тепловизор с зонным сканированием

Формула изобретения

1. Тепловизор с зонным сканированием, содержащий последовательно расположенные по ходу луча объектив, многогранную призму, установленную с возможностью вращения перпендикулярно оптической оси, устройство переноса изображения и фотоприемное устройство (ФПУ), отличающийся тем, что объектив выполнен в виде двух компонентов: фронтального мениска, обращенного выпуклостью к предмету и афокального мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения объектива, входной зрачок объектива расположен в передней фокальной плоскости фронтального мениска, а радиусы кривизны менисков равны:

где R1, R2 - радиусы кривизны фронтального мениска по ходу луча,

R3, R4 - радиусы кривизны афокального мениска по ходу луча,

f ₁ - фокусное расстояние фронтального мениска,

n - показатель преломления материала менисков,

d₃ - толщина афокального мениска по оси,

₀ - линейное увеличение афокального мениска,

при этом ФПУ выполнено в виде линейки чувствительных элементов, призма выполнена со скошенными гранями, причем толщина призмы по оптической оси для меньших углов скоса граней меньше, чем для больших углов скоса, ось вращения призмы расположена за плоскостью действительного промежуточного изображения объектива, а устройство переноса изображения содержит коллимирующий и фокусирующий компоненты.

2. Тепловизор по п.1, отличающийся тем, что в плоскости промежуточного изображения объектива установлено кадровое окно.

3. Тепловизор по п.1, отличающийся тем, что фокусирующий компонент устройства переноса изображения выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

4. Тепловизор по п.1 или 3, отличающийся тем, что коллимирующий компонент устройства переноса изображения выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в тепловизорах с оптико-механическим зонным сканированием при использовании линеек чувствительных элементов фотоприемного устройства (ФГТУ).

Известна оптическая система зонного сканирования, содержащая афокальную насадку, зеркальный многогранный барабан с разным углом наклона граней к оси вращения барабана и объектив приемника, выполненный из первого компонента и двух вторых компонентов. Устройство позволяет осуществить полную развертку кадра по зонам с использованием коротких линеек за счет различного наклона граней к оси вращения зеркального барабана [1].

Устройство обладает высоким качеством изображения, но технологически сложно осуществимо из-за трудности изготовления зеркального барабана и его размещения в выходном зрачке афокальной насадки.

Для упрощения конструкции тепловизоров с оптико-механическим сканированием в качестве сканирующих систем используют многогранные вращающиеся призмы, что обусловлено их небольшими размерами и простотой осуществления сканирования, высокой скоростью и линейностью развертки. Существенный недостаток сканирующей призмы - ухудшение качества изображения при ее вращении.

Известно устройство с вращающейся призмой [2], формирующее инфракрасное изображение, содержащее однолинзовый объектив, диафрагму, вращающуюся многогранную призму и ФПУ. Диафрагма размещена между объективом и призмой и служит для исправления вносимого призмой астигматизма.

Устройство имеет следующие недостатки.

1. Не обеспечивается полная развертка кадра при использовании коротких линеек ФПУ.

2. Принятое расположение диафрагмы приводит к сканированию выходного апертурного угла, что приводит к эффектам затенения, ухудшающим качество изображения [3].

3. Устранение астигматизма в таком устройстве возможно лишь в ограниченных (малых) полях зрения, а наличие также других аберраций, вносимых призмой, например комы [4], ухудшает качество изображения.

Известна также тепловизионная камера [5], содержащая входной объектив, систему сканирования из двух преломляющих призм для кадровой и строчной развертки, коллимирующую систему и ФПУ. Эта камера позволяет обеспечить полную развертку кадра при использовании коротких линеек ФПУ.

Основной недостаток этой камеры - сложный привод сканирования, требующий жесткой синхронизации вращения двух призм с разными скоростями.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является тепловизор [6], содержащий последовательно установленные по ходу луча зеркальный объектив, выполненный в виде главного сферического зеркала и плоского контрзеркала, вращающуюся многогранную призму, оптическое устройство переноса изображения и ФПУ, содержащий один чувствительный элемент. Строчное сканирование обеспечивается за счет вращения призмы, а кадровое - за счет колебательного движения плоского контрзеркала с помощью кулачкового механизма. Тепловизор позволяет обеспечить полную развертку кадра.

