SU1739347A1

SU1739347A1 - Optical scanning system

Info

Publication number: SU1739347A1
Application number: SU4869748A
Authority: SU
Inventors: Лев Михайлович Блюдников; Владимир Павлович Митин; Борис Серафимович Товбин; Александр Михайлович Широбоков
Original assignee: Л.М. Блюдников, В.П. Митюн, Б.С. Товбин и А.М, Широбоков
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-06-07

Abstract

Изобретение может быть использовано в оптическом приборостроении дл создани приборов, предназначенных дл нераз- рушающего контрол промышленных изделий, объектов и энергетического оборудовани . Зеркальный многогранник 3 выполнен полым и кольцевым, имеющим в сечении, проход щем 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. ЁThe invention can be used in optical instrument making for the creation of devices intended for non-destructive testing of industrial products, facilities and power equipment. The mirror polyhedron 3 is hollow and annular, having a cross section passing through the axis, a triangle facing the top of the additional lens 8. The receiver lens is located inside the mirror polyhedron and the axis of the additional lens passes through the apex of the triangle. 1 h. item f-ly, 2 ill. Yo

Description

Фм.1Fm.1

Изобретение относитс к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных приборах, предназначен ных дл неразрушающего контрол промышленных изделий, объектов, энерге- тического оборудовани и дл медицинских исследований.The invention relates to optical instrumentation and can be used in various devices intended for non-destructive testing of industrial products, facilities, power equipment and for medical research.

Известны оптические системы тепловизоров , в которых в качестве сканирующих устройств используютс зеркальные бара- баны-многогранники, обеспечивающие в совокупности с обьективом и многоэлементным приемником излучени просмотр заданного пол зрени . Благодар тому, что сканирование осуществл етс вращением зеркального барабана-многогранника, можно легко обеспечить высокую скорость и линейность развертки. Становитс возможным создание быстродействующих теп- ловизионных приборов.Optical systems of thermal imagers are known, in which mirror polyhedrons are used as scanning devices, providing, in conjunction with a lens and a multi-element radiation detector, viewing of a given visual field. Due to the fact that scanning is carried out by rotating the mirror drum-polyhedron, it is possible to easily ensure high speed and linearity of the sweep. It becomes possible to create high-speed thermal imaging devices.

Увеличение угла пол зрени прибора в кадровом направлении в таких системах возможно или за счет увеличени числа чувствительных элементов в линейке приемников или за счет изменени угла наклона граней зеркального барабана к оси его вращени . Первое влечет за собой усложнение технологии производства приемников излучени и, соответственно, повышение стоимости , а также усложнение конструкции объектива из-за необходимости увеличени его собственного угла пол зрени . Второе позвол ет ограничитьс использованием приемников излучени с небольшим числом чувствительных элементов и объективом, к которому, не предъ вл ютс повышенные требовани к качеству изображени по углу пол зрени . Примером тепловизионной системы , построенной по подобной схеме вл етс тепловизор английской фирмы Presision IndustryAn increase in the field of view of the instrument in the personnel direction in such systems is possible either by increasing the number of sensitive elements in the receiver line or by changing the angle of inclination of the edges of the mirror drum to the axis of its rotation. The first entails the complication of the production technology of radiation detectors and, accordingly, the increase in cost, as well as the complication of the lens design due to the need to increase its own angle of field of view. The second allows limiting the use of radiation receivers with a small number of sensitive elements and a lens, which is not subject to increased requirements for image quality in terms of field angle. An example of a thermal imaging system built according to a similar scheme is the thermal imager of the English company Presision Industry.

Оптические системы со сканирующими устройствами в виде зеркальных барабанов с разнонаклонными гран ми (типа колеса Вейлера) обладают тем недостатком, что взаимное расположение элементов системы не позвол ет обеспечить высокий коэффициент использовани зеркальной грани, а это приводит к увеличению габаритов и Снижению чувствительности тепловизора. Optical systems with scanning devices in the form of mirror drums with oppositely inclined edges (such as the Weiler wheel) have the disadvantage that the relative positioning of the system elements does not ensure a high utilization rate of the mirror edge, and this leads to an increase in the dimensions and a decrease in the sensitivity of the thermal imager.

