Механические и оптико-механические сканирующие системы

В механических сканирующих системах, осуществляющих просмотр пространства объектов, оптическая система размещается на механическом устройстве, изменяющем пространственное положение ее оптической оси. Эти системы вследствие их сложности и громоздкости, малой частоты сканирования, больших ошибок, возникающих в механических передачах, применяются сейчас сравнительно редко. Исключение составляют оптико-электронные системы с многоэлементными приемниками излучения, устанавливаемые на подвижном основании, например на самолете или спутнике [6, 10, 30]. За счет движения основания осуществляется сканирование в направлении этого движения.

Рис. 8.6. Сканирующая система с вращающимися объективами: а — вид сверху; б — оптическая система одного из каналов; в — вид развертки поля обзора

Известны конструкции, в которых во вращающуюся оправку 3 типа револьверной помещается несколько объективов 2 (рис. 8.6). Если объективы слегка наклонить друг относительно друга или разместить перед ними клинья 1 с различными преломляющими углами, то можно получить строчную развертку достаточно большого по вертикали поля обзора. В дополнение к перечисленным выше недостаткам можно добавить и то, что без принятия специальных мер приемник 4 принимает сигналы не только от объектов, находящихся в поле обзора, но и за его пределами, когда объектив просматривает углы, превышающие заданное поле обзора, т.е. на приемник от объектива поступает излучение от окружающего фона. Кроме того, при больших полях обзора возникают перспективные искажения, а чувствительность приемника с ростом угла падения лучей на него падает. Достоинством такой системы является большее значение коэффициента сканирования h_с, чем в системе с одним объективом.

Спиральные и розеточные траектории можно получить, например, вращая объектив вокруг оси, не совпадающей с его оптической осью, и одновременно поворачивая всю эту систему вокруг третьей оси (рис. 8.7).

Механические системы подобного типа инерционны, частота сканирования в них обычно не превышает нескольких герц при размерах входных зрачков объективов не более 200 мм. Большим быстродействием обладают системы со сканированием поля изображений щелевой диафрагмой. О достоинствах и недостатках таких сканирующих устройств, выполняющих обычно роль анализаторов, говорилось выше (см. гл. 7). Нужно отметить, что к объективам этих систем предъявляют повышенные требования по качеству изображения, так как оно должно быть высоким для всего поля обзора, а не только для сравнительно малого мгновенного углового поля.

Рис. 8.7. Сканирующая система с наклонным внецентренно вращающимся зеркалом: а — оптико-кинематическая система; б — траектория сканирования

В оптико-механических сканирующих системах просмотр поля осуществляется путем перемещения не всей оптической системы, а лишь одного-двух ее компонентов. В этих системах используют те же оптические элементы, что и в компенсаторах: клинья, линзы, плоскопараллельные пластины, призмы Дове, Пехана и многие др.

Широкое применение в этих системах находят вращающиеся или качающиеся плоские зеркала.

Сканирование в двумерном пространстве осуществляется:

- - колебанием зеркала с разными скоростями вокруг осей вращения, лежащих в плоскости зеркала;

- - вращением зеркала вокруг осей, не лежащих в его плоскости. В зависимости от соотношения между скоростями колебаний зеркала меняется вид развертки.

Основные недостаткиэтих систем, как и оптических компенсаторов

- - это большая инерционность (хотя и меньшая, чем у механических сканирующих систем, где перемещается весь прибор, а не сравнительно небольшая деталь);

- - и малые углы отклонения лучей, т.е. небольшие w_обз.

Конструктивные особенности и формулы для габаритного расчета оптико-механических сканирующих систем рассмотрены в ряде монографий и учебных пособий [6, 10, 16 и многие др.].

Некоторые схемы, где в качестве сканирующих элементов служат зеркала, приведены на рис. 8.8.

Зеркала могут быть установлены:

- - в параллельных пучках лучей;

- - в сходящихся пучках лучей.

В первом случае они располагаются:

- - либо перед объективом ОЭП;

- - либо за телескопической приемной системой.

Зеркало, расположенное перед объективом (рис. 8.8, а), сканирует в пространстве предметов и позволяет применить узкопольный объектив; однако размеры этого зеркала должны быть большими и здесь трудно обеспечить высокие скорости сканирования, а также получить некоторые рациональные для ряда конкретных применений траектории развертки поля.