Признаки прототипа, общие с заявляемым изобретением: последовательно размещенные по ходу луча оптически связанные объектив, многогранная призма, установленная с возможностью вращения перпендикулярно оптической оси, устройство переноса изображения и ФПУ.

Тепловизор имеет следующие недостатки.

1. Низкое качество изображения из-за аберраций, вносимых призмой (кружок рассеяния в плоскости наилучшей установки достигает 1.6 мм).

2. Сложный привод сканирования, т.к. требуется жесткая синхронизация вращения призмы и колебательного движения плоского контрзеркала.

3. Низкая скорость кадровой развертки (16 гц), что обусловлено ограниченными возможностями работы кулачкового механизма.

4. Тепловизор не обеспечивает зонное сканирование, а обеспечивает развертку кадра телевизионного типа из-за использования одноэлементного ФПУ.

Задачей изобретения является обеспечение зонного сканирования тепловизора, повышение качества изображения, упрощение привода сканирования и повышение частоты кадровой развертки.

Поставленная задача решается тем, что в тепловизоре, содержащем последовательно расположенные по ходу луча и оптически связанные объектив, многогранную призму, установленную с возможностью вращения перпендикулярно оптической оси тепловизора, устройство переноса изображения и фотоприемное устройство (ФПУ), объектив содержит два компонента: фронтальный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, и афокальный мениск, обращенный выпуклостью к изображению и расположенный вблизи плоскости промежуточного изображения объектива, входной зрачок объектива расположен в передней фокальной плоскости фронтального мениска, а радиусы кривизны менисков равны:

R1=(0.9-1.1)f’ ₁,

R2<1.5f’₁,

R4= ₀R3,

где:

R1, R2 - радиусы кривизны фронтального мениска по ходу луча,

R3, R4 - радиусы кривизны афокального мениска по ходу луча,

f’₁ - фокусное расстояние фронтального мениска,

n - показатель преломления материала менисков,

d₃ - толщина афокального мениска по оси,

₀ - линейное увеличение афокального мениска,

при этом ФПУ выполнено в виде линейки чувствительных элементов, призма выполнена со скошенными гранями, причем толщина призмы по оптической оси для меньших углов скоса граней меньше, чем для больших углов скоса, а ось вращения призмы расположена за плоскостью промежуточного изображения объектива, а устройство переноса изображения (оптический блок переноса изображения) содержит коллимирующий и фокусирующий компоненты. В общем случае в зависимости от спектральной области тепловизора в качестве материала призмы может быть выбран германий или кремний. В области 8-12 мкм в качестве материала менисков использован германий.

В частном случае реализации с целью уменьшения паразитных тепловых засветок и повышения контраста изображения в плоскости действительного промежуточного изображения объектива установлено кадровое окно.

Кроме того, для фокусировки изображения на ФПУ фокусирующий компонент устройства переноса изображения выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

Кроме того, для регулировки ширины зоны сканирования коллимирующий компонент устройства переноса изображения выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси.

Пример конкретного выполнения тепловизора представлен на фиг.1-12.

На фиг.1а, б представлена оптическая схема тепловизора соответственно в плоскости кадрового и строчного сканирования.

На фиг.2 показан вид кадрового окна по стрелке Б (фиг.1а) и положение линейки ФПУ в процессе зонного сканирования.

На фиг.3 - вид поля зрения в пространстве предметов.

На фиг.4 - ход первого и второго нулевых лучей через афокальный мениск с учетом условий (1) и (2).

На фиг.5 - результирующий астигматизм системы “объектив+призма” в плоскости мнимого промежуточного изображения, проходящей через точку F’₁

На фиг.6 - результирующий астигматизм объектива и призмы с одинаковой толщиной по всем граням.

На фиг.7 - результирующие аберрации широкого наклонного пучка системы “объектив+призма” для шести конфигураций точек поля зрения.

На фиг.8 - сквозной расчет функции рассеяния точки для равнотолщинной призмы для шести конфигураций точек поля зрения.

На фиг.9 - сквозной расчет функции рассеяния точки для разнотолщинной призмы.

На фиг.10 - графики аберраций широкого наклонного пучка лучей для шести конфигураций точек поля зрения.

