ТЕПЛОВИЗОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области тепловидения, а именно к области преобразования инфракрасного излучения наблюдаемого объекта в видеоизображение и может быть использована для ночного видения в военной технике, в системах охраны, в полиции, а также в других областях деятельности человека.
Известен тепловизор, содержащий корпус, объектив, матричный приемник ИК-излучения с термоэлектрическим стабилизатором его температуры и электронный блок управления и обработки сигнала [1]. Матричный приемник ИК-излучения содержит помещенную в вакуумный корпус матрицу микроболометров с мультиплексором и термоэлектрическим элементом Пельтье. Объектив собирает излучение на чувствительных элементах матричного приемника ИК-излучения, который преобразует излучение в электрический сигнал. Электрический сигнал на выходе матричного приемника ИК-излучения содержит искажения, вызванные неоднородностью микроболометров. Эти неоднородности компенсируются в электронном блоке. Для этого проводится калибровка тепловизора, при которой в поле зрения помещают однородный источник излучения (например, «шторку») и для всех микроболометров вычисляют поправочные коэффициенты, использование которых при обработке сигнала дает однородный сигнал на выходе тепловизора.
Недостатком известного устройства является ухудшение качества изображения при изменении температуры окружающей среды, необходимость частой повторной калибровки тепловизора в процессе работы и при изменении температуры окружающей среды и ограниченный рабочий температурный диапазон окружающей среды. Это вызвано тем, что излучение от внутренних частей корпуса приемника и объектива попадает на микроболометры и дает вклад в выходной сигнал, разный для разных чувствительных элементов. Этот вклад учитывается при проведении калибровки. Однако при изменении температуры корпуса, вызванном внутренним тепловыделением в тепловизоре или изменением температуры окружающей среды, интенсивность излучения изменяется, что приводит к появлению некомпенсированного сигнала, который ухудшает качество
изображения. Качество изображения может быть восстановлено проведением повторной калибровки, однако на время калибровки нормальная работа тепловизора нарушается, что недопустимо для некоторых применений. Кроме того, при сильном изменении температуры окружающей среды излучение от корпуса может вывести приемник излучения за пределы линейного динамического диапазона.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и выбранным за прототип является тепловизор, содержащий корпус, объектив, матричный приемник ИК-излучения с термоэлектрическим стабилизатором его температуры. При этом матричный приемник ИК-излучения дополнительно содержит диафрагму, блокирующую излучение от корпуса и объектива [2]. Благодаря этому предотвращается ухудшение качества изображения при изменении температуры окружающей среды и расширяется рабочий температурный диапазон окружающей среды.
Недостатком прототипа является то обстоятельство, что используемый в нем матричный приемник ИК-излучения не является унифицированным. Более, того, поскольку отверстие в диафрагме должно быть оптически согласовано с объективом, то для каждой модификации тепловизора нужен специфический матричный приемник ИК-излучения. В одной из реализации прототипа предлагается тепловизор с диафрагмой, диаметр отверстия которого может изменяться, однако это достигается за счет существенного усложнения матричного приемника ИК-излучения. Использование неунифицированного матричного приемника ИК-излучения приводит к существенному удорожанию тепловизора.
Техническим результатом полезной модели является стабилизация потока излучения, падающего на микроболометры матричного приемника ИК-излучения, при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне температур.
При этом используется унифицированный матричный приемник ИК-излучения, не содержащий встроенной диафрагмы с отверстием, согласованным с объективом, благодаря чему значительно снижается стоимость тепловизора.
Технический результат достигается следующим образом. Полезная модель предполагает два варианта ее реализации, объединенных единым изобретательским замыслом.
В обоих вариантах тепловизор включает корпус, закрепленный на корпусе тепловизора объектив и установленный в секции корпуса тепловизора матричный приемник ИК-излучения с термоэлектрическим стабилизатором его температуры.
Кроме того, согласно предлагаемому техническому решению, в обоих вариантах, тепловизор дополнительно включает охватывающую корпус матричного приемника ИК-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 ИК-излучения. Высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка и корпус матричного приемника ИК-излучения находятся в тепловом контакте друг с другом.
