ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР
INFRARED COLLIMATOR

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля параметров тепловизионных приборов наблюдения и сопровождения цели.
Известен инфракрасный коллиматор для контроля параметров оптико-электронных приборов (Патент US 4588253, МПК G02B 27/30, 1986 г.), содержащий объектив, два плоскостных излучателя, один из которых является фоновым, а другой - тест-объектом (мирой), узел поддержания температуры фонового излучателя.
Недостаток этого инфракрасного коллиматора заключается в том, что поддержание температуры фонового излучателя не обеспечивает поддержание разности температур между ним и окружающей средой, что даже при незначительном изменении температуры окружающей среды приводит к изменению разности температур, и, следовательно, к изменению уровня контрастного излучения.
Известен инфракрасный коллиматор (Свидетельство на полезную модель RU 29155, МПК G02B 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, имеющую температуру окружающей среды и размещенную в фокальной плоскости коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры миры, выход которого подключен к входу устройства управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя. Устройство управления поддерживает разность температур между фоновым излучателем и мирой (ΔT), обеспечивающую требуемое значение уровня контрастного излучения (ΔM) во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды.
К недостатку данного инфракрасного коллиматора можно отнести большую погрешность поддержания уровня ΔM и возможность поддержания лишь одного его значения.
Прототипом является инфракрасный коллиматор (Патент на изобретение RU 2470335, МПК G02 В27/30, 2012 г), содержащий объектив, узел мир, размещенный в фокальной плоскости коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры узла мир и измеритель разности температур между фоновым излучателем и узлом мир, блок управления, блок процессорный, соединенный с измерителем температуры узла мир, измерителем разности температур между фоновым излучателем и узлом мир, исполнительным элементом фонового излучателя и блоком управления.
Данный инфракрасный коллиматор может формировать на оптическом выходе инфракрасный сигнал с фиксированным одним размером тест-объекта и любым, в пределах рабочего диапазона, заданным оператором значением ΔM.
Тепловизионные приборы наблюдения и сопровождения цели работают в режиме слежения за удаляющимися или приближающимися целями. При этом, например, при удалении цели одновременно уменьшается ее наблюдаемый размер и, за счет прохождения сигнала от цели большего расстояния через атмосферу и, следовательно, большего затухания, уменьшается наблюдаемое значение ΔM.
Таким образом, для имитации инфракрасным коллиматором удаляющейся или приближающейся цели надо соответственно уменьшать или увеличивать ее размер и, в зависимости от того, каковы имитируемые атмосферные условия (туман, разреженный воздух и т.д.), одновременно уменьшать или увеличивать по соответствующему закону значение ΔM.
К недостатку прототипа можно отнести невозможность оперативного одновременного изменения величины ΔM и размера тест-объекта, что необходимо, например, для измерения обнаружительных характеристик тепловизионных приборов, работающих в режиме слежения за удаляющимися или приближающимися объектами, и контроля их параметров.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности автоматического одновременного изменения оператором, наряду с величиной ΔМ, размера тест-объекта, что позволяет измерять обнаружительные характеристики тепловизионных приборов, работающих в режиме слежения за удаляющимися или приближающимися объектами, и контролировать их параметры.
Технический результат достигается тем, что в инфракрасном коллиматоре, содержащем объектив, узел мир, размещенный в фокальной плоскости коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры узла мир, измеритель разности температур между фоновым излучателем и узлом мир, блок управления, блок процессорный, соединенный с измерителем температуры узла мир, измерителем разности температур между фоновым излучателем и узлом мир, исполнительным элементом фонового излучателя и блоком управления, согласно настоящему изобретению, узел мир содержит две миры в виде тонких непрозрачных пластин, установленных с зазором одна за другой в параллельных плоскостях перпендикулярно оптической оси коллиматора, каждая из которых имеет в центральной части сквозную прорезь треугольной формы, при этом оси симметрии прорезей находятся под углом друг к другу, причем миры установлены с возможностью одновременного возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, каждая вдоль оси симметрии своей прорези, перпендикулярно оптической оси коллиматора, образуя тест-объект четырехугольной формы с переменным размером, при этом каждая мира имеет привод и датчик перемещения, соединенные с блоком процессорным.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого инфракрасного коллиматора.
