КОЛЛИМАТОР ДЛЯ НАСТРОЙКИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
COLLIMATOR FOR TUNING MULTICHANNEL TELEVISION SYSTEM

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при юстировке и настройке телевизионных камер многоканальной телевизионной системы.
Известно устройство [1] на основе коллиматора, содержащее щелевую диафрагму, установленную в фокальной плоскости объектива коллиматора, которая подсвечивается лампой накаливания через конденсорные линзы и светофильтры, проекционный объектив и ПЗС линейку.
Недостатком устройства является наличие проекционного объектива и щелевой диафрагмы, качественное изображение которой требует дополнительной математической обработки.
Известно устройство [2] на основе коллиматора, включающее расположенные на одной оптической оси источник света, штриховую миру с заданной пространственной частотой, снабженную механизмом перемещения перпендикулярно оптической оси, объектив коллиматора, ТВ-камеру с ПЗС-матрицей для обработки измерительной информации, при этом для обеспечения равномерной засветки штриховой миры между источником света и штриховой мирой расположено молочное стекло, а для выделения определенного спектрального диапазона между молочным стеклом и штриховой мирой установлен светофильтр.
К недостаткам этого устройства относятся оптическое рассогласование объектива коллиматора и источника света, необходимость использования светофильтра, полихроматический источник света, механизм перемещения штриховой миры.
Перечисленная совокупность недостатков устройства приводит к низким эксплуатационным и оптическим параметрам, снижает степень надежности устройства из-за сложности конструкции и технологии изготовления узлов и их взаимной юстировки.
Дело в том, что лампа накаливания в качестве источника света излучает в широком диапазоне длин волн. Это означает, что для получения качественного изображения штриховой миры необходим объектив коллиматора, в котором обеспечена коррекция хроматических аберраций. Такое требование усложняет расчет, конструкцию, а также изготовление объектива. Оптическое согласование по спектру излучения предпринято за счет применения светофильтра, который усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства. Кроме того, использование лампы накаливания не является экономичным в силу того, что мал коэффициент преобразования электрической мощности в световую, и сама подводимая электрическая энергия питания лампы весьма существенна. Применение механизма перемещения штриховой миры вызывает необходимость применения высокоточной, а потому затратной, технологии изготовления отдельных деталей и приводит к значительным погрешностям при измерениях по второму информационному каналу.
Задачей изобретения является создание надежного в эксплуатации, простого в изготовлении, сборке и настройке коллиматора, позволяющего проводить работы одновременно с двумя камерами телевизионной системы, содержащего объектив, отличающийся малыми габаритами, простотой конструкции и изготовления, обеспечивающий во взаимосвязи с источником света требуемое качество изображения; надежный и экономичный источник света, оптически связанный с объективом для обеспечения требуемого качества изображения, создающий равномерную освещенность тест-объекта, обеспечивающий необходимую мощность излучения во времени и постоянную мощность излучения при изменении температуры, тест-объект, рассеивающий элемент и светоделительный блок, при этом перечисленные элементы расположены в корпусе коллиматора по одной оптической оси, а источник света, объектив и фотоприемник ТВ-камеры оптически согласованы между собой и с наблюдателем, причем выбранная длина волны видимого диапазона позволяет предварительно оценивать качество сборки коллиматора и проводить визуальную настройку его оптической системы.
Технический результат достигается тем, что в корпусе коллиматора на оптической оси расположены плата источника света, рассеивающий элемент, тест-объект, объектив и светоделительный блок, при этом объектив минимизирован по габаритам, оптимизирован по конструктивной простоте, технологической реализации и обеспечивает построение изображения тест-объекта в бесконечности с требуемым качеством изображения; источник света представляет собой матрицу последовательно включенных в электрическую схему светодиодов, излучающих в видимом диапазоне длин волне; светоделительный блок выполнен с возможностью разделения изображения тест-объекта, построенного объективом, на два геометрически и энергетически одинаковых изображения, что позволяет проводить работы одновременно с двумя камерами телевизионной системы, визирные оси которых параллельны между собой; при этом тест-объект и рассеивающий элемент - компоненты с заранее заданными параметрами.
Конструктивная простота объектива предполагает возможность получения некачественного изображения из-за комплекса монохроматических и хроматических аберраций. Ограничение рабочего спектрального диапазона объектива позволило свести к минимуму влияние хроматических аберраций (хроматизма положения, сферохроматизма), что позволило обеспечить требуемое качество изображения. Поэтому объектив выполнен для работы в узком спектральном диапазоне.
В отличие от прототипа необходимый спектральный диапазон выделяется не при помощи использования цветных фильтров, а формируется выбором источника света, обеспечивающего оптическую взаимосвязь источника света и объектива.
Источник света создает равномерную освещенность в плоскости тест-объекта в силу того, что дискретные элементарные излучатели расположены так, что геометрия их расположения подобна геометрии тест-объекта.
Кроме того, источник света комплектуется дискретными элементарными излучателями с предварительно обработанной шлифованием (для увеличения рассеяния) поверхностью излучения. Такое дополнительное рассеяние в совокупности с рассеивающим элементом резко повышает равномерность освещенности в плоскости тест-объекта, что позволяет отказаться от использования конденсорной оптической системы.
Особое значение имеет оптическое согласование между наблюдателем, источником света, объективом и фотоприемником ТВ-камеры. Дело в том, что выбор одинаковой рабочей длины волны излучения, например λ=0,85 мкм, для источника света, объектива и фотоприемника ТВ-камеры является условием, необходимым для функционирования системы, но совсем недостаточным для включения в процесс настройки наблюдателя. Ввиду этого рабочая длина волны выбрана такой, чтобы осуществить визуальную настройку коллиматора.
