RU211190U1

RU211190U1 - DYNAMIC SCENE SIMULATION DEVICE

Info

Publication number: RU211190U1
Application number: RU2022103964U
Authority: RU
Inventors: Денис Юрьевич Васильев; Марина Юрьевна Воронько; Денис Алексеевич Егошин; Виталий Петрович Козырев; Виктор Иванович Курт
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2022-05-25

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в составе измерительной аппаратуры для тестирования и оценки характеристик оптико-электронных систем (ОЭС), предназначенных для работы в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Устройство имитации динамической сцены состоит из расположенных по ходу лучей осветительной системы, содержащей источник излучения с блоком управления интенсивностью излучения, зеркальный тоннель и систему переноса изображения, содержащую вогнутое зеркало, микрозеркальной матрицы с блоком управления положением микрозеркал и выходного объектива. В осветительной системе зеркальный тоннель выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды с прямоугольным основанием. Вогнутое зеркало системы переноса изображения выполнено сферическим, и дополнительно введено второе вогнутое сферическое зеркало. Выходной объектив выполнен коллимирующим. Технический результат - увеличение линейного поля зрения при обеспечении оптимального согласования с тестируемой системой. 2 ил., 1 таб.

The utility model relates to optical instrumentation and can be used as part of measuring equipment for testing and evaluating the characteristics of optoelectronic systems (OES) designed to operate in the visible and infrared spectral ranges. The device for simulating a dynamic scene consists of an illumination system located along the beams, containing a radiation source with a radiation intensity control unit, a mirror tunnel and an image transfer system containing a concave mirror, a micromirror matrix with a micromirror position control unit and an output lens. In the lighting system, the mirror tunnel is made in the form of a truncated tetrahedral pyramid with a rectangular base. The concave mirror of the image transfer system is spherical, and a second concave spherical mirror is additionally introduced. The output lens is made collimating. The technical result is an increase in the linear field of view while ensuring optimal coordination with the system under test. 2 ill., 1 tab.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в составе измерительной аппаратуры для тестирования и оценки характеристик оптико-электронных систем (ОЭС), предназначенных для работы в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра.The utility model relates to optical instrumentation and can be used as part of measuring equipment for testing and evaluating the characteristics of optoelectronic systems (OES) designed to operate in the visible and infrared (IR) spectral ranges.

Известен цифровой коллиматор (патент RU 2 664 542 С2, МПК G02B 27/30, H04N 5/74, G02B 26/08, опубл. 20.08.2018), состоящий из оптически связанных осветителя, тест-объекта, объектива, светоделителя и передающего объектива. Осветитель содержит источник излучения, конденсор, матовое стекло и установлен перпендикулярно оптической оси коллиматора. В качестве тест-объекта используется модуль цифрового микрозеркального устройства DLP LightCrafter 4500. Светоделитель расположен между тест-объектом и объективом под углом к оптической оси коллиматора и выполнен в виде полупрозрачной пластины.Known digital collimator (patent RU 2 664 542 C2, IPC G02B 27/30, H04N 5/74, G02B 26/08, publ. 20.08.2018), consisting of optically coupled illuminator, test object, lens, beam splitter and transmitting lens . The illuminator contains a radiation source, a condenser, frosted glass and is installed perpendicular to the optical axis of the collimator. The module of a DLP LightCrafter 4500 digital micromirror device is used as a test object. The beam splitter is located between the test object and the objective at an angle to the optical axis of the collimator and is made in the form of a translucent plate.

Недостатками описанного технического решения являются потери потока излучения, обусловленные низким коэффициентом пропускания матового стекла и прохождением через светоделитель, а также небольшое линейное поле зрения (13,8×8,64 мм).The disadvantages of the described technical solution are the loss of radiation flux due to the low transmittance of the ground glass and the passage through the beam splitter, as well as a small linear field of view (13.8×8.64 mm).

Также известно проекционное устройство (патент US 6 552 846 В1, МПК F21V 9/06, опубл. 22.04.2003), состоящее из расположенных по ходу лучей осветительной системы, содержащей источник излучения, конденсор в виде эллипсоидного зеркала, зеркальный тоннель в форме параллелепипеда, на внутренние поверхности которого нанесено многослойное покрытие с высоким коэффициентом отражения, и двухзеркальную систему переноса изображения отражающей сетки, установленной в плоскости освещения и выходного объектива, содержащего два зеркала.A projection device is also known (patent US 6 552 846 B1, IPC F21V 9/06, publ. 04/22/2003), consisting of an illumination system located along the rays, containing a radiation source, a condenser in the form of an ellipsoidal mirror, a mirror tunnel in the form of a parallelepiped, the inner surfaces of which are coated with a multilayer coating with a high reflection coefficient, and a two-mirror image transfer system of a reflective grid installed in the plane of illumination and an output lens containing two mirrors.