На фиг. 2, 3 и 4 представлен узел мир (вид А на фиг. 1), в котором оси симметрии прорезей мир находятся под углом друг к другу, соответственно 180°, 90° и углом α.
Инфракрасный коллиматор содержит объектив 1, узел 2 мир, фоновый излучатель 3, снабженный исполнительным элементом 4, измеритель 5 температуры узла 2 мир, измеритель 6 разности температур между фоновым излучателем 3 и узлом 2 мир, блок 7 управления, блок 8 процессорный, соединенный с измерителем 5 температуры узла 2 мир, измерителем 6 разности температур между фоновым излучателем 3 и узлом 2 мир, исполнительным элементом 4 фонового излучателя 3 и блоком 7 управления.
В фокальной плоскости объектива 1 инфракрасного коллиматора в пределах его глубины резкости размещены мира 9 и мира 10, снабженные, соответственно, приводами 11 и 12, и датчиками 13 и 14 перемещения, которые соединены с блоком 8 процессорным. Для удобства восприятия на фиг. 2, 3, 4 миры 9 и 10 изображены разноразмерными.
Миры 9 и 10 выполнены в виде тонких непрозрачных пластин, установленных с зазором одна за другой в параллельных плоскостях перпендикулярно оптической оси коллиматора.
Каждая из мир 9 и 10 имеет в центральной части сквозную прорезь треугольной формы, при этом оси симметрии прорезей находятся под углом друг к другу. Мира 9 размещена между мирой 10 и объективом 1, а мира 10 размещена между мирой 9 и фоновым излучателем 3.
Использование в качестве мир 9 и 10 тонких плоских непрозрачных пластин обеспечивает удобство размещения на них датчиков температуры и позволяет получить равномерный фон тест-объекта в выходном оптическом инфракрасном сигнале.
Кроме того, данная конструкция узла 2 мир, выполненная в виде двух несоприкасающихся пластин (мир 9 и 10), выдерживает без заклинивания жесткие условия эксплуатации: рабочий температурный диапазон от -50°С до +60°С, позволяет ввиду отсутствия трения между мирой 9 и мирой 10 использовать в качестве покрытия пластин материалы с высокой степенью черноты (но имеющие, как правило, малую стойкость к истиранию), что обеспечивает высокое качество оптического сигнала.
1
1
2
2
Миры 9 и 10 установлены с возможностью одновременного возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, каждая вдоль оси симметрии своей прорези, перпендикулярно оптической оси коллиматора, образуя при этом тест-объект четырехугольной формы (четырехугольник A-B-C-D на фиг. 2, 3 и 4) с переменным размером. Для этого миры 9 и 10 снабжены, соответственно, приводами 11 и 12, и датчиками 13 и 14 перемещения. Миры 9 и 10 приводами 11 и 12 могут одновременно перемещаться вдоль соответствующих осей симметрии К-M и К-М.
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
Точки К и К являются вершинами треугольных прорезей, через которые проходят их оси симметрии К-М и К-М, точки M и М - середины сторон треугольных прорезей, расположенных напротив вершин К и К.
1
2
1
2
Форма и размер тест-объекта узла 2 мир определяются взаимным расположением мир 9 и 10, при этом оси симметрии прорезей мир 9 и 10 находятся под углом друг к другу, например 180°, 90° или произвольным углом α (см. фиг. 2, 3 и 4). При движении мир 9 и 10 в сторону уменьшения размера тест-объекта возможно достижение совпадения точек К и Ких треугольных прорезей. Место совпадения точек К и К - точка N на фиг. 2, 3 и 4. Как правило, точку N располагают на оптической оси коллиматора.
1
1
2
2
1
2
При одновременном возвратно-поступательном перемещении мир 9 и 10 относительно друг друга - каждая вдоль оси симметрии своей прорези, соответственно, К-M и К-М, с соблюдением условия равенства отрезков К-N и K-N будет изменяться только размер тест-объекта с сохранением его формы.
