ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области тепловизионной техники и может быть использована при изготовлении тепловизионных приборов для наблюдения объектов в любое время суток, а также в условиях плохой видимости (задымленность, осадки).
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели принят тепловизор, предназначенный для преобразования излучения наблюдаемого объекта в видеоизображение и используемый для ночного видения в различных областях деятельности человека. Тепловизор, ближайший аналог, включает корпус, закрепленный на корпусе тепловизора объектив и установленный в секции корпуса тепловизора матричный приемник инфракрасного излучения с термоэлектрическим стабилизатором его температуры. Матричный приемник инфракрасного излучения электрически связан с блоком обработки сигнала, который преобразует электрические сигналы, поступающие с матричного приемника инфракрасного излучения, в стандартный видеосигнал. С выхода блока обработки сигнала видеосигнал поступает на вход блока формирования видеоизображения, на экране которого наблюдатель видит наблюдаемый объект (RU 49664 U1, опубликовано 27.11.2005). Объектив ближайшего аналога теплоизолирован от внешней среды с помощью теплоизоляционной насадки, а от корпуса - с помощью теплоизоляционного кольца. Кроме того, тепловизор, ближайший аналог, включает охватывающую корпус матричного приемника инфракрасного излучения высокотеплопроводную не теплоемкую оболочку, имеющую отверстие, соразмерное и сопряженное с выходным зрачком объектива, а также термодатчик, установленный в тепловом контакте с корпусом матричного приемника инфракрасного излучения. Высокотеплопроводная нетеплоемкая оболочка и корпус матричного приемника инфракрасного излучения находятся в тепловом контакте друг с другом и теплоизолированы от корпуса тепловизора.
Для калибровки тепловизора-аналога используется «шторка» с механизмом привода, включающем электродвигатель, который размещен в секции блока обработки сигнала. Для установки «шторки» в исходное положение в высокотеплопроводной не теплоемкой оболочке выполнен «карман».
Для поддержания температуры высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и, следовательно, корпуса матричного приемника инфракрасного излучения стабильной, в тепловизоре-аналоге используют дополнительный термоэлектрический стабилизатор, который своими спаями находится в тепловом контакте с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой, корпусом матричного приемника инфракрасного излучения и корпусом тепловизора. В другом варианте реализации тепловизора-аналога, для поддержания температуры корпуса матричного приемника инфракрасного излучения, вместо дополнительного термоэлектрического стабилизатора используют электронагреватель, который своей рабочей (нагреваемой) поверхностью контактирует с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника инфракрасного излучения. В данном случае также предусмотрена возможность установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса матричного приемника инфракрасного излучения с корпусом тепловизора путем установки в сквозные отверстия, выполненные в корпусе тепловизора, дополнительных элементов («пробок», стержней), выполненных с использованием теплоизоляционных или теплопроводящих материалов.
При работе тепловизора-аналога в условиях низкой температуры окружающей среды корпус матричного приемника инфракрасного излучения подогревают, для чего, путем подачи напряжения питания определенной полярности, спай дополнительного термоэлектрического стабилизатора, контактирующий с корпусом матричного приемника инфракрасного излучения и с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой, делают «горячим». При работе тепловизора-аналога в условиях высокой температуры окружающей среды корпус матричного приемника инфракрасного излучения охлаждают, для чего, путем изменения полярности питающего напряжения, спай дополнительного термоэлектрического стабилизатора, контактирующий с корпусом приемника инфракрасного излучения и с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой, делают «холодным». Для регулирования температуры корпуса матричного приемника инфракрасного излучения вместо дополнительного термоэлектрического стабилизатора может быть использован электронагреватель. Таким образом, в тепловизоре-аналоге стабилизируется поток излучения, падающего на чувствительные элементы матричного приемника инфракрасного излучения. Конструкция тепловизора, ближайшего аналога, позволяет устранить негативное, зависящее от изменения температуры окружающей среды, влияние внутриприборного излучения на качество изображения, тем самым обеспечивает работу в широком диапазоне температур окружающей среды. Однако, наличие в корпусе тепловизора-аналога большого количества элементов и узлов (высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка с «карманом» для «шторки», «шторка» с приводом и электродвигателем, термодатчик, термоэлектрические стабилизаторы или электронагреватель, теплоизоляция объектива и др.) обуславливает сложность конструкции, большие габариты и вес тепловизора-аналога, а также, трудоемкость при его изготовлении. Это является недостатком тепловизора, ближайшего аналога. Другим недостатком ближайшего аналога является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная ограниченной возможностью рассматривания изображения, сформированного на экране.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров и массы тепловизионного наблюдательного прибора, а также расширение его функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что тепловизионный наблюдательный прибор, содержащий инфракрасный объектив и последовательно связанные тепловой приемник инфракрасного излучения, выполненный в виде матрицы чувствительных элементов, блок обработки информации и блок формирования видеоизображения с экраном, согласно предлагаемой полезной модели дополнительно содержит блок памяти и окуляр, при этом инфракрасный объектив выполнен с возможностью малой подвижки вдоль оптической оси, блок памяти подключен к входу блока обработки информации и содержит значения коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы, а блок обработки информации выполнен с возможностью непрерывного измерения температуры чувствительных элементов матрицы и вычисления значений коэффициентов коррекции для текущих значений температуры каждого чувствительного элемента матрицы на основе заданных и содержащихся в блоке памяти значений коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы.
