RU2107935C1

RU2107935C1 - Optical system for zone scanning

Info

Publication number: RU2107935C1
Application number: RU96101456A
Authority: RU
Inventors: В.П. Митин; Ю.И. Белоусов; Л.М. Блюдников; Д.Ю. Жуковский; А.Н. Чиванов
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Оптические материалы, элементы и приборы"
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1996-01-22
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: development of compact infrared imaging aids to record images for scanning of objects in various spectral ranges. SUBSTANCE: optical system has mirror drum 1 in the form of two truncated polyhedrons 2 with different dihedral angles connected with smaller bases and receivers 3 and 4 sensitive to various spectral ranges of radiation. Two-component objectives, each composed of second components 5 and 6 and corresponding two first components 5-1, 5-2 and 6-1, 6-2 are incorporated in circuit in compliance with the number of receivers. Flat mirrors 7 directing radiation from drum 1 to switching gear 8 in the form of disc with mirrors 9 and slits 10 are installed behind each first component of objectives. Optical axes of pairs of first components of objectives are arranged in plane of axis 11 of rotation relative to entrance pupil 12 at angle of field of vision zone and in perpendicular plane - at an angle of scanning along line of frame. EFFECT: enhanced functional reliability. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптико-электронным приборам, и может быть использовано при разработке тепловизионных средств регистрации изображений. The invention relates to optical instrumentation, in particular to optical electronic devices, and can be used in the development of thermal imaging means for image registration.

Известен зеркальный многогранник развертывающей системы, выполненный в виде двух усеченных пирамид, соединенных меньшими основаниями, а ребра двугранных углов перпендикулярны к оси вращения барабана (авт. св. СССР N 815702, МПК G 02 B 27/17, опубл. 1981 г.). Known mirror polyhedron of the deployment system, made in the form of two truncated pyramids connected by smaller bases, and the edges of dihedral angles are perpendicular to the axis of rotation of the drum (ed. St. USSR N 815702, IPC G 02 B 27/17, publ. 1981).

Известна сканирующая система, содержащая последовательно установленные афокальную насадку, зеркальный барабан в виде двух усеченных конических многогранников и объектива приемника (заявка Великобритании N 1569879, МПК G 02 B 27/17 опубл. 1980 г.). A known scanning system containing sequentially installed afocal nozzle, a mirror drum in the form of two truncated conical polyhedra and a receiver lens (UK application N 1569879, IPC G 02 B 27/17 publ. 1980).

Известна оптическая сканирующая система с переключением полей обзора, содержащая двухпирамидальный барабан, оптическое переключающее устройство для детектирования двух полей сканирования, два входных телескопа и объектив приемника (заявка Великобритании N 2097145, МПК G 02 B 27/17, опубл. 1982 г. ). У этой сканирующей системы ограниченная пороговая температурная чувствительность из-за недостаточного коэффициента сканирования (не более 0,5). Known optical scanning system with switching field of view, containing a two-pyramidal drum, an optical switching device for detecting two scanning fields, two input telescopes and a receiver lens (UK application N 2097145, IPC G 02 B 27/17, publ. 1982). This scanning system has a limited threshold temperature sensitivity due to insufficient scanning coefficient (not more than 0.5).

Известны двухспектральные тепловизоры, воспроизводящие изображения, например, в спектре 3-5 мкм и в спектре 8-14 мкм. Эти тепловизоры имеют или две входные оптические системы с разными приемниками или одну входную оптическую систему, два приемника и селективный фильтр разделения спектров (Ж.Госсорг "Инфракрасная термография", М., Мир, 1989 г., с.378-379, рис г и д). Two-spectral thermal imagers are known that reproduce images, for example, in the spectrum of 3-5 microns and in the spectrum of 8-14 microns. These thermal imagers have either two input optical systems with different receivers or one input optical system, two receivers and a selective spectral separation filter (J. Gossorg "Infrared Thermography", M., Mir, 1989, pp. 378-379, fig. and e).

Наиболее близкой к заявленному техническому решению известна оптическая система с повышенным коэффициентом сканирования, содержащая зеркальный барабан в виде двух усеченных конических многогранников с разными двухгранными углами и объектив приемника, выполненный из двух компонентов, между которыми размещено переключающее устройство, причем первый компонент содержит два канала, оптические оси которых размещены в плоскости оси вращения барабана под углом поля зрения зоны, а в перпендикулярной плоскости - под углом поля зрения сканирования по строке (патент СССР N 1806403, МПК G 02 B 26/10, опубл. 1993 г., прототип). Closest to the claimed technical solution is known an optical system with an increased scanning coefficient, comprising a mirror drum in the form of two truncated conical polyhedra with different dihedral angles and a receiver lens made of two components, between which a switching device is placed, the first component containing two optical channels whose axes are located in the plane of the axis of rotation of the drum at an angle of the field of view of the zone, and in the perpendicular plane at an angle of the field of view of the scan on the line (USSR patent N 1806403, IPC G 02 B 26/10, publ. 1993, prototype).

