УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
INFRARED IMAGING DEVICE

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.
7
Известна оптическая система для тепловизионных приборов (см. патент RU 2449328 Α1, ΜΠΚ G02B 13/14, 23/12, опубл. 27.04.2012 г.), содержащая входной и проекционный объективы, между которыми формируется промежуточное изображение, и матричный приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. Система имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 3…5 мкм, фокусное расстояние 60 мм, относительное отверстие 1:3, угловое поле зрения 5,76°×4,32°. Система снабжена расфокусирующим элементом, установленным с возможностью ввода-вывода его в оптический тракт. С помощью этого элемента осуществляется необходимая при работе инфракрасных систем коррекция неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения (калибровка).
Недостатками системы являются работа в одном поле зрения, малое относительное отверстие, потеря изображения объекта (цели) при калибровке в результате полной его расфокусировки.
7
Также известна инфракрасная система (см. патент RU 2378788 C2, МПК G02B 26/10, Η04Ν 5/33, опубл. 10.01.2010 г.), содержащая входной и проекционный объективы, между которыми формируется промежуточное изображение, два плоских зеркала и матричный приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. В систему введена система эталонного излучения, предназначенная для калибровки и содержащая источник эталонного излучения, конденсор и плоское зеркало, установленное с возможностью ввода-вывода в оптический тракт. Система имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 7,5…11 мкм, фокусное расстояние 102 мм, относительное отверстие 1:1,1.
Недостатками этой системы являются работа в одном поле зрения, потеря изображения объекта при калибровке в результате перекрывания потока излучения от объекта.
7
max
min
max
min
Наиболее близким по технической сущности и по количеству совпадающих признаков к заявляемому устройству является оптическое многофокальное устройство формирования изображения с ИК-калибровкой (см. патент FR 2928462 Α1, МПК G02B 13/14, 15/16, H04N 5/235 публ. 11.09.2009 г.), состоящее из инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования и блока калибровки, управляющего блоками обработки информации и позиционирования. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз, состоящую из первой положительной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы, вторую группу линз, состоящую из первой отрицательной двояковогнутой линзы (вариатора) и второй положительной двояковыпуклой линзы (компенсатора), одна из поверхностей которой выполнена асферической, плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси, и третью группу линз, состоящую из первой положительной вогнуто-выпуклой линзы, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы и третьей положительной выпукло-вогнутой линзы. Фокусное расстояние объектива может изменяться как дискретно, так и плавно за счет перемещения вариатора и компенсатора под управлением блока позиционирования, причем компенсатор служит для устранения сдвига плоскости изображения при изменении фокусного расстояния. Максимальное фокусное расстояние объектива f′=135 мм, минимальное - f′=25 мм, кратность изменения M=f′/f′=5,4. Между компенсатором и плоским зеркалом формируется плоскость промежуточного изображения, перенос которого в плоскость чувствительных элементов осуществляется третьей группой линз. Объектив предназначен для работы в спектральном диапазоне 3…5 мкм, с относительным отверстием 1:3 (диаметр входного зрачка при максимальном фокусном расстоянии 45 мм). Формат матрицы приемника излучения 384×288 элементов с шагом 15 мкм (линейное поле зрения при этом 5,76×4,32 мм). Апертурная диафрагма объектива совмещена с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, расположенной на расстоянии 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов.
В описанном устройстве предусмотрена калибровка, которая осуществляется с помощью второй группы линз, установленных в положении, обеспечивающем полную расфокусировку изображения от бесконечно удаленного объекта. В блоке обработки информации вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента матричного приемника излучения. В режиме визуализации, при котором излучение фокусируется с формированием изображения в плоскости фоточувствительных элементов приемника излучения, сигнал от каждого элемента изменяется с учетом корректирующих поправок. Скорректированное изображение поступает на устройство отображения (монитор).
Недостатками описанного устройства являются небольшая величина максимального фокусного расстояния, малое относительное отверстие и небольшое линейное поле зрения, а также потеря изображения цели при калибровке в результате полной его расфокусировки и отсутствие компенсации ухода (стабилизации) оси визирования при изменении фокусного расстояния и температуры, что влияет на точность обнаружения цели и определения ее координат.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и точности обнаружения цели и определения ее координат за счет увеличения фокусного расстояния, относительного отверстия и линейного поля зрения, а также обеспечения сохранения изображения объекта при калибровке и стабилизации оси визирования.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве формирования инфракрасного изображения, состоящем из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз из первой положительной и второй отрицательной выпукло-вогнутых линз, вторую группу линз из первой отрицательной двояковогнутой линзы, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и второй положительной двояковыпуклой асферической линзы, плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси, и третью группу линз из первой положительной, второй отрицательной выпукло-вогнутой и третьей положительной линз, при этом первая и вторая группы линз формируют промежуточное изображение в пространстве за плоским зеркалом, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования, управляющего первой линзой второй группы, и блока калибровки, управляющего блоком обработки информации, введен блок стабилизации, управляемый блоком калибровки, блок позиционирования управляется блоком обработки информации, в объективе первая линза второй группы выполнена асферической, в пространстве между плоскостью промежуточного изображения и первой линзой третьей группы дополнительно введена стабилизирующая положительная вогнуто-выпуклая линза, установленная с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси и управляемая блоком стабилизации, а в третьей группе линз первая линза выполнена выпукло-вогнутой, вторая линза выполнена асферической, третья линза выполнена двояковыпуклой.
На фигуре 1 представлена схема устройства формирования инфракрасного изображения.
На фигуре 2 представлена оптическая схема объектива устройства формирования инфракрасного изображения с ходом лучей, соответствующим узкому полю зрения (а) и соответствующим широкому полю зрения (б).