К недостаткам данного устройства можно отнести конструктивное исполнение выходного объектива, обеспечивающее линейное поле зрения не более 2 мм, что ограничивает возможности его использования.The disadvantages of this device include the design of the output lens, which provides a linear field of view of no more than 2 mm, which limits the possibility of its use.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности и количеству совпадающих признаков, выбранной в качестве прототипа, является система генерации динамической сцены для тестирования тепловизионных приборов (Автометрия, 2013, т. 49, №1, с. 80-85). Система состоит из расположенных по ходу лучей осветительной системы, содержащей источник излучения с блоком управления, зеркальный лабиринт в виде прямоугольного параллелепипеда, систему переноса изображения, включающую линзу, плоское зеркало и вогнутое параболическое зеркало, оптического модулятора в виде массива микрозеркал с блоком управления положением каждого микрозеркала и выходного проекционного объектива. Система предназначена для генерирования инфракрасных изображений в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм и обеспечивает разрешение 1024×768 пикселей с шагом 10,8 мкм.Closest to the claimed device in terms of technical essence and the number of matching features, selected as a prototype, is a dynamic scene generation system for testing thermal imaging devices (Avtometry, 2013, vol. 49, No. 1, pp. 80-85). The system consists of an illumination system located along the beams, containing a radiation source with a control unit, a mirror labyrinth in the form of a rectangular parallelepiped, an image transfer system including a lens, a flat mirror and a concave parabolic mirror, an optical modulator in the form of an array of micromirrors with a control unit for the position of each micromirror and output projection lens. The system is designed to generate infrared images in the spectral range from 3 to 5 µm and provides a resolution of 1024×768 pixels with a step of 10.8 µm.

К недостатку данной системы можно отнести небольшое линейное поле зрения, составляющее 11,059×8,294 мм, что ограничивает возможности использования и не позволяет тестировать, например широкоугольные ОЭС. Кроме этого, испытуемый тепловизионный прибор в прототипе устанавливается перед выходным проекционным объективом в сходящемся пучке лучей, что при тестировании широкоугольных ОЭС приведет к виньетированию наклонных пучков лучей.The disadvantage of this system is a small linear field of view of 11.059 × 8.294 mm, which limits the possibilities of use and does not allow testing, for example, wide-angle OES. In addition, the tested thermal imaging device in the prototype is installed in front of the output projection lens in a converging beam of rays, which, when testing wide-angle OES, will lead to vignetting of inclined beams of rays.

Задачей, на которую направлена полезная модель, является обеспечение возможности использования устройства имитации динамической сцены для тестирования широкоугольных ОЭС за счет увеличения линейного поля зрения при оптимальном согласовании с тестируемой системой.The objective of the utility model is to enable the use of a dynamic scene simulator for testing wide-angle OES by increasing the linear field of view with optimal matching with the system under test.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве имитации динамической сцены, состоящем из расположенных по ходу лучей осветительной системы, содержащей источник излучения с блоком управления интенсивностью излучения, зеркальный тоннель и систему переноса изображения, содержащую вогнутое зеркало, микрозеркальной матрицы с блоком управления положением микрозеркал и выходного объектива, согласно настоящей полезной модели, в осветительной системе зеркальный тоннель выполнен в виде усеченной четырехгранной пирамиды с прямоугольным основанием, вогнутое зеркало системы переноса изображения выполнено сферическим, и дополнительно введено второе вогнутое сферическое зеркало, а выходной объектив выполнен коллимирующим.The problem is solved due to the fact that in the device for simulating a dynamic scene, consisting of a lighting system located along the beams, containing a radiation source with a radiation intensity control unit, a mirror tunnel and an image transfer system containing a concave mirror, a micromirror matrix with a micromirror position control unit and the output lens, according to the present utility model, in the lighting system, the mirror tunnel is made in the form of a truncated tetrahedral pyramid with a rectangular base, the concave mirror of the image transfer system is made spherical, and a second concave spherical mirror is additionally introduced, and the output lens is made collimating.

На фигуре 1 представлена оптическая схема устройства имитации динамической сцены.The figure 1 shows the optical diagram of the device for simulating a dynamic scene.

На фигуре 2 представлена схема работы микрозеркала матрицы: (а) - базовое (плоское) положение, (б) - первое фиксированное положение +12°, (в) - второе фиксированное положение -12°.The figure 2 shows the scheme of the matrix micromirror operation: (a) - basic (flat) position, (b) - the first fixed position +12°, (c) - the second fixed position -12°.