В оптической системе тепловизоров Алмаз и Радуга использована в качестве сканирующего устройства 12-гранна усеченна пирамида с разнонаправленными гран ми и объектив, фокусирующий поток в плоскость изображени . Развертка изображени осуществл етс следующим образом . При повороте зеркальной грани 11-элементный приемник излучени обеспечивает параллельное сканирование 11In the optical system of thermal imagers, Diamond and Rainbow, a 12-sided truncated pyramid with multidirectional faces and a lens focusing the flow in the image plane are used as a scanning device. The image sweep is performed as follows. When rotating the mirror face, the 11-element radiation detector provides parallel scanning 11

строк разложени , составл ющих одну зону изображени , а за полный оборот пирамиды осуществл етс последовательное сканирование 12 зон.lines of decomposition constituting one image zone, and for a full revolution of the pyramid, 12 zones are sequentially scanned.

В этой оптической системе за счет применени зеркальной пирамиды вместо барабана взаимное расположение оси вращени 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 увеличиваетс коэффициент использовани грани, что позвол ет уменьшить габариты сканирующего устройства и повысить чувствительность тепловизионной системы. К недостаткам данной оптической системы следует отнести наличие растровых искажений , большого угла поворота изображени (пол зрени ), увеличивающегос с увеличением угла сканировани , что приводит к искажени м формы изображени и ухудшению его качества.In this optical system, due to the use of a mirror pyramid instead of a drum, the mutual arrangement of the axis of rotation of the mirror faces, the incident and reflected rays is such that the rotation of the reflected beam occurs at an angle equal to the rotation of the mirror face. This is two times less than in the scheme using a mirror drum, due to which the coefficient of use of the edge increases, which allows reducing the size of the scanning device and increasing the sensitivity of the thermal imaging system. The disadvantages of this optical system include the presence of raster distortion, a large image rotation angle (field of view), which increases with an increase in the scanning angle, which leads to distortion of the image shape and deterioration of its quality.

Наиболее близким техническим решением вл етс оптическа сканирующа система , состо ща из вращающейс зеркальной усеченной пирамиды, объектива приемника, фокусирующего поток на плоскость изображени , и дополнительного объектива с зеркалом, установленным на его оптической оси, котора параллельна оси вращени пирамиды.The closest technical solution is an optical scanning system consisting of a rotating mirror truncated pyramid, a receiver lens focusing the flow on the image plane, and an additional lens with a mirror mounted on its optical axis that is parallel to the axis of rotation of the pyramid.

В известной оптической системе за счет включени в ход лучей двух рабочих граней обеспечиваетс практически полна компенсаци угла поворота пол зрени (изображени ) и уменьшение растровых искажений по всему полю зрени . К недостаткам следует отнести наличие большой сферической аберрации дополнительного объектива, котора существенно ухудшает качество изображени всей системы. Величина сферической аберрации пропорциональна квадрату светового диаметра:In the known optical system, due to the inclusion in the course of the rays of the two working faces, it is possible to almost completely compensate for the angle of rotation of the field of view (image) and the reduction of raster distortion over the entire field of view. The disadvantages include the presence of a large spherical aberration of an additional lens, which significantly impairs the image quality of the entire system. The magnitude of the spherical aberration is proportional to the square of the light diameter:

D2D2

ТT

где D - световой диаметр дополнительного объектива;where D is the light diameter of the additional lens;

г- фокусное рассто ние дополнительного объектива;r is the focal distance of the additional lens;

К - коэффициент пропорциональности, завис щий от других параметров дополнительного объектива.K - coefficient of proportionality, depending on other parameters of the additional lens.

Световой диаметр дополнительного объектива известной системы очень большой , так как он должен быть не меньше диаметра усеченной пирамиды.The light diameter of the additional lens of a known system is very large, since it must be not less than the diameter of the truncated pyramid.

Целью изобретени вл етс повышение качества сканируемого п тна.The aim of the invention is to improve the quality of the scanned spot.

