ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА

Полезная модель относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использована при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.
7
Известна оптическая система для тепловизионных приборов (см. патент RU 2449328 А1, МПК G02B 13/14, 23/12, публ. 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, длина от первой линзы до плоскости изображения 150 мм. Система содержит расфокусирующий элемент, установленный 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 являются небольшое фокусное расстояние и большая длина оптической системы.
7
max
min
Также известно оптическое устройство формирования изображения с ИК-калибровкой (см. патент FR 2928462 А1, МПК G02B 13/14, 15/16, H04N 5/235 публ. 11.09.2009 г.), содержащее входной объектив, проекционный объектив, приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой, блок обработки информации, блок позиционирования и блок калибровки. Фокусное расстояние системы изменяемое, причем максимальное фокусное расстояние f′=135 мм, минимальное - f′=25 мм. Устройство работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм, формат матрицы приемника излучения 384×288 элементов с шагом 15 мкм. Длина оптической системы устройства от первой линзы до плоскости изображения не менее 170 мм. В описанном устройстве предусмотрена калибровка, которая осуществляется перемещением двух линз, устанавливаемых в положении, обеспечивающем полную расфокусировку изображения от бесконечно удаленного объекта.
Недостатками описанного устройства являются большая длина оптической системы, небольшое линейное поле зрения, а также осуществление калибровки в результате перемещения двух оптических элементов.
7
1
2
2
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, выбранной в качестве прототипа, является оптическая система для инфракрасной камеры (см. патент US 5909307 А, МПК G02B 13/14, публ. 01.06.1999 г.), содержащая объектив и приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. Объектив работает в спектральном диапазоне 3...5 мкм и состоит из двух компонентов, при этом первый компонент выполнен в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы, второй компонент в целом положительный и содержит первую положительную выпукло-вогнутую, вторую отрицательную выпукло-вогнутую и третью двояковыпуклую линзы; вблизи первой линзы второго компонента расположена апертурная диафрагма. Фокусное расстояние объектива f′=22,1 мм, длина L от первой поверхности первого компонента до плоскости изображения 80 мм. Для оптической силы объектива φ, оптических сил первого φ и второго φ компонентов, расстояния между ними d и длины второго компонента d выполнены соотношения:
1
1) 0,5φ<-φ<0,7φ;
2
2) 0,55φ<φ<0,87φ;
3) 1,55/φ<d<1,98/φ;
2
4) d<2,1/φ.
К недостаткам описанной системы можно отнести следующее. При работе со стандартным приемником излучения, имеющим формат матрицы 640×512 с шагом элементов 15 мкм, элементарное поле зрения этой оптической системы составляет γ=15/f′=0,68 мрад, что не обеспечивает достаточного углового разрешения тепловизионного прибора. В описанной системе компенсация терморасфокусировки изображения осуществляется, предположительно, перемещением всего объектива, поскольку он имеет небольшие габаритные размеры, и при возрастании диаметров линз и длины (в случае увеличения фокусного расстояния системы) становится неприемлемой. Кроме того, в этой системе отсутствует возможность коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение углового разрешения тепловизионного прибора при обеспечении компенсации терморасфокусировки изображения и коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения перемещением одного из элементов системы.
1
2
Поставленная задача решается за счет того, что в оптической системе тепловизионного прибора, состоящей из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первый компонент, первая линза которого выполнена выпукло-вогнутой, и второй компонент, выполненный в виде двух выпукло-вогнутых линз, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, выход которого соединен с входом блока обработки информации, введены датчик температуры и блок позиционирования, подключенные к входу и выходу блока обработки информации соответственно, в первом компоненте объектива первая линза выполнена положительной и дополнительно введена отрицательная выпукло-вогнутая линза, при этом оптическая сила первого компонента в целом положительная, во втором компоненте первая линза выполнена отрицательной и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси под управлением блока позиционирования, вторая линза выполнена положительной, при этом оптическая сила второго компонента в целом отрицательная, а расстояния между первым и вторым компонентами d и между линзами второго компонента d удовлетворяют следующим условиям:
1
2
0,2f′<d<0,4f′; 0,1f′<d<0,2f′, где f′ - фокусное расстояние системы.