Эта оптическая система предназначена для сканирования объекта в одном спектральном диапазоне. Но для получения более достоверных сведений об объекте наблюдения иногда желательно рассматривать объект в разных спектральных диапазонах (Мирошникова М. М. "Теоретические основы оптико-электронных приборов", Л.: Машиностроение, 1983 г., с.57). This optical system is designed to scan an object in one spectral range. But to obtain more reliable information about the observed object, it is sometimes desirable to consider the object in different spectral ranges (M. Miroshnikova, “Theoretical Foundations of Optoelectronic Devices”, L .: Mashinostroenie, 1983, p. 57).

Целью изобретения является получение компактной высокочувствительной тепловизионной системы для одновременного сканирования объектов в разных спектральных диапазонах. The aim of the invention is to obtain a compact highly sensitive thermal imaging system for simultaneous scanning of objects in different spectral ranges.

Указанная цель достигается тем, что в известной оптической системе зонного сканирования, содержащей зеркальный барабан в виде двух усеченных конических многогранников с разными двухгранными углами и первый канал, состоящий из первого объектива, выполненного из двух компонентов, между которыми установлено два первых зеркала и переключающее устройство, и первый приемник излучения, при этом первый компонент первого объектива содержит пару элементов, за каждым из которых установлено первое зеркало с обеспечением отражения излучения на переключающее устройство, причем оптические оси пары элементов размещены в плоскости, проходящей через ось вращения барабана и входной зрачок объектива под углом поля зрения зоны кадра, а в перпендикулярной плоскости - под углом поля зрения сканирования по строке. This goal is achieved by the fact that in the known optical system of zone scanning containing a mirror drum in the form of two truncated conical polyhedra with different dihedral angles and a first channel, consisting of a first lens made of two components, between which two first mirrors and a switching device are installed, and a first radiation receiver, wherein the first component of the first lens contains a pair of elements, each of which has a first mirror with reflection of radiation at n reklyuchayuschee device, wherein the optical axes of a pair of elements arranged in a plane passing through the axis of rotation of the drum and the entrance pupil of the lens at the angle of sight of the image zone and in the perpendicular plane - at an angle field of view scanning line.

Такое техническое решение является новым, не известным в практике тепловизионных систем. Существенность отличительных признаков заключается в том, что, несмотря на известность отдельных узлов устройства, рассмотренных выше, при их введении в указанной связи тепловизионная система проявляет новые свойства, что ведет к повышению достоверности сведений об объекте наблюдения за счет получения изображений в разных спектральных участках. Изобретение является промышленно применимым из-за простоты технического решения и известности технологических процессов изготовления отдельных узлов системы. Это решение предполагает использование комплектующих деталей и современных материалов, серийно освоенных отечественной промышленностью. Such a technical solution is new, not known in the practice of thermal imaging systems. The significance of the distinguishing features lies in the fact that, despite the popularity of the individual components of the device discussed above, when introduced in this connection, the thermal imaging system exhibits new properties, which leads to an increase in the reliability of information about the object of observation due to the acquisition of images in different spectral regions. The invention is industrially applicable because of the simplicity of the technical solution and the popularity of technological processes for the manufacture of individual components of the system. This solution involves the use of components and modern materials, serially mastered by the domestic industry.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема двухспектральной оптической системы зонного сканирования: на фиг. 2 - фрагмент оптической схемы. In FIG. 1 is a schematic diagram of a two-spectrum optical system for zone scanning: in FIG. 2 - a fragment of the optical scheme.

Оптическая система содержит зеркальный барабан 1 в виде соединенных меньшими основаниями двух усеченных многогранников 2 с разными двухгранными углами и приемники 3 и 4, чувствительные к разным спектральным диапазонам излучения. По числу приемников в схему включены двухкомпанентные объективы, каждый из которых выполнен из вторых компонентов 5 и 6 и соответствующих двух первых компонентов 5-1, 5-2 и 6-1, 6-2. За каждым первым компонентом объективов установлены плоские зеркала 7, направляющие излучения от барабана 1 на переключающее устройство 8 в виде зеркального диска с зеркалами 9 и прорезями 10. Привод вращения переключающего устройства 8 жестко связан с приводом вращения барабана 1. При этом оптические оси пар первых компонентов объективов размещены в плоскости оси 11 вращения барабана 1 относительно входного зрачка 12 под углом 2β_з - углом поля зрения зоны (фиг. 2), а в перпендикулярной плоскости относительно того же входного зрачка объектива под углом 2β_c - углом сканирования по строке кадра (фиг. 1). Зеркальный барабан 1 выполнен так, что все его грани нижнего многогранника 2, сопряженного собъективом, установлены под углом 45^o к оси 11 вращения барабана 1, а верхние грани многогранника 2 установлены к оси 11 вращения барабана под разными углами, каждый из которых соответствует номеру сканируемой зоны в пространстве объектов.The optical system contains a mirror drum 1 in the form of two truncated polyhedra 2 connected with smaller bases with different dihedral angles and receivers 3 and 4, sensitive to different spectral ranges of radiation. By the number of receivers, two-component lenses are included in the circuit, each of which is made of the second components 5 and 6 and the corresponding two first components 5-1, 5-2 and 6-1, 6-2. Behind each first component of the lenses, flat mirrors 7 are installed, directing radiation from the drum 1 to the switching device 8 in the form of a mirror disk with mirrors 9 and slots 10. The rotation drive of the switching device 8 is rigidly connected to the rotation drive of the drum 1. In this case, the optical axes of the pairs of the first components the lenses are placed in the plane of the axis of rotation 11 of the drum 1 relative to the entrance pupil 12 at an angle of 2β _s - the angle of the field of view of the zone (Fig. 2), and in the perpendicular plane relative to the same entrance pupil of the lens d angle 2β _c - the scan angle along the line of the frame (Fig. 1). The mirror drum 1 is made so that all its faces of the lower polyhedron 2, conjugated by the lens, are set at an angle of 45 ^o to the axis 11 of rotation of the drum 1, and the upper faces of the polyhedron 2 are set to the axis 11 of rotation of the drum at different angles, each of which corresponds to the number of the scanned zones in the space of objects.