На фиг.11 - матрица функции рассеяния точки для равнотолщинной призмы.

На фиг.12 - матрица функции рассеяния точки для разнотолщинной призмы. Над каждой ФРТ приведены величины кружков рассеяния с учетом дифракции и соответствующие 80% концентрации энергии в пятне рассеяния.

Тепловизор зонного сканирования (фиг.1а) содержит последовательно установленные по ходу луча оптически сопряженные объектив 1, состоящий из фронтального мениска 2 и афокального мениска 3, кадровое окно 4, призму 5, оптику переноса изображения 6, включающую коллимирующий компонент 7 и фокусирующий компонент 8, и ФПУ 9. Фронтальный мениск 2 обращен выпуклостью к предмету, а афокальный мениск 3 обращен выпуклостью к изображению. Афокальный мениск 3 расположен вблизи плоскости промежуточного изображения. Входной зрачок D объектива 1 расположен в передней фокальной плоскости фронтального мениска 2. Призма 5 (фиг.1б) выполнена многогранной, со скошенными гранями Д-З и Д’-З’ (фиг.1б), толщина призмы 5 по оптической оси для меньших углов скоса граней ЕЕ’ и ЖЖ’ меньше, чем для больших углов скоса (грани ДД’ и ЗЗ’). Кадровое окно 4 установлено в плоскости промежуточного изображения объектива 1. Призма 5 выполнена с возможностью вращения вокруг оси ОО, расположенной перпендикулярно оптической оси тепловизора за плоскостью действительного промежуточного изображения (кадровым окном 4). С материальной диафрагмой - кадровым окном 4 оптически сопряжена плоскость мнимого промежуточного изображения, проходящая через точку F’₁, расположенную внутри призмы 5. Эта плоскость соответствует плоскости предметов для оптики переноса изображения 6. Оптика переноса изображения 6 представляет собой проекционный объектив или оборачивающую систему небольшого увеличения и служит для коллимирования пучков лучей на ФПУ 9. ФПУ 9 выполнено в виде линейки 2у чувствительных элементов, расположенной параллельно оси ОО вращения призмы 5 для обеспечения просмотра части поля зрения по кадру. Объектив 1 и призма 5 выполнены из германия. Радиусы кривизны менисков 2 и 3 по ходу луча равны:

R1=(0.9-1.1)f’ ₁, R2<1.5f’₁, R4= ₀R3,

где R1, R2 - радиусы кривизны фронтального мениска по ходу луча, R3, R4 - радиусы кривизны афокального мениска по ходу луча, f’₁ - фокусное расстояние фронтального мениска, n - показатель преломления материала менисков, d ₃ - толщина афокального мениска по оси, ₀ - линейное увеличение афокального мениска.

На фиг.1 обозначены: - угол поля зрения по кадру для трех точек поля (верхней, центральной и нижней), - угол скоса граней призмы 5, - угол поворота призмы 5, - угол поля по строке для трех точек поля (нулевой, зональной и максимальной), L и L’ - линейное поле зрения по строке соответственно фронтального мениска 2 и объектива 1, l и l’ - линейное поле зрения по кадру соответственно фронтального мениска 2 и объектива 1.

Тепловизор работает следующим образом.

Пучок лучей, проходя объектив 1, строит изображение определенного качества в плоскости действительного промежуточного изображения (кадрового окна 4). При вращении призмы 5 происходит последовательное сканирование этого изображения по зонам и его последующий перенос с помощью оптики переноса изображения 6 на ФПУ 9. При этом одновременно сканируется зона, число строк которой равно количеству чувствительных элементов ФПУ 9. Весь кадр формируется за полоборота призмы 5.

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

Предположим, что угол скоса граней и угол поворота призмы 5 (фиг.16) равны нулю. Лучи, исходящие из точки F ФПУ 9, пройдя устройство переноса изображения 6 и призму 5 попадут в центр кадрового окна 4 (фиг.2а). При повороте призмы на угол 2 будет формироваться зона шириной 2 _k, где 2 - длина линейки ФПУ 9, а _к - линейное увеличение оптики переноса изображения 6 в обратном ходе лучей. Однако при этом формируется не кадр телевизионного типа, а узкая зона сканирования. Скашивая попарно грани призмы 5 на углы _i, можно последовательно перемещать изображение линейки ФПУ 9 в направлении кадровой развертки и получить полноформатный кадр размером 2L’×2l’ (фиг.2б, в).

