror polyhedral scanning drum with external reflection, objective, photodetector, simulator of perfectly black body, second spherical mirror which curvature center matches curvature center of first spherical mirror forming second telescopic system, second mirror drum with internal reflection which number of faces is different from that of first drum put on same axle as first one for rotation about it in same direction. Entrance pupil of telescopic system lies in plane passing through curvature centers of spherical mirrors forming second telescopic system and point of crossing of sight axes of objective in which focal plane sensitive lands of photodetector and scanning drums are located. EFFECT: enhanced operational reliability. 4 dwg

Description

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/. The invention relates to optical-mechanical instrumentation, in particular, to scanning devices and can be used, for example, in thermal imagers. Known scanning system of the thermal imager / 1 / with two reflective polyhedral drums rotating around axes spaced a certain distance. Examples of the implementation of the aforementioned device and the conditions for its operation, protected by a patent, are valid for scanning radiation from converging beams. Also known is a scanning system made in the form of two polyhedral mirror pyramids with a different number of faces mounted on the same axis with the possibility of rotation around it with different speeds / 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.Closest to the technical nature of the invention is an optical scanning system of an IR 18/3 / thermal imaging camera from Barr and Stroud (Scotland), containing a telescopic system sequentially located along the radiation, a flat scanning mirror frame, a spherical mirror, a multi-faceted scanning drum with an external reflection, the axis of rotation of which is located near the center of curvature of a spherical mirror, a lens, a photodetector, and also a black body simulator. In this device, the defocusing of the image that occurs when the mirror prism rotates and its low coefficient of use reduces the threshold sensitivity and image quality. The invention is free from these disadvantages. This is achieved due to the fact that an additional second spherical mirror is introduced into the optical scanning system, a flat scanning mirror, a first spherical mirror, a first mirror multi-faceted scanning drum with an external reflection, a lens, a photodetector and a black body simulator, the center of curvature of which coincides with the center of curvature the first spherical mirror, forming a second telescopic system, and the radius of curvature is determined by the ratio

where R ₁ and R _{2 are the} radii of curvature of the first and second spherical mirrors, and the second mirror scanning drum with an internal reflection with a different face number, mounted on the same axis with the possibility of rotation around it in the same direction, the exit pupil of the telescopic system lies in the plane passing through the center of curvature of the spherical mirrors and the intersection point of the target axes of the lens, in the focal plane of which are the sensitive areas of the photodetector, and the scanning drums.

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. In FIG. 1 shows the implementation of the optical system of a thermal imager with the implementation of mirror scanning drums in the form of prisms; in FIG. 2 view B; in FIG. 3 section A-A; in FIG. 4 implementation of an optical system of a thermal imager with the implementation of mirror scanning drums in the form of pyramids.

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. The optical scanning system of the thermal imager contains a telescopic system 1 in the form of a lens 2 and an eyepiece 3, a flat scanning mirror 4 sweeps per frame, the first 5 and second 6 forming the second telescopic system, spherical mirrors whose centers of curvature coincide, and the radius of curvature of the mirror 5 is two times the radius of curvature of the mirror 6, mirrored multifaceted scanning drums 7 (with internal reflection) and 8 (with external reflection) with a different number of faces whose rotation axes coincide, lens 9, optical axis The angle θ with the axis of rotation of the reels 7 and 8, the photodetector 10, the sensitive areas of which are installed in the focal plane of the lens 9, the emitters of the absolutely black body 11, 12, mounted so that their emitting areas are located on the surface coinciding with the surface of the spherical mirror 6, but along its edges in the direction of the scanning path along the line.