Устройство имитации динамической сцены состоит из расположенных по ходу лучей осветительной системы 1, содержащей источник излучения 2 с блоком управления 3, зеркальный тоннель 4, выполненный виде усеченной четырехгранной пирамиды с прямоугольным основанием, и систему переноса изображения, содержащую два вогнутых сферических зеркала 5 и 6, микрозеркальной матрицы 7 с блоком управления 9 положением микрозеркал и выходного коллимирующего объектива 8. Дополнительно показано внешнее управляющее устройство 10, подключенное к блоку управления 9 положением микрозеркал.The device for simulating a dynamic scene consists of a lighting system 1 located along the beams, containing a radiation source 2 with a control unit 3, a mirror tunnel 4 made in the form of a truncated tetrahedral pyramid with a rectangular base, and an image transfer system containing two concave spherical mirrors 5 and 6, a micromirror matrix 7 with a control unit 9 for the position of the micromirrors and an output collimating lens 8. Additionally, an external control device 10 connected to the control unit 9 for the position of the micromirrors is shown.

В качестве источника излучения 2 используется излучатель соответствующего спектрального диапазона. Блок 3 служит для управления интенсивностью излучения за счет регулирования силы тока. Зеркальный тоннель 4 усеченной стороной пирамиды, имеющей прямоугольную форму и являющейся входным отверстием для потока излучения, обращен к источнику излучения 2, а прямоугольное основание пирамиды, являющееся выходным отверстием, обращено к вогнутому сферическому зеркалу 5. Выходной коллимирующий объектив 8 изображен условно, выбор его конструктивного исполнения определяется заданным спектральным диапазоном работы устройства. Микрозеркальная матрица 7 типа DLP 9500 представляет собой двумерный массив управляемых в цифровой форме алюминиевых микрозеркал с высоким коэффициентом отражения. Под действием электрического поля подложка с зеркалом принимает одно из двух фиксированных положений +12° (фиг. 2б) и -12° (фиг. 2в) относительно базового положения (фиг. 2а). Если подложка с зеркалом находится в положении «+12°», то падающее на нее излучение, отражаясь, распространяется вдоль оптической оси устройства и попадает в объектив 8. В положении «-12°» излучение отражается в сторону и не попадает в объектив. Входное окно стандартной микрозеркальной матрицы выполнено из материала, пропускающего излучение в видимом и ближнем ИК (до 2 мкм) диапазонах. Для использования устройства в спектральном диапазоне 3…5 мкм необходима замена материала его входного окна, например, на селенид цинка.As a source of radiation 2 is used emitter of the corresponding spectral range. Block 3 is used to control the radiation intensity by regulating the current strength. The mirror tunnel 4 with the truncated side of the pyramid, which has a rectangular shape and is the inlet for the radiation flux, faces the radiation source 2, and the rectangular base of the pyramid, which is the outlet, faces the concave spherical mirror 5. The output collimating lens 8 is shown conditionally, the choice of its constructive performance is determined by the specified spectral range of the device. The DLP 9500 Type 7 Micromirror Array is a two-dimensional array of digitally controlled high reflectance aluminum micromirrors. Under the action of an electric field, the substrate with a mirror assumes one of two fixed positions +12° (Fig. 2b) and -12° (Fig. 2c) relative to the base position (Fig. 2a). If the substrate with the mirror is in the “+12°” position, then the radiation incident on it, being reflected, propagates along the optical axis of the device and enters the lens 8. In the “-12°” position, the radiation is reflected to the side and does not enter the lens. The entrance window of a standard micromirror matrix is made of a material that transmits radiation in the visible and near-IR (up to 2 μm) ranges. To use the device in the spectral range of 3…5 µm, it is necessary to replace the material of its input window, for example, with zinc selenide.

В таблице приведены технические характеристики заявляемого устройства.The table shows the technical characteristics of the proposed device.

Из приведенных в таблице характеристик следует, что в заявляемом устройстве обеспечивается большее, чем в прототипе линейное поле зрения 20,736×11,664 мм, что позволяет использовать его для тестирования широкоугольных ОЭС. Увеличение линейного поля зрения достигается за счет выбранного конструктивного исполнения зеркального тоннеля (его формы, длины, соотношения размеров входного и выходного отверстий), а также за счет ввода второго сферического зеркала в систему переноса изображения.From the characteristics given in the table, it follows that the claimed device provides a larger linear field of view of 20.736×11.664 mm than in the prototype, which allows it to be used for testing wide-angle OES. An increase in the linear field of view is achieved due to the chosen design of the mirror tunnel (its shape, length, ratio of the inlet and outlet openings), as well as by introducing a second spherical mirror into the image transfer system.