Пучки лучей, прошедшие объектив 1, строят изображение в пространстве предметов. Из-за оборачивания изображения линейка АФПУ 9 (фиг.2в) окажется в положении Д.

Осевой луч FB (фиг.1а), пройдя призму 5, выходит из нее параллельно самому себе, а поскольку мениск 3 является афокальным, то и в промежутке между менисками 2 и 3 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 по кадру. То же самое происходит в ортогональной плоскости, когда образуется угол по строке (фиг.1б).

Рассмотрим процесс сканирования изображения более подробно. В таблице 1 приведены значения и знак углов скоса призмы 5.

В начальном, но не в нулевом положении призмы 5, когда угол поворота призмы 5 равен , рабочими являются грани ДД’ с углом скоса ₂, и изображение линейки ФПУ 9 находится в начале зоны Д (фиг.3). При повороте призмы 5 на угол 2 происходит сканирование этой зоны. Далее, в ход лучей последовательно вводятся грани ЕЕ’-ЖЖ’-ЗЗ’ и происходит сканирование зон Е, Ж, З (фиг.3). Следовательно, за полоборота призмы 5 происходит сканирование кадра по зонам Д-З. При дальнейшем повороте призмы 5 будет происходить сканирование кадра в обратном направлении по зонам З-Д. Таким образом, за один оборот призмы 5 кадр сканируется дважды. В этом устройстве при простом приводе сканирования достигается удвоение частоты кадровой развертки.

Таблица 1
NN граней	Угол наклона	Зона на предмете
ДД’	2	Д
ЕЕ’	1	Е
ЖЖ’	- 1	Ж
ЗЗ’	- 2	З
Д’Д	- 2	З
Е’Е	- 1	Ж
Ж’Ж	1	Е
З’З	2	Д

Как известно [4], основными аберрациями, которые вносит призма, являются астигматизм и кома. Коррекция этих аберраций происходит в два этапа.

1. Компенсация аберраций призмы 5 аберрациями объектива 1 таким образом, чтобы остаточные аберрации системы “объектив+призма” имели постоянную величину и знак в пределах рабочего угла поворота призмы.

2. Компенсация этих остаточных аберраций с помощью оптики переноса изображения 6 для получения оптимального качества изображения на ФПУ 9.

Компенсация аберраций на первом этапе достигается тем, что фронтальный мениск 2 рассчитывается на минимум сферической аберрации, а афокальный мениск 3 выбирается из условия, чтобы его астигматизм был равен астигматизму призмы 5 с обратным знаком. При этом, как показали проведенные расчеты, автоматически компенсируется кома.

Исходя из условия минимума сферической аберрации фронтального мениска 3 в соответствии с формулой (11.27) из [7], с учетом того, что оба мениска выполнены из германия, его радиусы равны:

R2=1.5f’₁ при d₁=0, а т.к. фронтальный мениск 2 имеет конечную толщину, то R2<1.5f’₁.

Рассмотрим конструктивные и аберрационные характеристики афокального мениска 3. Принимаем:

для первого нулевого луча:

для второго нулевого луча:

Апертурный луч внутри мениска 3 (фиг.4) идет параллельно оптической оси ( ₄=0), а полевой - параллельно оптической оси до и после мениска ( ₃= ₅=0). По сути дела афокальный мениск 3 представляет собой монолитную систему Галилея, установленную в обратном ходе лучей.

В соответствии с инвариантом Аббе для параксиальных лучей можно записать для поверхности R3:

Так как s’= ( ₄=0), то

поскольку мениск 3 афокален (Ф=0), то

Значения радиусов R3, R4 можно определить из расчета хода второго нулевого луча. Но проще обратиться к формуле (40) из [9], которая с учетом знаков и обозначений дает:

Отсюда получим:

Кроме того, по формуле (32) из [9] из условия телецентричности следует:

Совместное решение (9), (6), (12) дает:

Толщину афокального мениска 3 можно найти из условия афокальности:

Соотношения (6)-(14) устанавливают взаимосвязь между конструктивными элементами афокального мениска 3.