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). The device operates as follows. The radiation from the lens enters the telescopic system formed by the lens 2 and the eyepiece 3 and in the form of a parallel beam hits the flat scanning mirror 4 scan frame. Mirror 4 periodically rotates around axis 0, perpendicular to the plane of the drawing (see Fig. 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.The spherical mirror 5 focuses the radiation from objects on the mirror surface of the spherical mirror 6 (see Fig. 1.3), after reflection from the mirror 6, the radiation again hits the mirror 5 and in the form of a parallel beam hits the mirror faces of the first scanning drum 7 with internal reflection, and then on the mirror faces of the second scanning drum 8 with external reflection, after which the lens 9 focuses on the sensitive areas of the photodetector 10. Scanning along the lines is carried out due to the rotation of the polyhedral mirrors the reels 7 and 8 in the same direction with angular velocities ω ₁ and w ₂ are inversely proportional to the number of faces of each n ₁ and n _2, so that the condition of n ₁ = n ₁ ω ₂ ω _2. In this case, radiation from different parts of the object is incident on the sensitive areas of the photodetector 10, depending on the relative position of the mirror faces of the drums 7 and 8. The exit pupil of the telescopic system coincides with the center of curvature О _{2 of the} spherical mirrors 5 and 6 and is optically conjugated to the point О ₂ , at which the axes of parallel beams intersect, reflected from the spherical mirror 5, incident on the mirror face of the first 7 and second 8 drums and focused by the lens 9 on the sensitive areas of the photodetector 10 intersect.

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. In each scan cycle, lines at the beginning and end of the extreme parts of the field of view, the sensitive areas of the photodetector 10 receive radiation from absolutely black body radiation simulators 11, 12, and signals from simulators are used to compare with signals from objects when measuring the distribution of radiation temperature over their surface.

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. The multifaceted scanning drums 7 and 8 can be made in the form of prisms whose mirror planes are parallel or inclined to the axis of rotation (or truncated pyramids). Drums in the form of truncated pyramids are unidirectionally located along the beam.

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.When using drums in the form of prisms, in which the plane of the mirrors 7 and 8 are parallel to the axis of rotation O-O ', the deflection angle of the main beam in the XOZ plane is determined by the ratio

where Φ ₁ and Φ _{2 are the} angles of rotation of the first and second reels,
θ is the angle between the optical axis of the lens 9 and the drum rotation axis OO '.

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^°..The beam deflection angle, which determines the curvature of the scanning path, is
β = arcsin [sin ² (Φ ₁ -Φ ₂ ) sin2θ]
When using drums in the form of polyhedral prisms, whose faces are inclined to the axis of rotation, the angle ψ ₁ = ψ ₂ = 45 ^° , the same angles α and β are defined as

As the analysis showed, for given n ₁ and n ₂ it is possible to choose such a combination of angles ψ ₁ and ψ ₂ at the vertices of the pyramidal drums when the curvature of the trajectory is practically absent, for example, this effect is achieved for n ₁ = 5 and n ₂ = 7 for ψ ₁ = 43 ^° and ψ ₂ = 47 ^° ..

Реализация предлагаемого устройства не требует разработки новых технологий, материалов и элементной базы и поэтому может быть изготовлено на предприятиях оптикомеханической промышленности. The implementation of the proposed device does not require the development of new technologies, materials and components and therefore can be manufactured at the enterprises of the optomechanical industry.

Claims (1)

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.An optical scanning thermal imaging system containing a telescopic system, a flat scanning mirror, a spherical mirror, a mirror multifaceted scanning drum with external reflection, a lens, a photodetector, and an absolutely black body simulator, characterized in that a second spherical mirror is introduced into the system, the center of curvature of which coincides with the center the curvature of the first spherical mirror, forming a second telescopic system, the radius of curvature is determined by the ratio
R ₁ / R ₂ 1/2,
where R ₁ and R _{2 the} radii of curvature of the second and first spherical mirrors,
and a second mirror drum with internal reflection with a number of faces different from the first, mounted on the same axis with the possibility of rotation around it in the same direction, the exit pupil of the telescopic system lies in a plane passing through the center of curvature of the spherical mirrors forming the second telescopic system , and the point of intersection of the optical axes of the lens, in the focal plane of which the sensitive areas of the photodetector are located, and the axis of the beam at the input of the scanning drum.

Images