ЦИФРОВОЙ КОЛЛИМАТОР
DIGITAL COLLIMATOR

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к контрольно-юстировочным приборам, используется для юстировки, контроля, измерения частотно-контрастных характеристик, определения элементов внутреннего ориентирования оптико-электронных приборов, а также оптико-электронных приборов, работающих в режиме временной задержки накопления (ВЗН).
Известен коллиматор [1], состоящий из расположенных на одной оси объектива, в фокальной плоскости которого помещен тест-объект, и осветителя. Осветитель состоит из источника излучения, конденсора и матового стекла. Тест-объект представляет собой полупрозрачную плоскопараллельную пластинку из оптического стекла, на поверхность которой нанесен рисунок. Размер и форма рисунка тест-объекта (точка, перекрестие, линейные или угломерные шкалы, штрихи, цифры и т.п.) выполняются для каждого применения отдельно.
Известный коллиматор не позволяет в процессе измерений изменять форму и размер рисунка тест-объекта, что необходимо для контроля оптико-электронных приборов с различными конфигурациями, характеристиками объектива, размерами пикселя, расположения фотоприемника и режимом ВЗН. Кроме этого коллиматор не позволяет осуществлять непрерывное изменение контраста в процессе контроля, что сказывается на продолжительности и трудоемкости процесса определения частотно-контрастных характеристик контролируемых оптико-электронных приборов.
Наиболее близким по технической сущности является прибор для контроля параметров оптико-электронных систем [2], содержащий последовательно расположенные на оптической оси объектив и держатель для размещения тест-объекта, а также систему подсветки. Система подсветки содержит два блока ламп, по три в каждом, установленных симметрично относительно оптической оси объектива с возможностью поблочного их включения. Хотя бы между одной из ламп и держателем для размещения тест-объекта установлены рассеиватель и ослабитель светового потока. Между объективом и контролируемой оптической системой может быть дополнительно введен ослабитель в виде нейтрального светофильтра. Это обеспечивает возможность создания широкого диапазона нормированных освещенностей в плоскости тест-объекта.
Известный прибор не позволяет в процессе контроля изменять форму и размер рисунка тест-объекта без замены тест-объекта, что необходимо для контроля оптико-электронных приборов с различными конфигурациями, характеристиками объектива, расположения фотоприемника и режимом ВЗН. Прибор позволяет формировать ограниченное число значений нормированных освещенностей тест-объекта за счет введения в оптическую схему прибора дополнительных компонентов в виде блоков ламп, ослабителей светового потока, рассеивателей, что усложняет конструкцию прибора, придает ему громоздкость и неудобство в эксплуатации.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции и снижение продолжительности контрольно-юстировочных операций за счет возможности изменения формы, размера и контраста рисунка тест-объекта.
Для решения поставленной задачи предложен цифровой коллиматор, включающий оптически связанные осветитель, тест-объект и объектив, новым является то, что в качестве тест-объекта использован модуль цифрового микрозеркального устройства, выход которого предназначен для подключения к компьютеру, содержит светоделитель и передающий объектив, расположенные между тест-объектом и объективом, при этом осветитель оптически связан с тест-объектом посредством указанного светоделителя, расположенного под углом к оптической оси цифрового коллиматора.
Использование в качестве тест-объекта модуля цифрового микрозеркального устройства, электрически связанного с компьютером, позволяет формировать любую форму, размер и контраст рисунка тест-объекта. Это делает его универсальным, позволяет экспериментально подобрать наилучший вид рисунка тест-объекта, который будет полностью соответствовать решаемой задаче. Поскольку нет необходимости в замене одних компонентов прибора на другие, то это позволяет снизить продолжительность и трудоемкость процесса определения частотно-контрастных характеристик контролируемых оптико-электронных приборов. Использование светоделителя позволяет расположить осветительный и проекционный каналы перпендикулярно друг другу, что упрощает конструкцию. Использование передающего объектива в цифровом коллиматоре позволяет расширить диапазон возможных размеров рисунка тест-объекта, получить изображение рисунка тест-объекта требуемого разрешения, соответствующего контролируемым оптико-электронным приборам.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена принципиальная оптическая схема цифрового коллиматора.
Цифровой коллиматор включает оптически связанные осветитель 1, тест-объект 2 и объектив 3. Между тест-объектом 2 и объективом 3 расположен светоделитель, выполненный в виде полупрозрачной пластинки 4, и передающий объектив 5. Осветитель 1 включает источник света 6, конденсор 7 и матовое стекло 8. Осветитель 1 оптически связан с тест-объектом 2 посредством полупрозрачной пластинки 4, установленной под углом к оптической оси цифрового коллиматора. Осветитель 1 установлен перпендикулярно оптической оси цифрового коллиматора и располагается так, что формирует изображение источника света 6 во входном зрачке системы, включающей передающий объектив 5 и объектив 3.