Оптическая система зонного сканирования работает следующим образом. The optical zone scanning system operates as follows.

При вращении барабана 1 оптическая система в каждом оптическом диапазоне позонно просматривает местность (объект) за счет разных углов наклона граней верхнего многогранника 2 к оси 11 вращения барабана 1 и соответствующего линейчатого приемника 3 и 4. Кроме того, смена зон осуществляется дополнительно и за счет смены каналов 5-1 и 5-2, а также каналов 6-1 и 6-2 при отражении лучей от одной пары граней (двухгранного угла, образованного одной гранью верхнего многогранника 2 с одной гранью нижнего многогранника 2). В результате такого размещения оптических элементов приемники 3 и 4 работают практически постоянно, поочередно воспринимая сигналы от всех зон сканирования. В результате за один оборот барабана 1 одновременно получают изображения двух кадров в разных спектральных участках (при установке в системе большого количества приемников получают и большое количество кадров). Причем каждый кадр может быть получен с коэффициентом сканирования близким к единице. Кроме того, эта схема позволяет при установке нескольких одинаковых приемников сложить сигналы каждого из них и получить более контрастное изображение, т.е. повысить чувствительность системы и, как следствие, увеличить дальность действия. When the drum 1 rotates, the optical system in each optical range zooms through the terrain (object) due to different angles of inclination of the faces of the upper polyhedron 2 to the axis of rotation of the drum 1 1 and the corresponding line receiver 3 and 4. In addition, the zones are changed additionally by changing channels 5-1 and 5-2, as well as channels 6-1 and 6-2 when reflecting rays from one pair of faces (a dihedral angle formed by one face of the upper polyhedron 2 with one face of the lower polyhedron 2). As a result of this arrangement of the optical elements, the receivers 3 and 4 operate almost constantly, alternately receiving signals from all scanning zones. As a result, for one revolution of drum 1, images of two frames in different spectral regions are simultaneously obtained (when a large number of receivers are installed in the system, a large number of frames are also obtained). Moreover, each frame can be obtained with a scanning coefficient close to unity. In addition, this scheme allows, when installing several identical receivers, to add the signals of each of them and get a more contrast image, i.e. increase the sensitivity of the system and, as a result, increase the range of action.

В системе могут быть установлены приемники разной топологии (с разным числом или величинами чувствительных элементов в линейке), что позволит одновременно получать кадры с разной разрешаемой способностью (кадр обзорного характера и кадр с более мелкими деталями объектов). Receivers of different topologies can be installed in the system (with different numbers or sizes of sensitive elements in the line), which will allow simultaneously to receive frames with different resolving powers (a survey frame and a frame with smaller details of objects).

Claims

1. An optical zone scanning system comprising a mirror drum in the form of two truncated conical polyhedra with different dihedral angles and a first channel consisting of a first lens made of two components, between which two first mirrors and a switching device and a first radiation receiver are installed, while the first component of the first lens contains a pair of elements, behind each of which there is a first mirror with the reflection of radiation on the switching device, moreover, the optical axis pairs of elements are placed in a plane passing through the axis of rotation of the drum and the entrance pupil of the lens at an angle of the field of view of the frame zone, and in a perpendicular plane at an angle of the field of view of scanning along a line, characterized in that it is equipped with additional channels, each of which consists of i -th lens, where i ≥ 2, made of two components, between which there are two ith mirrors and a switching device, and the ith radiation receiver, while the first component of the ith lens contains a pair of elements, each of which x the i-th mirror is installed to ensure reflection of radiation to the switching device, while the optical axes of the pair of elements of the first component of the i-th lens are located in a plane passing through the axis of rotation of the drum and its input pupil of the lens at an angle of the field of view of the frame zone, and in the perpendicular plane - at the angle of the field of view of scanning along the line.

2. The optical zone scanning system according to claim 1, characterized in that the same receivers are installed in it.

3. The optical system of zone scanning according to claim 1, characterized in that it contains receivers sensitive to different parts of the spectrum.

4. The optical system of zone scanning according to claim 1 or 3, characterized in that it has receivers of different topologies.