Рис. 8.8. Оптико-механические сканирующие системы: а — с колеблющимся перед объективом зеркалом; б — с телескопической системой и колеблющимся зеркалом; в — с колеблющимся зеркалом в сходящемся пучке лучей; г — с зеркальной вращающейся призмой; д — с многогранной вращающейся пирамидой.

Если разместить плоское зеркало в выходном зрачке телескопической приемной системы (рис. 8.8, б), т.е. также в параллельных пучках, то размеры зеркала уменьшатся в число раз, равное видимому увеличению телескопической системы, однако углы прокачки зеркала во столько же раз возрастут.

При построчном сканировании, осуществляемом при прокачке плоского зеркала с постоянной скоростью (см. рис. 8.8, а), средняя строка траектории будет прямой. Однако остальные строки будут искривлены вдоль оси, перпендикулярной оси качания зеркала, и в большей степени к краям поля. Ширина просматриваемой полосы растет от центра к краю. Форма поля обзора будет близка к трапеции. Коэффициенты искажения, определяемые отношением разности высот строк на краю и в центре к средней высоте, для углов обзора в ±10° составляют около 3%, а различие в длинах строк (размер вдоль оси качания зеркала) — около 5%. В таких системах также необходимо учитывать перспективные искажения, имеющие место при построении изображений протяженных излучателей и полей.

Значения перспективных искажений определяются изменением размеров проекции одного элемента разложения, например, чувствительной площадки приемника (одного элемента), на просматриваемую (сканируемую) плоскость предметов. Если рассмотреть схему сканирования, представленную на рис. 8.9, где в точке О расположен ОЭП со сканирующей системой, осуществляющей строчное сканирование вдоль оси х, а сканирование вдоль оси у осуществляется путем переноса системы со скоростью V_y то легко увидеть, что на краю поля обзора 2W_x даже при 2W_y=0 будут иметь место отклонения размеров проекции элементов разложения на плоскость предметов от размеров этой проекции при наблюдении в надир, т.е. вниз по вертикали.

Для произвольного положения мгновенного углового поля сканирующей системы, определяемого некоторым текущим угловым положением (W¢_x,W¢_у ) оси, проходящей через центр элемента разложения и узловую точку объектива, размеры проекции элемента разложения на плоскость предметов равны (см. рис. 8.9):

При малых 2W_x эти размеры на краю поля обзора будут

В надире, т.е. при W¢_у=0,

где w_х и w_у — половины мгновенных угловых полей по осям х и у соответственно.

Рис. 8.9. К определению значений перспективных искажений

При расположении элемента разложения, например, элемента приемника с размерами dx и dy по осям х и у в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием f¢, т.е. при dx » 2f¢w_x и dy »2f¢w_y последние выражения можно переписать в следующем виде:

Используя многоэлементные приемники излучения и применяя специальные схемы построения и алгоритмы обработки сигналов, снимаемых с линейки или матрицы сканирующих элементов, можно ослабить влияние перспективных искажений или вообще устранить их. Известен способ борьбы с этими искажениями, при котором скорость опроса элементов приемника по направлению сканирования изменяется от точки надира к краю поля обзора обратно пропорционально закону изменения l_x, а в поперечном направлении ведется объединение нескольких элементов приемника в один (электрически) по мере ростаW¢_у.

При размещении зеркала в сходящемся пучке за объективом (рис. 8.8, в) размеры зеркала невелики, что позволяет увеличить частоту сканирования. Однако объектив в такой схеме (схеме сканирования в пространстве изображений) должен быть широкоугольным. Основной недостаток такой схемы — расфокусировка изображений при переходе от центра плоскости изображений к ее краям, возникающая за счет кривизны поверхности, по которой движется изображение объекта при повороте зеркала. Для компенсации расфокусировки можно, например, использовать объектив с заранее рассчитанной кривизной поля, обратной по знаку компенсируемой кривизне, выполнять чувствительную площадку приемника криволинейной и т.д.

Одним из недостатковсканирующих плоских зеркал является малое значение h_с. Поэтому часто одиночное плоское зеркало заменяют многогранными зеркальными призмами и пирамидами (рис. 8.8, г, д). В этом случае значение h_c возрастает в число раз, равное числу зеркальных граней. В таких системах сокращается период сканирования, т.е. в них обеспечивается большая скорость сканирования. Однако размеры и масса этих устройств достаточно велики, что ограничивает из-за возможного разрушения (разрыва) призмы или пирамиды максимальную частоту их вращения:

где r₀ — радиус окружности, описанной вокруг многоугольника — сечения призмы или пирамиды; s_пр — прочность на разрыв; r — плотность материала призмы или пирамиды; h — коэффициент Пуассона.

