Модифицированная оптическая ИК система с зонным сканированием Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 681.7.015.2

А.И. Белоусов, Г.Н. Попов

ФГУП «ЦКБ "Точприбор"», Новосибирск

МОДИФИЦИРОВАННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ИК СИСТЕМА С ЗОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Простота осуществления развертки изображения с помощью вращающейся призмы и относительно невысокая стоимость короткой линейки фотоприемника является отличительной особенностью инфракрасных (ИК) систем с зонным сканированием. Немаловажную роль играет высокая линейность развертки изображения, что позволяет улучшить обработку видеосигнала в электронном тракте ИК системы.

В работах [1, 2] рассмотрены основные принципы построения оптического блока ИК системы зонного сканирования и приведен пример конкретного ее выполнения. В тоже время, при использовании приемника с размером фотоприемной площадки 0,035 х 0,035 мм ИК система имеет кружок Эйри диаметром 0,05 мм, что снижает контраст изображения и геометрическое разрешение. Кроме того, существуют определенные технологические особенности, которые необходимо учитывать при разработке ИК системы зонного сканирования. Улучшение этих параметров является целью настоящей работы.

Для лучшего понимания существа вопроса воспроизводим фрагмент описания ИК системы зонного сканирования из работы [1]. На рис. 1 представлена оптическая схема ИК системы в упрощенном виде (без насадки Галилея и ломающего зеркала) в плоскости кадрового (рис. 1, а) и строчного (рис. 1, б) сканирования с обозначениями, необходимыми для пояснения принципа работы.

Рис. 1. ИК система в плоскости кадрового (а) и строчного (б) сканирования:

1 - объектив; 2 - фронтальный мениск; 3 - афокальный мениск; 4 - кадровое окно; 5 -

призма; 6 - оптика переноса изображения; 7 - коллимирующий компонент; 8 -

фокусирующий компонент; 9 - ФПУ

ИК система содержит объектив 7, выполненный в виде двух компонентов: фронтального мениска 2 и афокального мениска 3. В плоскости действительного промежуточного изображения объектива 1 (в воздушном промежутке с14,с15) установлено кадровое окно (диафрагма) 4. Входной зрачок О объектива 1 расположен в передней фокальной плоскости ^ фронтального мениска 2 на расстоянии -Бр.

Призма 5 с толщиной по оптической оси, равной 42 мм (со = 0°), выполнена со скошенными гранями (рис. 1, б), причем толщина призмы по оптической оси для меньших углов а скоса граней ЕЕ' и ЖЖ' меньше, чем для больших углов скоса (грани ДД' и 33'). С диафрагмой 4 оптически сопряжена плоскость мнимого промежуточного изображения, проходящая через точку Р\, расположенную внутри призмы 5. Эта плоскость соответствует плоскости предметов для оптики переноса изображения.

Оптика переноса изображения 6 состоящая из коллимирующего (7) и фокусирующего (8) компонентов, фокусирует пучки лучей на короткую линейку 2у чувствительных элементов фотоприемного устройства (ФПУ) 9. Линейка расположена параллельно оси ОО вращения призмы 5. Перемещение фокусирующего компонента 8 вдоль оптической оси используется для фокусировки излучения на неподвижный фотоприемник при сборке ИК системы.

Принцип зонного сканирования для удобства изложения рассмотрим в обратном ходе лучей.

Предположим, что угол а (рис. 1, а) скоса граней и угол со поворота призмы (рис. 1, б) равны нулю. Лучи, исходящие из точки F ФПУ 9, пройдя оптику переноса 6 и призму 5, попадут в центр кадрового окна 4.

На рис. 2 дан вид кадрового окна по стрелке Б (рис. 1, а) и положение линейки ФПУ (фиг. 2, а), а также линейные размеры для этого случая. При повороте призмы на угол 2оо будет формироваться зона шириной 2у$к, где 2у - длина линейки, а Р* - линейное увеличение оптики переноса изображения в обратном ходе лучей. Однако, вместо кадра телевизионного типа, формируется узкая зона сканирования. Несмотря на это, скашивая попарно грани призмы на углы ах, можно перемещать изображение линейки в направлении кадровой развертки и получить полноформатный кадр размером 2Ь х 21 (рис. 2, б, в).