В качестве примера конкретного выполнения с использованием программы Optical Design Program "ZEMAX", Version: May 2002 фирмы Focus Software, Inc. выполнен расчет тепловизора, оптические характеристики и конструктивные параметры которого приведены ниже. Обозначено:

R1-R2 - фронтальный мениск

R3-R4 - афокальный мениск

R1-R4 - объектив

R5 - кадровое окно

R6-R7 - призма

R8 - фиктивная плоская поверхность

R9-R14 - оптика переноса изображения

Оптические характеристики

Эквивалентное фокусное расстояние.............-110 мм

Фокусное расстояние фронтального мениска......86.67 мм

Фокусное расстояние объектива................130 мм

Диаметр входного зрачка.......................52 мм

Удаление входного зрачка......................-85 мм

Поле зрения по строке.........................6.6°

Поле зрения по кадру..........................4.1°

Относительное отверстие.........................1:2

Спектральный диапазон...........................8-12 мкм

Конструктивные параметры
(для конфигурации N1. Увеличение мениска 0=1.5)
Радиусы	Толщины	Материал	Световые диаметры
R1=86.64	d1=7.8	Ge	60
R2=120.67	d2=76.5		57
R3=-12.0	d3=8	Ge	17
R4=-17.9	d4=6		23
R5=0	d5=11.3*		8х12
R6=0	d6=49.8*	Ge	11х9
R7=0	d7=11.1*		11х9
R8=0	d8=23
R9=-428.0	d9=3	Ge	17
R10=-121.3	d10=44		17
R11=59.83	d11=4	Ge	18
R12=122.3	d12=4		18
R13=-81.4	d13=3	ZnSe	14
R14=-137.9			14
* Размеры изменяются в зависимости от угла поворота призмы (см. табл.3).

Как видно из приведенных расчетов, R1=86.64 мм, т.е. практически равно фокусному расстоянию фронтального мениска 86.67 мм; R2=120.67, что менее 1.5R1. Отношение R4/R3=1.5. Исходя из формул (9) и (10) с учетом того, что d₃=8 мм, должны получить R3=12, R4=18 мм. В результате оптимизации получено R4=17.9 мм вследствие коррекции аберраций высших порядков. Толщина d₂=76.5 мм выбрана из условия телецентричности главного луча и выполнения соотношения (12). Расчет нескольких реальных систем показал, что из-за конечной толщины фронтального мениска и исправления аберраций высших порядков величина R1 отклоняется от значений, рассчитанных по формуле (1), на±10%, т.е. Rl=(0.9-1.1)f’ ₁. Из-за учета толщины мениска справедливо соотношение R2<1.5f’₁. В зависимости от относительного отверстия объектива значения R3 отклоняются от значений, рассчитанных по формуле (9), на 5%, т.е.

Качество изображения рассматривается для триад точек 1-18, составляющих 6 конфигураций (фиг.3). Последовательность и соответствующие номера точек поля для каждой конфигурации приведены в таблице 2. При этом достаточно рассмотреть качество изображения в первой четверти поля зрения, так как оптическая система обладает осевой симметрией.

Таблица 2
NN конфигураций	Точки поля по фиг.3
1	1,2,3
2	4,5,6
3	7,8,9
4	10,11,12
5	13,14,15
6	16,17,18

В таблице 1 даны углы скоса граней, соответствующие зонам сканирования Д-3. Конфигурациям 1,4 соответствует центральная область в направлении строчного сканирования (=0), конфигурациям 2,5 - зональная область (=8,8°), а конфигурациям 3,6 - край поля сканирования (=11,3°). Зонам Е, Ж соответствует скос граней ₁=±1°45’, а зонам Д,З - скос граней ₁=5°20’.

В таблице 3 приведены параметры, необходимые для расчета качества изображения тепловизора в прямом ходе лучей. Здесь: d₆ - толщина призмы по оси, d ₅,d₇ - величины воздушных промежутков между призмой и компонентами оптической схемы тепловизора.