Однако и для п<n_max при больших скоростях наблюдаются недопустимые искажения изображения из-за деформации отражающих граней.

Последовательно скашивая на небольшие углы грани многогранной призмы или барабана по отношению друг к другу, можно получить строчную развертку поля. Но и здесь значения h_с, как правило, невелики, как и размеры просматриваемых полей.

Преимущества и недостатки расположения этих элементов в параллельных или сходящихся пучках лучей те же, что и отмеченные выше для плоского зеркала.

Нужно отметить, что в системах, где развертка просматриваемого поля с помощью сканирующего (колеблющегося или вращающегося) элемента происходит лишь в одном направлении — вдоль строк, а в другом — за счет движения носителя, на котором расположен ОЭП, необходимо поддерживать строгое постоянное соответствие частоты сканирования скорости движения носителя. При несоблюдении этого условия возможны неконтролируемые наложения строк друг на друга или их пропуск. Часто сложность выполнения этого требования — основное препятствие на пути применения описанных схем.

Траектории вида окружности, спирали и некоторых других форм можно получить, если осуществлять сканирование зеркалом, вращающимся вокруг оси, не перпендикулярной к нему и не лежащей в его плоскости. Эти случаи рассмотрены, например, в работах [16, 30].

Принципиальным достоинством всех зеркальных сканирующих систем, обусловившим их широкое распространение, является возможность работать в широком спектральном диапазоне. Основные недостатки, помимо отмеченных, связаны с использованием механического привода.

Еще одну группу оптико-механических устройств составляют сканирующие преломляющие элементы - плоскопараллельные пластины, призмы, клинья. Принцип действия этих элементов тот же, что у однотипных компенсаторов (см. §5.6). Однако здесь осуществляется, как правило, не поворот преломляющего элемента на сравнительно небольшой угол, а его вращение с достаточно большой скоростью. Как следует из формул, приведенных в табл. 5.1, при небольших углах прихода лучей обеспечивается приблизительно линейное сканирование. Такие элементы, особенно работающие в сходящихся пучках, создают дополнительные аберрации — хроматические, сферическую, кому, астигматизм, а пластины и призмы — расфокусировку. Поэтому предпочтительнее их использование в параллельных пучках.

Достоинстваэтих устройств:

- - возможность получать достаточно стабильную скорость сканирования;

- - простота реализации строчной развертки за счет скашивания граней призм и различных спиральных и розеточных траекторий при использовании пары клиньев (см. рис. 5.9, в ), вращающихся с различной скоростью;

- - простота механизма привода.

Недостатки(основные):

- - большие потери потока за счет поглощения в материале элементов;

- - значительные аберрации и расфокусировки, ограничивающие поля обзора сравнительно малыми углами;

- - невысокие скорости сканирования вследствие инерционности привода и возможности разрушения элементов;

- - малые h_c;

- - образование дополнительных оптических помех за счет бликов на гранях.

В сканирующих системах с волоконно-оптическими элементами выходные части волокон или жгутов используют для перестройки поля или плоскости изображений таким образом, чтобы с помощью достаточно простого по конструкции коммутатора было удобно опрашивать отдельные элементарные участки поля обзора. Таким коммутатором может быть оптическая деталь, передающая потоки, выходящие из торцов волокон, на анализатор или приемник излучения. Коммутация при этом может осуществляться путем вращения или поворота этой детали (зеркала, пластины, клина и т.п.) подобно тому, как работают аналогичные компенсаторы. Перестройка структуры поля изображений с помощью волокон (например, из прямоугольной многострочной в однострочную линейную) позволяет применить более простой приемник, например линейку ПЗС вместо матрицы, или увеличить скорость сканирования. Такая перестройка позволяет в ряде случаев заметно уменьшить размеры и массу всей сканирующей системы и особенно подвижных оптических компонентов.

Иногда для сканирования применяют гибкие жгуты, торцы которых по определенной программе просматривают поле изображений, создаваемых объективом приемной оптической системы ОЭП.

Достоинстваволоконно-оптических систем:

- - конструктивная простота;

- - возможность трансформировать и кодировать изображение.

Недостатки

- - сравнительно большие потери сигнала в волокнах и жгутах.