Изображенте линейки ФПУ

а= -о у

1

[х'1_

г 1

С=± 6.5

0(,

ч

Рис. 2. Положение зон сканирования в плоскости кадрового окна в зависимости от скоса граней а,

Пучки лучей, прошедшие объектив 7, (в обратном ходе лучей) строят изображение в пространстве предметов. Вид поля зрения в пространстве предметов показан на рис. 3, при этом из-за оборачивания, изображение

л л

линейки АуАр в плоскости кадрового окна (рис. 2, в) окажется в положении Д

(рис. 3) в плоскости предметов. Первая четверть поля зрения разбита на 18 точек составляющие 6 триад, а именно: (1, 2, 3), (4, 5, 6) и т. д. В дальнейшем по этим точкам проводится оптимизация и контроль качества изображения.

. Изображение линейки ФПУ о

:10

Рис. 3. Положение триад точек (конфигураций) в поле зрения ИК системы

Осевой луч FB, (рис. 1, а), пройдя призму 5, выходит из нее параллельно самому себе, а поскольку мениск 3 является афокальным, то и в промежутке d2 между менисками он также идет параллельно оптической оси, т. е. является телецентрическим. Поэтому, пройдя через фронтальный мениск 2, он пересекает оптическую ось в точке F1, расположенную в его задней фокальной плоскости (в обратном ходе лучей) и образует угол у по кадру. То же самое происходит в ортогональной плоскости, когда образуется угол Р по строке (рис. 1, б).

Отметим, что расположение входного зрачка впереди объектива способствует оптимальному сопряжению оптической ИК системы с установленной перед ней телескопической системой Галилея, служащей для смены полей зрения.

Расчетные формулы по определению конструктивных элементов объектива на основании расчета хода нулевых лучей приведены в работе [1]. Параметры рассмотренной оптической системы следующие: эквивалентное фокусное расстояние фокусное расстояние фронтального мениска

мм

фокусное расстояние объектива диаметр входного зрачка

расстояние входного зрачка от первой поверхности поле зрения по строке поле зрения по кадру относительное отверстие

линейное увеличение оптики переноса изображения задний отрезок

мм

спектральный диапазон

мкм

Выше упоминалось, что толщина призмы по оптической оси для меньших углов скоса меньше, чем для больших углов скоса. Это делается для некоторой подфокусировки внешних зон поля зрения и повышения в них качества изображения.

Здесь следует сказать несколько слов о способе компенсации аберраций призмы. Компенсация происходит в два этапа, а именно:

1. Компенсация аберраций призмы аберрациями объектива таким образом, чтобы остаточные аберрации системы объектив призма имели постоянную величину в пределах рабочего угла поворота призмы.

2. Компенсация этих остаточных аберраций с помощью оптики переноса изображения для получения оптимального качества изображения на ФПУ

Остаточные аберрации системы объектив-призма имеют значение порядка 0,5 мм, но постоянны по всем 18 точкам поля зрения (рис. 3). Анализ этих аберраций показал, что объектив полностью компенсирует астигматизм

73 мм

48.9

78 мм 36 мм 50 мм 9°

6°

1 : 2 0,935х

20.9

8-12

и кому призмы. Таким образом, назначение оптики переноса изображения 6 (рис. 1) заключается не только в переносе изображения, расположенного внутри призмы 5, но и в компенсации остаточных аберраций предыдущей системы.

Все расчеты выполнены с помощью программы ZEMAX методом мульти конфигураций, т.е. когда в функцию качества заложены параметры всех 18 точек поля зрения, что детально описано в работах [1, 2].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. 2244949 Российская Федерация, Int. Cl. G02B 26/10, H04 N5/3 / А.И. Белоусов. - Бюл. № 2.

2. Belousov A., Popov G. Infra Red Zone-Scanning System // Applied Optics. - V. 45, № 9. - P. 1931 - 1937.

© А.И. Белоусов, Г.Н. Попов, 2007