Размеры входного отверстия, определяющиеся параметрами источника излучения, должны быть согласованы с размерами микрозеркальной матрицы. Обычно отношение короткой и длинной сторон входного отверстия соответствует отношению короткой и длинной сторон микрозеркальной матрицы. В соответствии с приведенными в таблице значениями размеров источника 7,8 мм и микрозеркальной матрицы 20,736×11,664 мм размеры входного отверстия составляют 12,4×7,8 мм. Выбором длины зеркального тоннеля определяются размеры выходного отверстия, обеспечивающие заполнение поверхности микрозеркальной матрицы излучением от источника (в заявляемом устройстве 22,6×14,2 мм).The dimensions of the inlet, determined by the parameters of the radiation source, must be consistent with the dimensions of the micromirror matrix. Typically, the ratio of the short and long sides of the inlet corresponds to the ratio of the short and long sides of the micromirror array. According to the dimensions of the 7.8 mm source and the 20.736×11.664 mm micromirror array given in the table, the dimensions of the inlet are 12.4×7.8 mm. The choice of the length of the mirror tunnel determines the size of the outlet, which ensures that the surface of the micromirror matrix is filled with radiation from the source (in the claimed device 22.6×14.2 mm).

Устройство работает следующим образом. Источник излучения 2 с помощью блока управления 3 создает поток излучения, который направляется на входное отверстие зеркального тоннеля 4. Многократно отразившись от его внутренних поверхностей, а затем последовательно от вогнутых сферических зеркал 5 и 6, поток излучения переносится в плоскость микрозеркальной матрицы 7 и освещает ее. Изображение имитируемой сцены загружается оператором во внешнее управляющее устройство 10 и в цифровом виде передается в блок управления 9 положением микрозеркал. Блок управления 9 обрабатывает полученные данные и обеспечивает управление положением микрозеркал путем колебаний с различной частотой. На освещенной потоком излучения поверхности микрозеркальной матрицы 7, установленной в фокальной плоскости объектива 8, формируется изображение имитируемой сцены, которое коллимирующим объективом 8 проецируется в бесконечность.The device works as follows. The radiation source 2, using the control unit 3, creates a radiation flux, which is directed to the inlet of the mirror tunnel 4. Having repeatedly reflected from its inner surfaces, and then sequentially from the concave spherical mirrors 5 and 6, the radiation flux is transferred to the plane of the micromirror matrix 7 and illuminates it . The image of the simulated scene is loaded by the operator into the external control device 10 and digitally transmitted to the control unit 9 for the position of the micromirrors. The control unit 9 processes the received data and controls the position of the micromirrors by means of oscillations with different frequencies. On the surface of the micromirror matrix 7 illuminated by the radiation flux, installed in the focal plane of the lens 8, an image of the simulated scene is formed, which is projected to infinity by the collimating lens 8.

Выполнение выходного объектива коллимирующим (проецирующим изображение в бесконечность) обеспечивает оптимальное согласование с тестируемой широкоугольной ОЭС за счет минимизации виньетирования наклонных пучков лучей.Making the output lens collimating (projecting the image to infinity) provides optimal matching with the tested wide-angle OES by minimizing vignetting of oblique beams of rays.

Перед выходным объективом 8 в параллельном пучке лучей устанавливается тестируемая ОЭС (на фиг. 1 не показана), в плоскости фотоприемной матрицы которой формируется изображение имитируемой сцены.In front of the output lens 8, in a parallel beam of rays, the tested OES (not shown in Fig. 1) is installed, in the plane of the photodetector matrix of which an image of the simulated scene is formed.

Таким образом, выполнение устройства имитации динамической сцены в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет тестировать широкоугольные ОЭС за счет увеличения линейного поля зрения при обеспечении оптимального согласовании с тестируемой системой, что расширяет возможности его использования.Thus, the implementation of the device for simulating a dynamic scene in accordance with the proposed technical solution makes it possible to test wide-angle OES by increasing the linear field of view while ensuring optimal matching with the system under test, which expands the possibilities of its use.

Claims

A device for simulating a dynamic scene, consisting of an illumination system located along the beams, containing a radiation source with a radiation intensity control unit, a mirror tunnel and an image transfer system containing a concave mirror, a micromirror matrix with a micromirror position control unit and an output lens, characterized in that in In the lighting system, the mirror tunnel is made in the form of a truncated tetrahedral pyramid with a rectangular base, the concave mirror of the image transfer system is made spherical, and a second concave spherical mirror is additionally introduced, and the output lens is made collimating.