Инфракрасный коллиматор

ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР
Предполагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и предназначена для контроля параметров тепловизионных приборов (ТВП).
Известен инфракрасный коллиматор для контроля параметров оптикоэлектронных приборов (Патент США №4588253, G02 В27/30, 1986 г.), который состоит из двух плоскостных излучателей, один из которых является фоновым, а другой - тест-объектом (мирой), устройства поддержания температуры фонового излучателя, а также зеркального объектива.
Недостаток этого инфракрасного коллиматора заключается в том, что поддержание температуры фонового излучателя не обеспечивает поддержание разности температур между ним и окружающей средой (далее разности температур), что даже при незначительном изменении температуры окружающей среды приводит к изменению разности температур, и, следовательно, к изменению уровня контрастного излучения.
Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является лабораторная у;ртановка для измерения минимальной разрешаемой разности температур. (См. Ллойд Д. Системы тепловидения. М. 1978 г. стр. 392, 393).
Установка представляет собой инфракрасный коллиматор, содержащий объектив (например, зеркальный), миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед плоскостным фоновым излучателем, снабженным нагревателем, устройство поддержания разности температур, выход которого подключен к нагревателю фонового излучателя.
изменении температуры окружающей среды и постоянном значении разности температур дает достаточно постоянный (ошибка не более 10 %) уровень контрастного излучения (См. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 1983 г., стр. 227, 228).
Недостатки идеологии подобной установки выявляются при проверке ТВП в широком диапазоне температур окружающей среды. Они заключаются, в первую очередь, в зависимости уровня контрастного излучения не только от разности температур, но и, в значительной степени, от абсолютного значения температуры окружающей среды. (См. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 1983 г., стр. 227, 228). Например, при изменении температуры окружающей среды от +40 °С до О °С и постоянном значении разности температур уровень контрастного излучения уменьшается более, чем в 2 раза.
Кроме того, параметры ряда элементов инфракрасного коллиматора (например, коэффициент пропускания в инфракрасной области спектра защитного окна инфракрасного коллиматора, в случае, если оно выполнено из германия) также сильно связаны с температурой окружающей среды.
Существенное влияние на соотношение уровня контрастного излучения и разности температур оказывают и параметры (например, коэффициент отражения) фонового излучателя и миры, которые из-за значительных допусков могут отличаться от образца к образцу.
Эти недостатки приводят к тому, что реальное значение уровня контрастного излучения будет сильно отличаться от задаваемого, что приводит к ошибкам при измерении параметров ТВН.
Для получения заданного значения уровня контрастного излучения оператор при работе с данной установкой должен для определенного значения температуры окружающей среды устанавливать соответствующее значение разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой (величину напряжения, которое при подаче на нагреватель обеспечивает требуемое значение разности температур), определяемое либо
расчетным путем (что из-за значительных донусков на материалы покрытий, наличия трудно учитываемых факторов и т.д. используется, как правило, только для оценок), либо путем использования данных, полученных в результате калибровки (градуировки) инфракрасного коллиматора по уровню контрастного излучения во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды, что осуществляется, например, компарированием исследуемого и образцового инфракрасных коллиматоров, и обеспечивает гораздо более высокую точность (см. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань. 1998 г., стр. 201).
Выполнение оператором таких операций сложно, может привести к ошибкам и не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды, что снижает точность поддержания уровня контрастного излучения.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения и исключение ошибок оператора.
Указанная цель достигается тем, что в инфракрасном коллиматоре, содержащем объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, устройство поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, выход которого подключен к нагревателю фонового излучателя, дополнительно введены устройство измерения температуры окружающей среды и корректор, вход которого подключен к выходу устройства измерения температуры окружающей среды, а выход - ко входу устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, а также тем, что устройство измерения температуры окружающей среды выполнено в виде последовательно соединенных датчика температуры окружающей среды, мостовой схемы и дифференциального усилителя, и тем, что корректор
выполнен в виде усилителя, N усилителей-ограничителей, причем N  1, и сумматора, при этом входы усилителя и усилителей-ограничителей объединены и подключены к выходу устройства измерения температуры окружающей среды, а их выходы соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен ко входу устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, а также тем, что устройство поддержания разности температур выполнено в виде усилителя мощности.
На фиг.1 представлена функциональная схема инфракрасного коллиматора, на фиг.2 - функциональная схема устройства измерения температуры окружающей среды, на фиг.З - функциональная схема корректора, на фиг.4 - графики зависимостей от температуры окружающей среды (Т ос) выходных напряжений узлов инфракрасного коллиматора.
Инфракрасный коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, установленную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, перед плоскостным фоновым излучателем 3, снабженным нагревателем 4, устройство 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем 3 и окружающей средой, выход которого подключен к нагревателю 4, устройство 6 измерения температуры окружающей среды, корректор 7, вход которого подключен к выходу устройства 6 измерения температуры окружающей среды, а выход - ко входу устройства 5 поддержания разности температур. На чертеже также показан контролируемый тепловизионный прибор 8.