Поставленна цель достигаетс тем, что в оптической сканирующей системе зеркальный многогранник выполнен полым и кольцевым, имеющим в сечении, проход щем 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.The goal is achieved by the fact that in the optical scanning system the mirror polyhedron is hollow and annular, having a triangle in section, passing through the axis of the additional lens, pointing at the top of the additional lens. In this case, the lens and receiver are located inside the polyhedron. In addition, the axis of the additional lens passes through the apex of the triangle.

Введение в оптическую систему многогранника , выполненного полым и кольцевым , имеющим в сечении, проход щем 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 изображени .Introduction to the optical system of a polyhedron, made hollow and annular, having a cross section passing through the axis. the triangle facing the top of the auxiliary lens, and the installation of the lens and receiver inside the annular polyhedron reduce the requirements for the aperture of the additional lens, hence reducing the magnitude of the spherical aberration and, accordingly, improving the image quality.

Расположение оси дополнительного объектива, проход щей через вершину треугольника , обеспечивает оптимальное положение дополнительного объектива, при котором его диаметр оказываетс минимальным при заданном значении фокусного рассто ни , а следовательно, максимальными станов тс значени сферической аберрации .The location of the axis of the additional lens, passing through the apex of the triangle, provides the optimal position of the additional lens, at which its diameter is minimal for a given focal length value, and therefore the spherical aberration values become maximum.

Концентраци рабочих отражающих поверхностей по одну сторону от оси вращени пирамиды позвол ет существенно уменьшить диаметр дополнительного объектива , что дает возможность значительно снизить величину сферической аберрации и тем самым повысить качество изображени системы.The concentration of working reflective surfaces on one side of the axis of rotation of the pyramid significantly reduces the diameter of the additional lens, which makes it possible to significantly reduce the magnitude of the spherical aberration and thereby improve the image quality of the system.

На фиг. 1 представлена оптическа сканирующа система, общий вид, на фиг. 2 - зеркальный многогранник, вид сверху.FIG. 1 shows an optical scanning system, a general view, FIG. 2 - mirror polyhedron, top view.

Оптическа сканирующа 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 сопр женными гран ми , с осью вращени А-А, имеющий в сечении треугольник. Внутри кольцевого отражател 3 расположен объектив €, в плоскости 7 изображени которого расположен приемник излучени . Система содержит также дополнительный объектив 8, оптическа ось В-В которого параллельна оси вращени А-А, и зеркало 9, установленное на оптической оси В-В дополнительного объектива 8. Последний расположен над ребром С смежных оптически сопр женных граней 4 и 5 так, что ось В-В отнесена от оси А-А на рассто ние, равное радиусу окруж- 5 ности, вписанной в многоугольник, образованный ребрами С двугранных уголковых отражателей.The optical scanning system contains a drive motor 1, on the shaft 2 of which a mirror polyhedron 3 is fixed, made in the form of an annular polyhedron with external A and internal Ј adjacent, optically conjugate faces, with the axis of rotation A-A, having a triangle in cross section. Inside the annular reflector 3 there is a lens, in the plane 7 of which the radiation receiver is located. The system also contains an additional lens 8, the optical axis B-B of which is parallel to the axis of rotation A-A, and a mirror 9 mounted on the optical axis B-B of the additional lens 8. The latter is located above the edge C of adjacent optically conjugate faces 4 and 5 so that that the axis B – B is spaced from the axis A – A to a distance equal to the radius of the circle inscribed in the polygon formed by the edges C of the dihedral corner reflectors.