Устройство состоит из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз I из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 1 и второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2, вторую группу линз II из первой отрицательной двояковогнутой линзы 3, первая поверхность которой выполнена асферической, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и второй положительной двояковыпуклой линзы 4, одна из поверхностей которой выполнена асферической, установленной стационарно на оптической оси, плоское зеркало 5, установленное под углом к оптической оси, стабилизирующую положительную вогнуто-выпуклую линзу 6, установленную с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси, третью группу линз III из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 7, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 8, первая поверхность которой выполнена асферической, и третьей двояковыпуклой линзы 9, матричного приемника излучения 10 с охлаждаемой диафрагмой 11, соединенного с блоком обработки информации 12, блока позиционирования 13, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси, блока стабилизации 14, осуществляющего перемещение стабилизирующей линзы 6 перпендикулярно оптической оси, и блока калибровки 15. В пространстве между плоским зеркалом 5 и стабилизирующей линзой 6 формируется промежуточное изображение, которое стабилизирующей линзой 6 и линзами 7-9 третьей группы III переносится в плоскость фоточувствительных элементов приемника излучения 10, при этом апертурная диафрагма объектива совмещена с его охлаждаемой диафрагмой 11 и расположена на расстоянии ≈20 мм от плоскости фоточувствительных элементов. Блок калибровки 15 управляет блоками обработки информации 12 и стабилизации 14. Блок обработки информации 12 управляет блоком позиционирования 13. Дополнительно показано плоское зеркало 16, установленное между стабилизирующей линзой 6 и первой линзой 7 третьей группы III и изменяющее направление оптической оси с целью обеспечения компактности устройства, и монитор 17, на экране которого наблюдается сформированное изображение, присоединенный к выходу блока обработки информации 12.
Блок обработки информации 12 и блок калибровки 15 могут быть выполнены на основе микропроцессоров типа цифрового сигнального процессора TMS320 DM642 или подобного и микросхем памяти, обеспечивающих осуществление связей с блоками позиционирования 13 и стабилизации 14, электронную обработку сигнала и вывод его на экран монитора 17. В блок калибровки 15 также может входить датчик температур, данные с которого учитываются при стабилизации оси визирования. Блок позиционирования 13 может быть выполнен в виде шагового двигателя, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси. Блок стабилизации 14 может быть выполнен в виде двух шаговых двигателей, осуществляющих перемещение стабилизирующей линзы 6 в двух взаимно-перпендикулярных направлениях в плоскости, перпендикулярной оптической оси.
Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.
В таблице 2 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения объектива.
При сравнении характеристик объектива, приведенных в таблице 3, с аналогичными характеристиками прототипа видно, что относительное отверстие увеличено в 1,34 раза, максимальное фокусное расстояние - в 2,4 раза, а линейное поле зрения - в 1,7 раза. Это достигается выбором формы линз 7, 8, 9 третьей группы III, введением асферических поверхностей на линзах 3, 8 второй II и третьей групп III и выбором положения апертурной диафрагмы объектива относительно плоскости фоточувствительных элементов.
Введение стабилизирующей линзы 6, управляемой блоком стабилизации 14, позволяет выполнить калибровку устройства с сохранением изображения объекта, в связи с тем что она осуществляется смещением изображения относительно исходного положения на определенное количество элементов вверх-вниз и вправо-влево. Кроме того, перемещение стабилизирующей линзы 6 позволяет компенсировать уход оси визирования в пределах ±0,7 мрад в узком поле зрения с сохранением качества изображения, что обеспечивает ее стабилизацию при работе устройства.
Устройство для формирования инфракрасного изображения работает следующим образом. Инфракрасное излучение от бесконечно удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через линзы 1-4 первой I и второй II линзовых групп, отражается от плоского зеркала 5 и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзу 6, отражается от плоского зеркала 16, проходит через линзы 7-9 третьей группы линз III и фокусируется в плоскости фоточувствительных элементов матричного приемника излучения 10, выходные сигналы с которого поступают в блок обработки информации 12.
При перемещении линзы 3, управляемой блоком позиционирования 13, вдоль оптической оси происходит переключение полей зрения. Перемещение осуществляется в соответствии с приведенными в таблице 2 значениями переменных воздушных промежутков, при этом положение плоскости промежуточного изображения остается неизменным. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 11.
Функции калибровки и стабилизации оси визирования выполняются стабилизирующей линзой 6, управляемой блоком стабилизации 14. В блок стабилизации 14 поступают команды от блока калибровки 15, в соответствии с которыми осуществляется перемещение линзы 6 перпендикулярно оптической оси.
При калибровке в плоскости фоточувствительных элементов приемника излучения 10 происходит смещение изображения относительно исходного положения на определенное количество элементов вверх-вниз и вправо-влево. Выходные сигналы с матричного приемника излучения 10 поступают в блок обработки информации 12, где вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента. Функция калибровки может осуществляться как в узком поле зрения, так и в широком.
Для стабилизации оси визирования линза 6 смещается на величину, необходимую для компенсации ухода оси, вызванного изменениями температуры окружающей среды, как в узком поле зрения, так и в широком. Эту функцию можно также использовать для согласования оси визирования устройства при его работе в составе другого изделия.
Блок обработки информации 12 служит для управления блоком позиционирования 13, вычисления корректирующих поправок под управлением блока калибровки 15, учета их при формировании изображения и вывода скорректированного изображения на экран монитора 17.
Таким образом, выполнение устройства для формирования инфракрасного изображения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет увеличить фокусное расстояние, относительное отверстие и линейное поле зрение объектива, что одновременно с возможностью осуществления калибровки без потери изображения и стабилизации оси визирования обеспечивает повышение надежности и точности обнаружения объекта и определения его координат.