1
2
1
2
Датчики 13 и 14 перемещения замеряют величины L и L смещения относительно точки N точек К и К мир 9 и 10 для образования тест-объекта A-B-C-D.
В качестве приводов 11 и 12 могут использоваться шаговые двигатели с линейным перемещением вала, а в качестве датчиков 13 и 14 перемещения могут использоваться, например, датчики типа Linear sensor 9615.
На фиг. 1 также показан контролируемый тепловизионный прибор 15.
1
2
1
2
Работает инфракрасный коллиматор следующим образом. Для одновременного автоматического поддержания требуемой величины ΔM и автоматической установки требуемого размера L (L) для образования тест-объекта A-B-C-D оператор вводит в блок 7 управления требуемые значения ΔM и L (L). При этом поддержание заданной оператором величины ΔM на оптическом выходе инфракрасного коллиматора происходит следующим образом.
м
Участок в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытый узлом 2 мир, создает за счет определенного нагрева или охлаждения фонового излучателя 3 и того, что температура Т узла 2 с мирами 9 и 10 равна температуре окружающей среды, контрастный, с определенным уровнем контрастного излучения ΔM поток инфракрасного излучения, который через объектив 1 направляется во входной зрачок контролируемого тепловизионного прибора 15.
В тепловизионном приборе 15 контрастное инфракрасное излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню ΔM.
м
Поддержание заданного оператором уровня ΔM в рабочем диапазоне температур окружающей среды Т обеспечивается за счет поддержания соответствующего уровня разности температур между фоновым излучателем 3 и узлом 2 мир  и осуществляется следующим образом.
м
С выхода измерителя 5 температуры узла 2 мир текущее значение Тчерез блок 8 процессорный подается в блок 7 управления, в который заранее вводится зависимость  полученная расчетным или эмпирическим путем.
м
Блок 7 управления, используя данную зависимость, вычисляет значение ΔТ, соответствующее заданному оператором значению уровня контрастного излучения ΔM и текущему значению температуры Т узла 2 мир. Это значение ΔТ передается в блок 8 процессорный, в который также поступает с измерителя 6 разности температур текущее значение ΔT.
1
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
Блок 8 процессорный сравнивает текущее и требуемое значения ΔT и выдает соответствующий их разности сигнал на исполнительный элемент 4 фонового излучателя 3, происходит нагрев или охлаждение излучателя 3, чем обеспечивается совпадение с заданной точностью требуемого и текущего значений ΔT, и, тем самым, поддержание заданного значения ΔM. Для одновременной с поддержанием заданного значения ΔM установки заданного оператором размера L для образования тест-объекта A-B-C-D, блок 7 управления транслирует заданное значение L в блок 8 процессорный, при этом заданное значение L берется равным заданному значению L. Одновременно с этим датчиками перемещения 13 и 14 замеряются и передаются в блок 8 процессорный текущие значения величин L и L. Блок 8 процессорный вычисляет разности между заданными и текущими значениями величин L и L и выдает соответствующие сигналы на приводы 11 и 12, которые перемещают соответственно миру 9 и миру 10 до совпадения с требуемой точностью требуемых и текущих значений L и L. Для динамического изменения размера тест-объекта A-B-C-D и величины ΔM в блок 7 управления вводятся зависимости  и  где t - время, по которым блок 7 вычисляет и передает в блок 8 процессорный периодически, через интервалы времени, обеспечивающие требуемую точность воспроизведения зависимостей  и  требуемые для текущего момента времени значения L и ΔT, по которым устанавливаются равные им текущие значения L и ΔT, а также текущее значение L, равное требуемому значению L, что обеспечивается одновременным возвратно-поступательным динамическим перемещением относительно друг друга мир 9, 10, при котором автоматически изменяется размер тест-объекта с сохранением его формы.
Таким образом, выполнение инфракрасного коллиматора в соответствии с предложенным техническим решением позволяет получать на выходе коллиматора инфракрасный сигнал с изменяемым пространственным размером и изменяемым уровнем контрастного излучения, что позволяет измерять обнаружительные характеристики тепловизионных приборов, работающих в режиме слежения за удаляющимися или приближающимися объектами, и контролировать их параметры.