В заявляемую полезную модель введен блок памяти, который подключен к входу блока обработки информации и содержит значения коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы, а блок обработки информации выполнен с возможностью непрерывного измерения температуры чувствительных элементов приемника теплового излучения и вычисления значений коэффициентов коррекции для текущих значений температуры каждого чувствительного элемента на основе заданных и содержащихся в блоке памяти значений коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов. При этом инфракрасный объектив выполнен с возможностью малой подвижки вдоль оптической оси, позволяющей компенсировать смещение фокальной плоскости инфракрасного объектива из плоскости чувствительных элементов матрицы вследствие изменения окружающей температуры. За счет совокупности указанных признаков заявляемой полезной модели становится возможным компенсировать ухудшение качества изображения, связанное с изменением температуры окружающей среды без использования для этого дополнительных элементов и узлов, усложняющих конструкцию прибора и увеличивающих его массогабаритные параметры. То есть, обеспечивается упрощение конструкции тепловизионного наблюдательного прибора, уменьшение его габаритов и массы при сохранении высокого качества получаемого видеоизображения наблюдаемых объектов.
Дополнительное введение в тепловизионный наблюдательный прибор окуляра расширяет его функциональные возможности, поскольку становится возможным рассматривать сформированные на экране видеоизображения наблюдаемых объектов в определенном поле зрения и настраивать изображение в соответствии с индивидуальными особенностями глаза оператора. Это позволяет использовать тепловизионный наблюдательный прибор в качестве монокуляра или бинокуляра при наличии кронштейна.
Выполнение инфракрасного объектива с малой подвижкой вдоль оптической оси позволяет также перефокусировать объектив на конечные расстояния до объектов наблюдения.
В одном из вариантов выполнения тепловизионного наблюдательного прибора инфракрасный объектив состоит из четырех компонентов, каждый из которых содержит положительный мениск, при этом первый, третий и четвертый по ходу лучей положительные мениски обращены вогнутостью к плоскости чувствительных элементов матрицы, а второй по ходу лучей положительный мениск обращен выпуклостью к плоскости чувствительных элементов матрицы. При этом первый, второй и четвертый по ходу лучей положительные мениски могут быть выполнены из германия, а третий по ходу лучей положительный мениск - из поликристаллического селенида цинка (стекла марки ПО).
В одном из вариантов выполнения тепловизионного наблюдательного прибора окуляр состоит из трех компонентов, при этом первый по ходу лучей компонент содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости экрана блока формирования изображения, второй по ходу лучей компонент содержит плосковыпуклую линзу, обращенную плоской поверхностью к плоскости экрана блока формирования изображения, третий по ходу лучей компонент содержит склейку из отрицательного мениска и плосковыпуклой линзы.
Окуляр может быть выполнен с возможностью подвижки вдоль оптической оси.
Тепловой приемник инфракрасного излучения может быть выполнен в виде болометрической матрицы с разрешением, преимущественно, 160×120 или 384×288 пикселей.
Блок памяти, блок обработки информации и блок формирования видеоизображения могут быть реализованы на базе программируемых логических интегральных схем.
Вычисление коэффициентов коррекции для текущих значений температуры каждого чувствительного элемента матрицы на основе заданных коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы, может быть выполнено способом интерполяции.
Матрица чувствительных элементов, блок памяти и блок обработки информации могут быть совмещены и реализованы в виде единого модуля.
Поликристаллический селенид цинка (стекло марки ПО) соответствует требованиям ОСТ 3-6307-87 «Материал оптический поликристаллический марки ПО4».
На фигуре представлена функциональная схема заявляемого тепловизионного наблюдательного прибора.
Тепловизионный наблюдательный прибор содержит инфракрасный объектив 1 и последовательно связанные тепловой приемник инфракрасного излучения 2, блок обработки информации 3, блок формирования видеоизображения 4 с экраном 5, окуляр 6. К входу блока обработки информации 3 подключен блок памяти 7.