Далее, согласно первому варианту реализации полезной модели, тепловизор включает дополнительный термоэлектрический стабилизатор, который одним из своих спаев находятся в тепловом контакте с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения, а другим из своих спаев находятся в тепловом контакте с корпусом тепловизора.
Высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка и корпус матричного приемника ИК-излучения в первом варианте полностью теплоизолированы от корпуса тепловизора.
Теплоизоляция высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса матричного приемника ИК-излучения от корпуса тепловизора может быть выполнена различным образом. Теплоизоляция из твердого теплоизоляционного материала может занимать лишь часть пространства между корпусом тепловизора и высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения (фиг.1). Оставшуюся часть пространства будет занимать воздух, также являющийся хорошим теплоизолятором. В другом варианте исполнения теплоизоляция из твердого материала может занимать все пространство между корпусом тепловизора и высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения.(фиг.2). Это позволит исключить передачу тепла путем конвекции и излучения.
Согласно второму варианту реализации полезной модели вместо дополнительного термоэлектрического стабилизатора тепловизор содержит электронагреватель, причем рабочая поверхность электронагревателя находятся в тепловом контакте с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения.
Согласно второму варианту реализации полезной модели высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка и корпус матричного приемника ИК-излучения конструктивно также как и в первом варианте
теплоизолированы от корпуса тепловизора. Однако в данном случае предусмотрена возможность установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса матричного приемника ИК-излучения с корпусом тепловизора.
Вариантов установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса матричного приемника ИК-излучения с корпусом тепловизора может быть множество. В данной заявке предлагаются лишь некоторые из них.
Для установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса приемника ИК-излучения с окружающей средой во втором варианте реализации полезной модели в корпусе тепловизора и теплоизоляции до высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки и корпуса матричного приемника ИК-излучения может быть выполнено, по крайней мере одно, сквозное отверстие. Однако для обеспечения равномерности теплоотвода желательно выполнение нескольких, равномерно расположенных по периметру корпуса тепловизора отверстий.
В одном из случаев выполнения второго варианта каждое из сквозных отверстий может быть снабжено двумя сменными «пробками», одна из которых выполнена из теплоизоляционного материала, а другая выполнена теплопроводной с возможностью, при ее установке в отверстии, теплового контакта с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения.
В другом из случаев выполнения второго варианта в каждом из сквозных отверстий может быть установлена нетеплопроводная трубка, снабженная размещенными на ее внутренней поверхности, по крайней мере одной теплопроводной вставкой, имеющей тепловой контакт с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой и корпусом матричного приемника ИК-излучения, и по крайней мере одной теплопроводной вставкой, имеющей тепловой контакт с корпусом тепловизора, а также установленный в нетеплопроводной трубке нетеплопроводный стержень, снабженный, размещенными на его внешней поверхности, по крайней мере одной теплопроводной накладкой, при этом теплопроводные накладки нетеплопроводного стержня выполнены с возможностью, при повороте стержня вокруг своей оси установки их в двух положениях, в одном из которых они не имеют теплового контакта с теплопроводными вставками, нетеплопроводной трубки, а в другом положении они находятся с ними в тепловом контакте, замыкая тепловую цепь от корпуса тепловизора до корпуса матричного приемника ИК-излучения.
Поперечное сечение нетеплопроводной трубки и нетеплопроводного стержня по форме может быть круглым, квадратным или другим симметричным относительно продольной оси.
Как в первом, так и во втором вариантах выполнения полезной модели внешняя поверхность корпуса тепловизора может быть выполнена зеркальной.
Как в первом, так и во втором вариантах выполнения полезной модели внешняя поверхность высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки может быть выполнена зеркальной.
Также, и в первом и во втором вариантах выполнения полезной модели внутренняя поверхность высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки может быть выполнена черненой.
Кроме того, как в первом, так и во втором вариантах выполнения полезной модели высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка может быть выполнена в виде полого цилиндра с плоскими кольцеобразными перегородками прикрепленными к его внутренней поверхности, установленного таким образом, что геометрическая ось цилиндра совпадает с оптической осью объектива, при этом внутренний диаметр отверстия в каждой из перегородок равен диаметру сечения сформированного объективом и проходящего через нее потока излучения.