Таблица 3
Конф.	N	1	2	3	4	5	6
d	5	11.3	11.1	10.8	11.2	11.0	10.7
d	6	49.8	50.2	50.8	50.0	50.4	51.0
d	7	11.1	10.9	10.6	11.0	10.8	10.5
	1	-0.02	-0.02	-0.02	1.02	1.02	1.02
	2	0.5	0.5	0.5	1.53	1.53	1.53
	3	1.0	1.0	1.0	2.05	2.05	2.05
tg	6	0.03	0.03	0.03	0.0933	0.0933	0.0933
tg	7	0.03	0.03	0.03	0.0933	0.0933	0.0933
	1	0	2.53	3.3	0	2.53	3.3
	2	0	2.53	3.3	0	2.53	3.3
	3	0	2.53	3.3	0	2.53	3.3
tg	6	0	0.1542	0.2	0	0.1542	0.2
tg	7	0	0.1542	0.2	0	0.1542	0.2

Величины d₅ d₆d₇ не постоянны и изменяются пропорционально cos. Кроме того, для компенсации кривизны поля по кадру толщина призмы 5 для конфигураций 1-3, т.е. для зон Е,Ж на 0.2 мм меньше, чем для конфигураций 4-6, т.е. зон Д,З. Соответственно, воздушные промежутки d₅d₇ для конфигураций 1-3 на 0.1 мм больше.

Линейка ФПУ 9 имеет длину 2 мм, т.е. для всех конфигураций координаты трех точек поля (триады) должны иметь значения -1, 0, 1 мм. Это достигается подбором величин и при заданных и .

На фиг.5 даны астигматические отрезки системы “объектив+призма” в плоскости мнимого промежуточного изображения, проходящей через точку F’₁, расположенную внутри призмы 5 для шести конфигураций точек поля в соответствии с фиг.3. Номера конфигураций указаны в правой нижней части каждого графика. В левом нижнем углу указано значение рабочего поля зрения для каждой конфигурации. Поля, отличные от указанных, не рассматриваются, так как не попадают на ФПУ.

Как видно из фиг.5, происходит не только компенсация астигматизма, но и кривизны изображения, т.е. плоскость предметов для оптики переноса изображения 6 не дефокусируется при вращении призмы 5 как в меридиональной, так и в сагиттальной плоскостях. Заметим, что для меньших углов скоса граней призмы 5, т.е. конфигураций 1, 2, 3, ее толщина взята на 0,2 мм меньше, чем для больших углов скоса, т.е. конфигураций 4, 5, 6.

При одинаковой толщине призмы 5 по всем граням (фиг.6) для конфигураций 4, 5, 6 происходит дефокусировка изображения, доходящая до 0.5 мм для шестой конфигурации с ухудшением качества изображения.

Результирующие аберрации (кома) широкого наклонного пучка системы “объектив+призма” для шести конфигураций точек поля зрения (фиг.7) есть результат сложения аберраций фронтального мениска 2, афокального мениска 3 и призмы 5. Как видно из графиков, имеются существенные остаточные аберрации, однако они имеют постоянную величину и знак для всех шести конфигураций при исправленной коме. Поэтому использованием оптики переноса изображения 6 при отсутствии дефокусировок достаточно исправить аберрации только в пределах длины линейки ФПУ, чтобы получить хорошее качество изображения по всему полю зрения.

На фиг.8 представлен сквозной расчет функции рассеяния точки (ФРТ) для шести конфигураций. Расчеты выполнены с помощью программы "ZEMAX". В правом нижнем углу для каждого расчета указан программой номер конфигурации. Масштаб выбран равным 0.2 мм. Для сравнения с идеальным качеством изображения показан кружок Эри. Как видно из фиг.8, для равнотолщинной призмы для зоны сканирования Е, Ж кружок рассеяния вписывается в кружок Эри, а для зон Д, З - нет. При уменьшении толщины призмы на 0.2 мм для углов скоса 1°45’, кружки рассеяния для зон Д, З приобретают приемлемые значения, представленные на фиг.9.

Графики геометрических аберраций широкого наклонного пучка для шести конфигураций (фиг.10) показывают, что эти аберрации имеют очень незначительную величину.

Сравнительный анализ ФРТ для равнотолщинной (фиг.11) и разнотолщинной (фиг.12) призмы 5 показывает существенное снижение размера кружка рассеяния для разнотолщинной призмы 5. Как видно из фиг.12, качество изображения тепловизора с зонным сканированием близко к дифракционному пределу. Диаметр кружка Эри дан в левом нижнем углу каждой фигуры.