Тепловой приемник инфракрасного излучения 2 выполнен в виде матрицы чувствительных элементов. Блок памяти 7 содержит значения коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы теплового приемника инфракрасного излучения 2. Блок обработки информации 3 выполнен с возможностью непрерывного измерения температуры чувствительных элементов матрицы теплового приемника инфракрасного излучения 2 и вычисления коэффициентов коррекции для текущих значений температуры каждого чувствительного элемента матрицы на основе заданных и содержащихся в блоке памяти коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы. Объектив 1 выполнен с возможностью малой подвижки вдоль оптической оси. Объектив 1 может состоять из четырех компонентов, каждый из которых содержит положительный мениск. При этом первый по ходу лучей положительный мениск 8, третий по ходу лучей положительный мениск 10 и четвертый по ходу лучей положительный мениск 11 обращены вогнутостью к плоскости чувствительных элементов матрицы, а второй по ходу лучей положительный мениск 9 обращен выпуклостью к плоскости чувствительных элементов матрицы. При этом первый 8, второй 9 и четвертый 11 по ходу лучей положительные мениски могут быть выполнены из германия, а третий 10 по ходу лучей положительный мениск может быть выполнен из поликристаллического селенида цинка ОСТ 3-6307-87 «Материал оптический поликристаллический марки ПО4».
Окуляр может состоять из трех компонентов, при этом первый по ходу лучей компонент содержит отрицательный мениск 12, обращенный вогнутостью к плоскости экрана 5 блока формирования видеоизображения 4, второй по ходу лучей компонент содержит плосковыпуклую линзу 13, обращенную плоской поверхностью к плоскости экрана 5 блока формирования изображения 4, третий по ходу лучей компонент содержит склейку из отрицательного мениска 14 и плосковыпуклой линзы 15.
Окуляр может быть выполнен с возможностью подвижки вдоль оптической оси. Тепловизионный наблюдательный прибор работает следующим образом. Перед началом работы тепловизионного наблюдательного прибора проводят его калибровку и определяют значения коэффициентов коррекции для определенных значений температуры чувствительных элементов матрицы, которые обеспечивают требуемое высокое качество изображения, отображаемого на экране 5 блока формирования видеоизображения 4. Полученные при калибровке значения коэффициентов коррекции записывают в блок памяти 7. С блока обработки информации 3 задают параметры работы матрицы чувствительных элементов (уровень сигнала, чувствительность, внутренняя температура). При наблюдении объектов объектив 1 фокусирует инфракрасное излучение объектов наблюдения в плоскости чувствительных элементов матрицы теплового приемника инфракрасного излучения 2. Чувствительные элементы матрицы преобразуют принятое ими инфракрасное излучение в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрические сигналы, параметры которых соответствуют температуре чувствительных элементов матрицы. Электрические сигналы с каждого чувствительного элемента матрицы теплового приемника инфракрасного излучения 2 усиливаются и поступают в блок обработки информации 3, где преобразуются в видеосигнал. При этом блок обработки информации 3 непрерывно измеряет температуру чувствительных элементов матрицы и вычисляет коэффициенты коррекции для текущих значений температуры каждого чувствительного элемента матрицы на основе заданных, полученных на этапе калибровки прибора, коэффициентов коррекции, соответствующих определенным значениям температуры чувствительных элементов матрицы. С учетом вычисленных коэффициентов коррекции блок обработки информации 3 корректирует параметры формируемого им видеосигнала, тем самым, компенсирует его искажения из-за неоднородности параметров электрических сигналов чувствительных элементов матрицы, связанной, в том числе, с изменением температуры окружающей среды. Откорректированный видеосигнал поступает в блок формирования видеоизображения 4, на экране 5 которого формируется видимое изображение наблюдаемых объектов, которое рассматривается наблюдателем через окуляр 6. Наряду с этим, для компенсации смещения фокальной плоскости инфракрасного объектива 1 из плоскости чувствительных элементов матрицы, обусловленного влиянием температуры окружающей среды (термокомпенсации объектива), вращательным движением инфракрасный объектив 1 перемещают вдоль оптической оси: при температуре окружающей среды ниже 25°С объектив 1 перемещают в направлении по ходу лучей, при температуре окружающей среды выше +25°С объектив 1 перемещают в направлении, противоположном ходу лучей. Для настройки изображения в соответствии с особенностями глаз наблюдателя, окуляр 6 перемещают вращательным движением вдоль оптической оси.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели позволяет упростить конструкцию тепловизионного наблюдательного прибора, уменьшить его габаритные размеры и массу, при этом обеспечить высокое качество получаемого изображения наблюдаемых объектов, а также использовать тепловизионный наблюдательный прибор в качестве монокуляра или бинокуляра при наличии кронштейна, то есть, расширить его функциональные возможности.