Также, и в первом и во втором вариантах выполнения полезной модели высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка может быть выполнена в виде полого усеченного конуса с плоскими кольцеобразными перегородками, прикрепленными к его внутренней поверхности, установленного таким образом, что геометрическая ось усеченного конуса совпадает с оптической осью объектива, при этом внутренний диаметр отверстия в каждой из перегородок равен диаметру сечения сформированного объективом и проходящего через нее потока излучения.
Также в обоих вариантах выполнения полезной модели тепловизор может быть снабжен «шторкой» с имеющим электродвигатель механизмом ее привода, при этом электродвигатель привода «шторки» должен быть размещен вне секции размещения матричного приемника ИК-излучения, а высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка должна иметь «карман» для установки «шторки» в исходное положение.
В обоих вариантах выполнения полезной модели объектив может быть теплоизолирован от корпуса тепловизора и внешней среды.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен тепловизор для первого варианта выполнения полезной модели, с дополнительным термоэлектрическим стабилизатором, на фиг.2 изображен тепловизор для второго варианта выполнения полезной модели, с электронагревателем, на фиг.3 изображен фрагмент конструкции тепловизора, включающий нетеплопроводную трубку и установленный в нетеплопроводной трубке нетеплопроводный стержень.
Тепловизор включает корпус 1, закрепленный на корпусе 1 объектив 2, а также матричный приемник ИК-излучения 3, размещенный в секции 4 корпуса 1.
Объектив 2 теплоизолирован от внешней среды с помощью теплоизоляционной насадки 5, а от корпуса 1 с помощью теплоизоляционного кольца 6.
Матричный приемник ИК-излучения 3 охвачен высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7, имеющей отверстие 8 соразмерное и сопряженное с выходным зрачком 9 объектива 2 и плоские кольцеобразные перегородки 10, прикрепленные к ее внутренней поверхности, при этом внутренний диаметр отверстия в каждой из перегородок 10 равен диаметру сечения сформированного объективом 2 и проходящего через нее потока излучения.
Высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка 7 может быть выполнена в виде полого цилиндра (фиг.1) или полого усеченного конуса (фиг.2), установленных таким образом, что геометрическая ось цилиндра или конуса совпадает с оптической осью объектива 2.
Высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка 7 и корпус матричного приемника ИК-излучения 3 находятся в тепловом контакте друг с другом и теплоизолированы от корпуса 1 тепловизора с помощью теплоизоляции 11.
На корпусе матричного приемника ИК-излучения 3 в тепловом контакте с ним установлен термодатчик 12.
Внешние поверхности корпуса 1 тепловизора и высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 выполнены зеркальными.
Внутренняя поверхность высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 выполнена черненой.
Тепловизор для калибровки снабжен «шторкой» 13 с имеющим электродвигатель 14 механизмом ее привода. Электродвигатель 14 размещен в секции 15 блока управления матрицей и обработки сигнала 16. Выход блока управления матрицей и обработки сигнала 16 электрически подключен ко входу блока формирования видеоизображения 17.
Матричный приемник ИК-излучения 3 имеет входное окно 18, а высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка имеет «карман» 19 для установки «шторки» 13 в исходное положение.
В первом варианте реализации полезной модели (фиг 1) тепловизор содержит дополнительный термоэлектрический стабилизатор 20, который одним из своих спаев находятся в тепловом контакте с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7 и корпусом матричного приемника ИК-излучения 3 а другим из своих спаев находятся в тепловом контакте с корпусом 1 тепловизора. Электрически связанный с термодатчиком 12 источник питания 21 для дополнительного термоэлектрического стабилизатора 20, размещен в секции 15 корпуса 1 тепловизора.
Согласно второму варианту реализации полезной модели (фиг.2) тепловизор содержит электронагреватель 22, который своей рабочей
поверхностью находятся в тепловом контакте с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7 и корпусом матричного приемника ИК-излучения 3. Тепловизор выполнен с возможностью установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 и корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 с корпусом 1 тепловизора.