При вращении двигател 1 вращаетс приводной вал 2, а вместе с ним кольцевойWhen the engine 1 rotates, the drive shaft 2 rotates, and with it the annular

0 многогранник 3. Поток излучени от объекта попадает на входную грань 4 многогранника 3, отражаетс от нее, поворачива сь на угол, равный углу поворота грани, и дополнительным объективом 8 переноситс на0 polyhedron 3. The radiation flux from the object falls on the entrance face 4 of the polyhedron 3, is reflected from it, turning at an angle equal to the angle of rotation of the face, and an additional lens 8 is transferred to

5 зеркало 9. После отражени от зеркала 9 поток излучени вновь, пройд через объектив 8, попадает на смежную внутреннюю грань 5 многогранника 3. Отразившись от грани 5 и претерпев еще один поворот на5 mirror 9. After reflection from the mirror 9, the radiation flux again, after passing through the lens 8, hits the adjacent inner face 5 of the polyhedron 3. Reflecting from face 5 and having undergone one more turn on

0 угол, равный углу поворота грани, поток излучени фокусируетс объективом приемника 6 в плоскость 7 изображени , в которой устанавливаетс приемник излучени 0 an angle equal to the angle of rotation of the face, the radiation flux is focused by the lens of the receiver 6 into the image plane 7 in which the radiation receiver is installed

Благодар тому, что в процессе скани5 ровани участвуют смежные грани 4 и 5 кольцевого многогранника, диаметр дополнительного объектива существенно уменьшаетс при неизменном f, что приводит к значительному уменьшению сферическойDue to the fact that the adjacent faces 4 and 5 of the annular polyhedron are involved in the scanning process, the diameter of the additional lens decreases significantly with constant f, which leads to a significant decrease in the spherical

0 аберрации и, следовательно, к повышению качества изображени .0 aberration and, consequently, to improved image quality.

Предлагаема сканирующа система тепловизора может примен тьс как самосто тельно , так и с телескопической насад5 кой (не показана) дл изменени углового разрешени системы.The proposed imaging scanning system can be used either independently or with a telescopic attachment (not shown) to change the angular resolution of the system.

Технико-экономическа эффективность предлагаемого решени заключаетс в повышении качества получаемого изображе0 ни . Световой диаметр дополнительного объектива уменьшаетс более чем в 2 раза при одних и тех же параметрах сканирующего устройства: угле сканировани , угловом разрешении, фокусном рассто нииThe technical and economic efficiency of the proposed solution is to improve the quality of the resulting image. The light diameter of the additional lens is reduced by more than 2 times with the same parameters of the scanning device: scanning angle, angular resolution, focal length

5 дополнительного обьектива - (в известной системе диаметр дополнительного объектива равен 120 мм, а в данном решении он уменьшаетс до 60 мм). Величина сферичеD2 0 ской аберрации б S К уменьшаетс 5 additional lens - (in the known system, the diameter of the additional lens is 120 mm, and in this solution it is reduced to 60 mm). The magnitude of the spherical D2 0 sky aberration b S K decreases

более чем в 4 раза, обеспечиваетс высокое качество изображени по всему полю.Кроме того, за счет уменьшени диаметра дополнительного объектива снижаетс $ материалоемкость при изготовлении сканирующей системы. Масса дополнительного объектива, пропорциональна его объему, уменьшаетс примерно в 5-6 раз. Масса дополнительного объектива составл ет 25%more than 4 times, high image quality is ensured across the entire field. In addition, by reducing the diameter of the additional lens, material consumption during the manufacture of the scanning system is reduced. The mass of the additional lens, proportional to its volume, is reduced by about 5-6 times. Extra lens weight is 25%

от массы оптических деталей всей сканирующей системы. Таким образом, материалоемкость сканирующей системы снижаетс на 20-21%.from the mass of optical parts of the entire scanning system. Thus, the material consumption of the scanning system is reduced by 20-21%.

Claims

Claim 1. Optical scanning system containing a mirror polyhedron mounted for rotation about an axis, a receiver in front of which a lens is mounted, and an additional lens whose axis is parallel to the axis of a polyhedron, and a flat mirror mounted on an additional volume axis

Lens and perpendicular to it, characterized in that, in order to improve the image quality of the scanned floor, the polyhedron is hollow and annular, having in cross section passing through the axis of the additional lens, the triangle facing the top of the additional lens, while the receiver and Object, placed inside the polyhedron.

2. System pop. 1. characterized by the fact that the axis of the additional lens passes through the apex of the triangle.

Phi 2