Аберрационный расчет всей системы производился по программе "ZEМАХ" методом мультиконфигураций, т.е. когда в функцию качества записывались параметры всех шести конфигураций с одновременной оптимизацией всей оптической системы. Поэтому конструктивные элементы оптики переноса изображения 6 (R9-R14) имеют произвольные значения, необходимые для компенсации значительных остаточных аберраций предшествующей системы. Между двумя компонентами 7 и 8 оптики переноса изображения 6, т.е. поверхностями R10 и R11, идет параллельный пучок лучей. Это позволяет, с одной стороны, за счет подвижки фокусирующего компонента 8 R11-R14 вдоль оптической оси сфокусировать изображение на линейку чувствительных элементов неподвижного ФПУ 9 без ухудшения качества изображения и фокусного расстояния всей системы, а с другой стороны, за счет подвижки коллимирующего компонента 7 R9-R10 - регулировать ширину зоны сканирования для предотвращения пропусков и наложений участков местности.

Таким образом, в настоящем изобретении осуществлена коррекция астигматизма и комы, т.е. получено высокое качество изображения.

Обеспечение в тепловизоре зонного сканирования и высокого качества изображения достигается и при наличии, и при отсутствии кадрового окна 4. При установке в плоскости действительного промежуточного изображения объектива кадрового окна 4 происходит срезание части фонового потока излучения от предшествующих элементов схемы (оправ, корпуса и т.д.), что дополнительно приводит к повышению контраста изображения.

Между компонентами 7 и 8 оптики переноса изображения 6 идет параллельный пучок лучей, что позволяет обеспечить фокусировку изображения на ФПУ 9 за счет перемещения фокусирующего компонента 8 вдоль оси без ухудшения качества изображения и изменения масштаба изображения. Перемещением коллимирующего компонента 7 вдоль оси регулируется ширина зоны сканирования.

Предлагаемое изобретение, на наш взгляд, является новым и соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Главный луч пучка лучей внутри объектива 1 и за афокальным мениском 3 идет параллельно оптической оси, что не известно из уровня техники. Объектив 1 служит для компенсации аберраций, вносимых призмой 5, и самостоятельно работать не может.

Конструкция призмы со скошенными гранями известна [5]. Однако в ней скосы используются для получения чересстрочной развертки, а в предлагаемом изобретении - для получения зонного сканирования. Разная толщина по оптической оси для меньших углов скоса граней и для больших углов скоса, позволяющая компенсировать астигматизм внешних зон сканирования, из уровня техники неизвестна.

Конструкция двухкомпонентной оптики переноса изображения известна [8]. Однако в заявляемом тепловизоре оптика переноса изображения 6 используется не только для фокусировки излучения, но и для компенсации остаточных аберраций предшествующей системы (объектива 1 и призмы 5).

Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное изобретение позволяет обеспечить зонное сканирование тепловизора, повысить качество изображения, упростить привод сканирования и повысить частоту кадровой развертки. Кроме того, заявленное устройство по сравнению с прототипом обладает высокой компактностью, линейностью развертки изображения и не требует юстировки призмы в процессе сборки и эксплуатации.

Список литературы

1. Заявка на изобретение РФ №95102570/28 от 16.02.95 г., G 02 B 26/10.

2. Патент Великобритании №2047424, 26.11.1980 г., G 02 B 27/17.

3. Дж.Ллойд. Системы тепловидения. "Мир", Москва, 1978, стр.288.

4. Н.И.Куликовская, И.Л.Валяева. Влияние сканирующей призмы на качество изображения в тепловизорах. Труды ГОИ, т. 41, вып.173, стр.53-56.

5. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. Пер. с франц. - М.: Мир, 1988, стр.362.

6. М.М.Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для вузов. Л., "Машиностроение" (Ленингр. отделение), 1977, стр.113-119.

7. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Часть II. "Машиностроение", М, 1966.

8. Дубовик А.С. и др. Прикладная оптика. Учебное пособие для вузов. М., Недра, 1982.

9. Нефедов Б.Л. Методы решения задач по вычислительной оптике. "Машиностроение", М., 1966.