Во втором варианте реализации полезной модели для установления теплопроводной связи высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 и корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 с корпусом тепловизора в корпусе 1 тепловизора и в теплоизоляции 11 до высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 и корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 выполнено три сквозных, размещенных симметрично относительно продольной оси корпуса 1 тепловизора отверстия 23 (на фиг.2 показано только одно из отверстий).
В одном из случаев выполнения второго варианта (фиг.2) каждое из отверстий 23 может быть снабжено двумя сменными «пробками» 24, одна из которых выполнена из теплоизоляционного материала, а другая выполнена теплопроводной с возможностью при ее установке в отверстии 23 теплового контакта с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7 и корпусом матричного приемника ИК-излучения 3.
В другом из случаев выполнения второго варианта (фиг.3) в каждом из отверстий 23 может быть установлена нетеплопроводная трубка 25, снабженная размещенными на ее внутренней поверхности, по крайней мере одной теплопроводной вставкой 26, имеющей тепловой контакт с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7 и корпусом матричного приемника ИК-излучения 3, и по крайней мере одной теплопроводной вставкой 27, имеющей тепловой контакт с корпусом 1 тепловизора, а также установленный в нетеплопроводной трубке 25 нетеплопроводный стержень 28, снабженный, размещенными на его внешней поверхности, по крайней мере одной теплопроводной накладкой 29. Теплопроводные накладки 29 нетеплопроводного стержня 28 выполнены с возможностью, при повороте стержня 28 вокруг своей оси установки их в двух положениях, в одном из которых они не имеют теплового контакта с теплопроводными вставками 26 и 27 нетеплопроводной трубки 25 а в другом положении они находятся с ними в тепловом контакте, замыкая тепловую цепь от корпуса 1 тепловизора до корпуса матричного приемника ИК-излучения 3.
Электрическая схема соединения между собой термодатчика, дополнительного термоэлектрического стабилизатора 20 (элемента Пельтье) и источника питания для первого варианта выполнения полезной модели, а также электрическая схема соединения между собой термодатчика, электронагревателя и источника питания для второго варианта выполнения полезной модели являются широко известными из технической литературы и в данном описании не приводятся.
Тепловизор работает следующим образом. Инфракрасное излучение от наблюдаемого объекта, сфокусированное объективом 2, проходя через его выходной зрачек 9, отверстие 8 в высокотеплопроводной не теплоемкой оболочке 7 и входное окно 18 матричного приемника ИК-излучения 3 попадает на его матрицу микроболометров. В матрице микроболометров приемника ИК-излучения 3 принятое инфракрасное излучение преобразуется в электрический сигнал, который после прохождения блока обработки сигнала 16 преобразуется в стандартный видеосигнал, который поступает на вход блока формирования изображения 17, на экране которого наблюдатель и видит наблюдаемый объект.
Для калибровки матрицы матричного приемника ИК-излучения 3 «шторку» 13 с помощью электродвигателя 14 выводят из «кармана» 19 и устанавливают во второе крайнее положение, закрывая входное окно 18 матричного приемника ИК-излучения 3 от падающего излучения. При этом на матрицу попадает излучение от «шторки» 13, внутренней поверхности корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 и внутренней поверхности высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7. При калибровке вычисляются поправочные коэффициенты, обеспечивающие одинаковый сигнал на выходе от каждого микроболометра. После возвращения «шторки» 13 в исходное положение на выходе тепловизора создается сигнал только за счет излучения объекта, попадающего на матрицу через объектив 2 и входное окно 18. Не изменяющееся благодаря температурной стабилизации излучение от внутренней поверхности корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 и внутренней поверхности высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 компенсируется поправочными коэффициентами и не дает вклада в выходной сигнал. Имеющее паразитный характер излучение от корпуса тепловизора, интенсивность которого зависит от температуры окружающей среды, гасится на плоских кольцеобразных перегородках 10 высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7 и на ее черненой внутренней поверхности, не попадая во входное окно 18. Благодаря этому обеспечивается работа тепловизора в широком диапазоне температур окружающей среды.
