Глава 7 Сканирующие устройства
- Введение
Сканирующее устройство в системе FLIR используется для перемещения изображения, сформированного оптической системой в плоскости линейки чувствительных элементов приемника излучения, с тем чтобы обеспечить полное последовательное разложение изображения. Существуют два основных типа сканирующих систем (фиг. 7.1): осуществляющие сканирование в параллельном и в сходящемся пучках лучей. Системы сканирования в параллельном пучке состоят из оптического отклоняющего устройства, например движущегося зеркала, расположенного перед объективом, формирующим выходное изображение. Системы сканирования в сходящемся пучке лучей состоят из движущегося зеркала или другого сканирующего элемента, расположенного между объективом, создающим выходное изображение, и изображением.
Обычно используются следующие типы оптических сканирующих устройств: качающееся зеркало, вращающийся зеркальный барабан, вращающаяся призма, вращающийся клин, перемещающийся объектив, вращающееся приемное устройство и вращающееся V-образное зеркало. Различные комбинации этих устройств позволяют создать как одномерные, так и двумерные системы сканирования.
- Плоское качающееся зеркало
Качающееся зеркало (фиг. 7.2) периодически качается между двумя ограничителями хода и может использоваться как в параллельном, так и в сходящемся пучке лучей. Угол отклонения луча качающимся зеркалом вдвое больше угла поворота самого зеркала (фиг. 7.2). В этом можно убедиться с помощью закона отражения. Рассмотрим фиг. 7.3, где показаны два положения зеркала (Мг и М2) с углом 7 между ними и соответствующие нормали к поверхности зеркала N1 и N2. Показаны также два падающих луча 1г и /о, которые после отражения распространяются в одном
Фиг. 7.1. Сканирующие системы в параллельном (а) и сходящемся (б) пучках лучей.
Фиг. 7.2. Отклонение луча на двойной угол при качании зеркала.
Фиг. 7.3. К выводу выражения для угла отклонения луча в зависимости от угла поворота зеркала при качании.
направлении Е. Угол между 1г и /2f X (А? равен
(7.1)
По закону отражения
(7.2)
Поскольку угол между нормалями к поверхности зеркала равен -у, получим
(7.3)
- Сканирующие системы в сходящемся пучке лучей
Качающееся зеркало в сходящемся пучке лучей — настолько распространенное сканирующее устройство, что имеет смысл рассмотреть подробнее, как угловое перемещение зеркала обеспечивает сканирование и влияет на фокусировку. Рассмотрим фиг. 7.4, на которой для простоты показаны только центральные лучи для двух положений зеркала. На фиг. 7.5 показаны те же лучи для неотклоненного и отклоненного положений зеркала, а также эквивалентный ход лучей без излома зеркалом. Такое построение упрощает вывод соответствующих соотношений. Пусть угол сканирования, измеряемый от оптической оси, равен 0, и пусть положение зеркала относительно произвольной неподвижной позиции характеризуется углом у; центр вращения обозначим Р, а местоположение приемника излучения — D. Размеры а и Ъ показаны на чертеже.
Зависимость угла сканирования 0 от углового положения зеркала у можно найти из построения, приведенного на фиг. 7.5. Треугольник PDQ, соответствующий отражению от зеркала, находящегося в положении, показанном пунктиром, преобразуется
Фиг. 7.4. Принцип сканирования качающимся зеркалом, о — неотклоненное зеркало; б — отклоненное на угол у зеркало.
в треугольник PD'Q. Суммарная длина пути луча для смещенного положения зеркала равна с а + Ь, Из чертежа видно, что
Фиг. 7.5. Изменение длины пути луча.
1 — неотклоненное зеркало; 2 — отклоненное на угол у зеркало.
Фиг. 7.6. К определению длины пути луча с.
Фиг. 7.7. Расфокусировка, вызванная изменением длины пути луча.
Из фиг. 7.7 следует, что если кривизна поля не компенсирует кривизну, вызванную изменением длины пути луча, то возникает расфокусировка. Расфокусировка в функции угла сканирования В описывается соотношением
Геометрическое построение, приведенное на фиг. 7.8, позволяет вывести выражение для расфокусировки в случае плоской фокальной поверхности. Здесь мы рассматриваем осевой луч и его отклонение на идеальной плоской фокальной поверхности. Отрезок а является общим как для отклоненного, так и для неотклоненного лучей, и так как поворот зеркала на угол у вызывает отклонение луча на 2у, имеем
(7.30)
8 « 2by2 для малых у, или
(7.31)
Из подобия треугольников (фиг. 7.9) диаметр кружка рассеяния d получается равным
(7.32)
а соответствующий угловой размер б составит
(7.33)
Эту расфокусировку можно компенсировать, рассчитав при проектировании фокальную поверхность таким образом, чтобы в горизонтальном направлении она имела кривизну, компенсирующую расфокусировку, а в вертикальном направлении была плоской, что позволило бы расположить на ней плоскую линейку чувствительных элементов приемника излучения. Для этой цели в сходящемся пучке вблизи приемника излучения устанавливают полевую линзу. Другую возможность скорректировать расфокусировку дает следующая схема: ось зеркала монтируют на эксцентрике, который попеременно перемещает зеркало внутрь и наружу, предотвращая расфокусировку.
Фиг. 7.9. Диаметр кружка рассеяния при расфокусировке в сканирующем устройстве в сходящемся пучке лучей.
7.2.2 Сканирующие системы в параллельном пучке лучей
Чаще всего качающееся зеркало используют как сканирующее устройство в параллельном пучке лучей, расположенное между телескопической системой и объективом приемника излучения (фиг. 7.10). Важной особенностью систем этого типа является то, что зеркало сканирует не в пространстве объектов, а близ выходного зрачка телескопа. Пучки, соответствующие определенным углам поля зрения, совмещаются только в одной плоскости — в выходном зрачке. Таким образом, если требуются небольшие размеры объектива приемника излучения, сканирующее зеркало следует располагать вблизи выходного зрачка, чтобы расхождение сканирующих пучков было малым. Такая схема приведена на фиг. 7.10. На фиг. 7.11 схема сканирования показана более подробно для случая неперемещающегося выходного пучка. Начальное и конечное положения зеркала соответствуют противоположным краям поля зрения телескопической системы.
Требуемый размер зеркала I определяется из фиг. 7.12 следующим образом. В первом приближении диаметр пучка D для данного половинного угла поля зрения А/2 связан с диаметром выходного зрачка Р соотношением
(7.34)
Фиг. 7.10. Сканирующее устройство с качающимся зеркалом в параллельном пучке лучей.
Фиг. 7.11. Расположение зеркала для получения несмещающегося пучка.
Фиг. 7.12. К определению длины зеркала.
Фиг. 7.13. Движение точки, сопряженной с фиксированной точкой изображения, в пространстве объектов.