Функциональная схема устройства 6 измерения температуры окружающей среды (фиг.2) может состоять из датчика 9 температуры окружающей среды, являющегося плечом мостовой схемы 10, сигнал с выхода которой подается на дифференциальный усилитель 11, подключенный выходом ко входу корректора 7.
усилителя 12 и усилителей-ограничителей 13 объединены между собой и являются входом корректора 7, подключенным к выходу устройства 6 измерения температуры окружающей среды, а их выходы подключены к соответствующим входам сумматора 14, выход которого является выходом корректора 7 и соединяется со входом устройства 5 поддержания разности температур.
Работает инфракрасный коллиматор следующим образом. Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2 (которая может быть выполнена, например, в виде зеркального покрытия, нанесенного на всю рабочую поверхность плоскостного фонового излучателя, за исключением нескольких участков в его центральной части, представляющих собой, например, параллельные друг другу полосы, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, создают за счет определенного подогрева фонового излучателя 3 и того, что зеркальная мира 2 отражает падающий на нее поток инфракрасного излучения от внутренней поверхности корпуса инфракрасного коллиматора (имеющей температуру, практически равную температуре окружающей среды), контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 8. В тепловизионном приборе 8 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.
Для поддержания заданного (постоянного) уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды необходимо соответствующим образом изменять уровень подогрева фонового излучателя 3 (величину напряжения, подаваемого на нагреватель 4) в зависимости от температуры окружающей среды. Эта зависимость. (UK) снимается при калибровке инфракрасного коллиматора во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды и приведена на фиг. 4.
в рассматриваемом инфракрасном коллиматоре изменение напряжения, подаваемого на нагреватель 4, с выхода устройства 5 поддержания разности температур (Us) при изменении температуры окружающей среды осуществляется автоматически в соответствии с зависимостью UK (зависимость Us является кусочно-линейной аппроксимацией с требуемой точностью зависимости UK и приведена на фиг. 4).
Автоматическое изменение величины напряжения, подаваемого на нагреватель 4, при изменении температуры окружающей среды повышает (за счет быстрой реакции на смену температуры окружающей среды) точность поддержания уровня контрастного излучения, исключает ошибки оператора и осуществляется следующим образом.
Сигнал с датчика 9 температуры окружающей среды, являющегося плечом мостовой схемы 10 устройства 6 измерения температуры окружающей среды, усиливается дифференциальным усилителем 11, и, в виде напряжения Un (см. фиг. 4), уменьщающегося при повышении температуры окружающей среды по закону, близкому к линейному (в случае, если датчик 9 температуры окружающей среды имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления), поступает на вход корректора 7 (на входы усилителя 12 и усилителей- ограничителей 13).
С выхода усилителя 12 на вход сумматора 14 подается напряжение U12. С выхода сумматора 14 напряжение Uu поступает на устройство 5 поддержания разности температур (которое может быть выполнено, например, в виде усилителя мощности) и с его выхода далее на нагреватель 4. Коэффициенты усиления по напряжению сумматора 14 и усилителя мощности (устройства 5 поддержания разности температур) равны единице, и, значит, величины напряжений UM и Us совпадают. Коэффициент усиления усилителя 12 выбирается таким, чтобы напряжения Us и UK совпадали (разность между ними не должна превыщать предельной величины, при которой еще обеспечивается заданная точность поддержания требуемого уровня контрастного излучения) в возможно больщем интервале рабочего диапазона температур окружающей среды (на фиг. 4 - это интервал от максимального
значения рабочего диапазона температур окружающей среды Тостах ДО Tod ) Уровень ограничения и коэффициент усиления первого усилителяограничителя 13-1 устанавливаются такими, чтобы до значений напряжения Uii, соответствующих величинам температур окружающей среды большим или равным TOC , напряжение на его выходе Un-i было равно нулю, а при значениях температуры окружающей среды, меньших Tod, напряжение Un-i было таким, чтобы в сумме с напряжением Ui2 (суммирование осуществляется сумматором 14) обеспечить с заданной точностью в возможно большем интервале совпадение напряжений Us и UK (на фиг.4 - это интервал температур окружающей среды от Tod и Тос2 )
Второй усилитель-ограничитель 13-2 настраивается так, чтобы до значений напряжения Un, соответствуюпщх величинам температур окружающей среды большим или равным Тос2, напряжение на его выходе Uo-a было равно нулю, а при значениях температуры окружающей среды, меньших Тос2, напряжение Ui3-2 было таким, чтобы в сумме с напряжениями Ui2 и Ujs-i обеспечить с заданной точностью в возможно большем интервале совпадение напряжений Us и UK (на фиг. 4 - это интервал температур окружающей среды
ОтТос2ДОТосз).
Так как в рассматриваемом случае (фиг. 4) величина Тосз меньше нижней границы рабочего диапазона температур окружающей среды TOC min, необходимости подключения третьего усилителя-ограничителя нет. В общем случае должно быть использовано такое количество усилителейограничителей, которое обеспечивает совпадение с заданной точностью напряжений UK и Us во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды.
7