Необходимый уровень освещенности в плоскости тест-объекта вне зависимости от времени обеспечивается выставлением мощности излучения источника света на уровень, обеспечивающий значительное превышение минимального порога освещенности тест-объекта.
Постоянство излучаемой источником света мощности при изменении температуры достигается введением в электрическую схему питания сопротивления, величина которого изменяется в зависимости от температуры. Выставив определенное значение тока в электрической цепи питания при определенных величинах термосопративления и температуры, получим это же значение тока в цепи при колебаниях температуры от выставленного значения.
Равномерность освещенности тест-объекта достигается также включением дискретных элементарных излучателей в последовательную цепь. При этом через каждый излучатель протекает одинаковый ток, что вызывает одинаковую излучаемую мощность каждым элементарным излучателем.
Элементарные излучатели, из которых состоит источник света, располагаются от тест-объекта с рассеивающим элементом на расстоянии, которое определяется выражением:
где l - расстояние между поверхностью дискретных элементарных излучателей и плоскостью тест-объекта; I - сила света элементарного дискретного излучателя; Е - освещенность светлого фона в плоскости тест-объекта; а - коэффициент равномерности, зависящий от геометрических и оптических параметров отдельного дискретного элементарного излучателя и их количества в электрической схеме, геометрии их расположения на плате.
T-T
ИИ
где S - площадь тест-таблицы, S - площадь платы источника света.
ИИ
где k - коэффициент заполнения дискретными элементарными излучателями платы с площадью S (может принимать значения в диапазоне величин 0,3-1);
П
U - напряжение питания электрической схемы;
С
U - напряжение питания дискретного элементарного излучателя;
- количество дискретных элементарных излучателей на плате источника света;
С
S - площадь излучающей поверхности дискретного элементарного излучателя.
Объектив коллиматора оптически сопряжен со светоделительным блоком. Определенное положение светоделительного блока относительно объектива, как показали теоретические на основе компьютерного моделирования и практические исследования, позволяют получить как в первом, так и, в особенности, во втором телевизионных каналах световые потоки достаточной мощности и равной величины. Это особенно важно в случае, если телевизионные камеры различаются входными оптическими параметрами.
Заявленная совокупность отличительных признаков направлена на получение заявленного технического результата.
Заявленный коллиматор изображен на фиг.1. Коллиматор содержит корпус 1, объектив 2 в оправе 3, тест-объект 4, рассеивающий элемент 5, плату 6 с дискретными элементарными излучателями 7, светоделительный блок 8, в держателе 9.
Заявленный коллиматор работает следующим образом. При включении электрической цепи элементарные дискретные излучатели освещают рассеивающий элемент, а через него - тест-объект, изображение которого объектив направляет на светоделительный блок. В светоделительном блоке поток делится на две равные части, каждая из которых попадает в соответствующий объектив каждой из ТВ-камер.
2
Опытные испытания прошел коллиматор следующего конкретного исполнения. В корпусе из материала Д16Т размещена плата с 12-ю светодиодами, которые расположены в 4 ряда по 3 светодиода в каждом (фиг.2). Они расположены в прямоугольнике с размерами 24×32 мм. Поверхности линз светодиодов сошлифованы на глубину 1,5 мм от вершины первоначальной сферы. Светодиоды включены в последовательную цепь с напряжением питания 27 В и «гасящим» сопротивлением 150 Ом, выполняющим роль термосопративления. Светодиоды типа КИПД136 В-К4 производства ОАО «Протон». Длина волны излучения λ=0,63 мкм.
2
При заданных значениях I=14 кд, E=1000 лк, k=0,3, значение коэффициента a=0,24 и расстояние между тест-объекта и поверхностью дискретных элементарных излучателей l≈30 мм. В конкретной реализации расстояние l было сокращено из-за наличия рассеивающего элемента. Таким образом, на расстоянии 25 мм от сошлифованных поверхностей светодиодов размещено молочное стекло (рассеивающий элемент) и на расстоянии 1 мм от него находится универсальная телевизионная тест-таблица ТИТ 0249 с размером рисунка 24×32 мм (размеры тест-таблицы соответствует сформированной геометрии расположения и размерам расположения светодиодов). В передней фокальной плоскости объектива расположена тест-таблица (фиг.3). Объектив имеет параметры: f'=100 мм, D/f'=1:2,5. Малые габариты и простота конструкции объектива достигается применением в объективе только двух сферических линз. Наличие у двух линз общего радиуса влечет за собой простоту их изготовления и сборки, а исполнение в виде склеенного блока - простоту центрировки в оправах объектива.
К объективу примыкает призменный блок (фиг.4), выполненный в виде призмы, в основе которой лежат светоделительный кубик и призма АР-90. Необходимо отметить разные габаритные размеры составной призмы: светоделителный кубик имеет меньшие габаритные размеры, чем призма АР-90. Это сделано для удобства монтажа составной призмы в конструкции держателя, т.к. в этом случае отсутствует нежелательная нагрузка на место склейки кубика.
Оптическая схема коллиматора приведена на фиг.5.
По итогам опытных испытаний коллиматор принят к серийному производству.
Источники информации
1. Бузанов В.И. КП ЦКБ «Арсенал» - ведущий разработчик оптических и оптико-электронных приборов и систем в Украине. Сб. МАК «Контенант» - 2002, октябрь, с.6-10.
2. Патент RU 2282170, G01M 11/02 - прототип.