На фигуре 1 представлена оптическая схема тепловизионного прибора.
На фигуре 2 представлен ход лучей в системе с расположением элементов, соответствующим рабочему режиму (а) и режиму калибровки (б).
На фигуре 3 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы для температур 20, 60 и минус 50°С.
1
2
1
2
Оптическая система тепловизионного прибора состоит из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первый компонент I, включающий первую положительную 1 и вторую отрицательную 2 выпукло-вогнутые линзы, и второй компонент II, включающий подвижную первую отрицательную 3 и вторую положительную 4 выпукло-вогнутые линзы, при этом расстояния между первым и вторым компонентами d и между линзами второго компонента d удовлетворяют следующим условиям: 0,2f′<d<0,4f′; 0,1f′<d<0,2f′ (f′ - фокусное расстояние системы), приемника излучения 5 с охлаждаемой диафрагмой 6, выход которого соединен с входом блока обработки информации 7, датчика температуры 8, подключенного к входу блока обработки информации 7, и блока позиционирования 9, управляющего первой линзой 3 второго компонента II и подключенного к выходу блока обработки информации 7. Дополнительно показано устройство отображения информации (монитор) 10.
Блок обработки информации 7 может быть выполнен на основе микропроцессоров типа цифрового сигнального процессора TMS320 DM642 или подобного и микросхем памяти, обеспечивающих осуществление связей с блоком позиционирования 9 и датчиком температуры 8, электронную обработку сигнала и вывод его на экран монитора 10. Блок позиционирования 9 может быть выполнен в виде шагового двигателя, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси.
В таблице 1 приведены технические характеристики системы.
Конструктивные параметры конкретного примера исполнения объектива приведены в таблице 2.
В таблице 3 приведены значения перемещений линзы 3 в зависимости от температуры окружающей среды.
Как следует из таблицы 1, элементарное поле зрения этой оптической системы составляет γ=15/f′=0,13 мрад, что в 5 раз меньше, чем в прототипе, при этом ее длина увеличена незначительно. Конструктивное исполнение, при котором линза 3 установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, позволяет осуществлять компенсацию расфокусировки изображения при изменении температуры (см. фиг. 3) и частичную расфокусировку изображения для выполнения коррекции неоднородности чувствительных элементов приемника излучения (см. фиг. 2б).
Оптическая система тепловизионного прибора работает следующим образом. Инфракрасное излучение от бесконечно удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через линзы 1-4 первого I и второго II компонентов и фокусируется в плоскости чувствительных элементов приемника излучения 5, выходные сигналы с которого поступают в блок обработки информации 7, причем выходной зрачок системы совмещен с охлаждаемой диафрагмой 6.
В рабочем режиме показания датчика температуры поступают в блок обработки информации 7, сигнал с которого поступает в блок позиционирования 9. В соответствии с этим сигналом осуществляется перемещение линзы 3 вдоль оптической оси в заданное положение (см. таблицу 2) и устраняется расфокусировка изображения при изменении температуры.
В режиме калибровки сигнал от блока обработки информации 7 поступает в блок позиционирования 9, и линза 3 перемещается вдоль оптической оси в положение, при котором осуществляется частичная расфокусировка системы. Затем выходные сигналы с приемника излучения 5 поступают в блок обработки информации 7, где вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента приемника излучения 5, которые учитываются при формировании изображения в рабочем режиме, после чего скорректированное изображение выводится на экран монитора 10.
Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить его угловое разрешение при обеспечении компенсации терморасфокусировки изображения и коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения перемещением одного из элементов системы, что улучшает эксплуатационные характеристики прибора в целом.