Для поддержания температуры высокотеплопроводной не теплоемкой оболочки 7, а следовательно и температуры корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 стабильной, в первом варианте реализации полезной модели используют дополнительный термоэлектрический стабилизатор 20. При работе тепловизора в холодное время года или в местности с постоянно низкими температурами в приборе постоянно идет отвод тепла от корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 во внешнюю среду. Для подогрева корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 с целью поддержания его температуры стабильной, путем подачи напряжения питания определенной полярности спай дополнительного термоэлектрического стабилизатора 20, контактирующий с корпусом матричного приемника ИК-излучения 3 и с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7, делают «горячим».
При работе тепловизора в теплое время года или в местности с постоянно высокими температурами возникает необходимость в охлаждении корпуса матричного приемника ИК-излучения 3. Для этого путем изменения полярности питающего напряжения спай дополнительного термоэлектрического стабилизатора 20, контактирующий с корпусом приемника ИК-излучения 3 и с высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7, делают «холодным». Высокотеплопроводная не теплоемкая оболочка 7 выполнена высокотеплопроводной и не теплоемкой для ускорения процесса выравнивания температуры и уменьшения тепловой нагрузки на дополнительный термоэлектрический стабилизатор 20. Теплоизоляция объектива 2 от корпуса 1 тепловизора и внешней среды уменьшает тепловую нагрузку на дополнительный термоэлектрический стабилизатор 20.
В одном из случаев выполнения второго варианта исполнения полезной модели в холодное время года или в местности с постоянно низкими температурами для подогрева корпуса матричного приемника ИК-излучения 3, с целью поддержания его температуры стабильной, используют электронагреватель 22, который своей рабочей (нагреваемой) поверхностью контактирует с корпусом матричного приемника ИК-излучения 3. В этом случае в сквозные отверстия 23 устанавливают «пробки» 24 из теплоизоляционного материала. При работе тепловизора в теплое время года или в местности с постоянно высокими температурами в сквозные отверстия 23 вместо теплоизоляционных «пробок» 24 устанавливают «пробки» 24 из теплопроводящего материала до плотного (теплового) контакта с корпусом матричного приемника ИК-излучения 3 и высокотеплопроводной не теплоемкой оболочкой 7. Электронагреватель 22 в этом случае, в зависимости от соотношения температур корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 и внешней среды может включаться лишь изредка или вообще не включаться.
В другом случае выполнения второго варианта исполнения полезной модели в холодное время года или в местности с постоянно низкими температурами для подогрева корпуса матричного приемника ИК-излучения 3 с целью поддержания его температуры стабильной также используют электронагреватель 22, который своей рабочей (нагреваемой) поверхностью контактирует с корпусом матричного приемника ИК-излучения 3. В этом случае расположенный в нетеплопроводной трубке 25 нетеплопроводный стержень 28 поворачивают вокруг своей оси до полного разрыва теплового контакта теплопроводных накладок 29 с теплопроводными вставками 26.и 27. При работе тепловизора в теплое время года или в местности с постоянно высокими температурами расположенный в нетеплопроводной трубке 25 нетеплопроводный стержень 28 поворачивают вокруг своей оси до полного и надежного теплового контакта теплопроводных накладок 29 с теплопроводными вставками 26.и 27. Если нетеплопроводная трубка 25 и нетеплопроводный стержень 28
имеют не круглое сечение, то перед поворотом нетеплопроводный стержень 28 извлекается из нетеплопроводной трубки 25.
Таким образом, из вышеизложенного подтверждается возможность достижения заявленного в полезной модели технического результата, а именно, надежная стабилизация потока излучения, падающего на микроболометры матричного приемника ПК-излучения, при изменении в широком диапазоне температуры окружающей среды.
При этом используется унифицированный матричный приемник ИК-излучения, не содержащий встроенной диафрагмы с отверстием, согласованным с объективом, благодаря чему значительно снижается стоимость тепловизора.
Источники информации:
Шатент РФ №2121766 кл. МПК G 01 J 5/02, H 04 N 5/33 2. Патент США №6133569 кл. МПК G 01 J 5/26