В качестве тест-объекта 2 использован модуль цифрового микрозеркального устройства, например DLP LightCrafter 4500 [3], включающий: цифровое микрозеркальное устройство, систему охлаждения, плату управления, содержащую контроллер, флеш-память, схему управления питанием и др. Цифровым микрозеркальным устройством (Digital Micromirror Device - DMD) является массив подвижных микрозеркал, установленных в ячейках памяти КМОП-матрицы. Микрозеркала способны поворачиваться на угол ±α относительно их положения покоя (плоское) Модуль цифрового микрозеркального устройства электрически связан с компьютером 9, таким образом, пользователь может управлять положением каждого микрозеркала в отдельности.
Полупрозрачная пластинка 4 расположена под углом к оптической оси цифрового коллиматора. Например, для угла поворота микрозеркал цифрового микрозеркального устройства α=12° полупрозрачная пластинка будет располагаться под углом 67° к оптической оси цифрового коллиматора. Использование полупрозрачной пластинки 4 позволяет расположить осветительный и проекционный каналы перпендикулярно друг другу, что упрощает конструктивную реализацию цифрового коллиматора.
Устройство работает следующим образом.
Устанавливают контролируемый оптико-электронный прибор перед цифровым коллиматором так, чтобы его оптический канал оказался напротив выходного зрачка объектива 3.
Исходя из параметров контролируемого оптико-электронного прибора (оптических характеристик объектива и размера пикселя приемника) пользователь задает форму, размер и контраст тест-объекта 2 в специальном программном обеспечении при помощи компьютера 9. Задавать форму, размер и контраст рисунка тест-объекта 2 при необходимости можно также в процессе работы с цифровым коллиматорм. Форма, размер и контраст рисунка тест-объекта 2 определяются положением микрозеркал. Управление положением каждого микрозеркала осуществляется независимо. Микрозеркало может принимать два рабочих положения относительно плоского: «+α» и «-α», например α=12°. Если зеркало находится в положении «+α», то падающий на него световой поток, отражаясь, распространяется вдоль оптической оси цифрового коллиматора и формирует рисунок тест-объекта 2. В положении «-α» световой поток отражается в сторону. Для задания требуемого контраста изображения тест-объекта 2 световой поток модулируется микрозеркалами путем задания пользователем частоты их колебаний, т.е. перехода микрозеркал из положения «+α» в «-α» за единицу времени.
Световой поток от осветителя 1 отражается от полупрозрачной пластинки 4 и освещает тест-объект 2, являющийся цифровым микрозеркальным устройством. Матовое стекло 8 создает равномерную засветку всех микрозеркал. Световой поток, отраженный от микрозеркал тест-объекта в положении «+α», распространяется вдоль оптической оси цифрового коллиматора, проходя полупрозрачную пластинку 4, попадает в передающий объектив 5. Передающий объектив 5 уменьшает или увеличивает размер рисунка тест-объекта 2, строит изображение тест-объекта 2 в передней фокальной плоскости объектива 3. Объектив 3 проецирует изображение тест-объекта 2 в бесконечность.
Далее изображение тест-объекта 2 формируется в плоскости приемника контролируемого оптико-электронного прибора. По изображению (форме, размеру, положению, контрасту) тест-объекта 2 в плоскости приемника контролируют параметры оптико-электронного прибора.
При контроле комплексов, состоящих из нескольких разных по оптическим характеристикам оптико-электронных каналов, задавать и изменять форму, размер и контраст рисунка тест-объекта 2 можно непосредственно в процессе контроля.
При определении частотно-контрастных характеристик контролируемого оптико-электронного прибора цифровой коллиматор позволяет осуществлять в процессе контроля изменение контраста с небольшим шагом. Это позволяет сформировать большое количество значений освещенности, что расширяет его область применения. Поскольку нет необходимости в замене компонентов цифрового коллиматора, как в прототипе, то это снижает продолжительность и трудоемкость контроля.
Таким образом, цифровой коллиматор расширяет функциональные возможности, имеет упрощенную конструкцию и позволяет снизить продолжительность контрольно-юстировочных операций за счет возможности изменения формы, размера и контраста рисунка тест-объекта в зависимости от оптических и геометрических параметров контролируемых оптико-электронных приборов и решаемых задач, в том числе в процессе контроля, без замены одного тест-объекта другим, при этом значения контраста тест-объекта могут изменяться с небольшим шагом, и позволяет контролировать оптико-электронные приборы, работающие в режиме ВЗН.
Источники информации
1. Гвоздева Н.П., Коркина К.И. Прикладная оптика и оптические измерения. М.: «Машиностроение», 1976. - 383 с. С.301-304.
2. BY 11759 C1 (ОАО «Пеленг»), 30.04.2009, весь документ - прототип.
3. TI DLP Technology and Products. http://www.ti.com/lit/pdf/dlpb010. Дата доступа 16.01.2015.