ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к тепловизионным приборам (ТВП), и может быть использована для создания ТВП на основе матричных фотоприемников (МФП) инфракрасного (ИК) излучения, преимущественно на основе микроболометрических матриц (МБМ). При этом, без изменения конструкции ТВП могут быть реализованы его заданные технические характеристики, определяемые назначением и областью применения ТВП.
В настоящее время промышленностью выпускается большое количество типов ТВП, предназначенных для решения различных практических и научных задач. При этом достижение конкретных технических характеристик ТВП связано с применением определенной оптической системы (ИК - объектива), МФП и обеспечивающих его работу электрорадиоэлементов (ЭРЭ), образующих т.н. «обвязку» МФП, блока электронной обработки и преобразования видеосигнала (преобразование сигнала с МФП в требуемый формат - VGA, PAL и т.п., коррекция неоднородностей теплового изображения, компрессирование сигнала, а также другие действия, направленные на вывод изображения в требуемом качестве), блока питания. В итоге создается номенклатура ТВП, не взаимозаменяемых между собой по посадочным местам составных частей, присоединительным размерам и интерфейсам. Применение конкретных комплектующих, тип которых определяется поставленными при разработке ТВП техническими требованиями, приводит к разработке специализированных рам и корпусов приборов, не позволяющих в дальнейшем без их переработки проводить модернизацию или доработку ТВП для достижения новых, более высоких технических характеристик. При этом следует отметить, что использование унифицированного корпуса для создания широкой номенклатуры ТВП практически невозможно из-за большого разброса посадочных размеров оптических элементов (посадочная резьба, задний отрезок и т.п.), плат МФП и обеспечивающих его работу ЭРЭ, модулей преобразования видеосигнала, управления и питания.
Указанный подход, основанный на использовании жесткого несущего корпуса или массивной рамы прибора, характерен при конструировании большинства наблюдательных приборов. Известен прицел (Оптический прицел. Патент РФ №2568955 кл. МПК G02B 23/12, F41G 1/38), содержащий установленные в корпусе объектив, окуляр, визирную сетку и тубус с оборачивающей системой и оптической системой переменного увеличения. Такое построение прицела не позволяет изменять его оптические характеристики в заданном направлении (увеличение кратности, повышение угла поля зрения, увеличение выноса зрачка), т. к. любая замена оптических элементов приводит к изменению их рабочих отрезков, продольному смещению оптических элементов, изменению диаметров сопрягаемых поверхностей оптических элементов и корпуса и требует коренной переработки корпуса прибора.
Аналогичным недостатком также отличается прицел (Оптический прицел. Патент РФ №2294511 кл. МПК G02B 23/12, F41G 1/38), имеющий корпус сложной формы, в котором размещены объектив, прицельная марка, оборачивающая система, механизм перемещения прицельной марки, шкала дистанций, дальномерная шкала, окуляр и механизм изменения увеличения.
Для использования в ИК-диапазоне известен дневно-ночной прицел для стрелкового оружия (Дневно-ночной прицел со встроенным каналом подсветки объектов. Патент РФ №2451958 кл. МПК G02B 23/12). Прицел содержит дневной и ночной каналы, размещенные в общем корпусе. Применение общего корпуса прицела сложной формы не позволяет проводить последовательную модернизацию прицела путем замены его оптико-электронных, электронных и оптических элементов на более совершенные без существенного изменения конструкции корпуса, а по существу без разработки нового корпуса, что делает невозможным его модернизацию и постоянное повышение его характеристик в соответствии с достигнутым уровнем техники.
В принятом за прототип унифицированном ТВП (Унифицированный тепловизионный прибор. Патент РФ №2420770 кл. МПК G02B 23/12) имеется многоэлементное фотоприемное устройство (МФУ), оптическая система (ИК-объектив) для формирования ИК-изображения в плоскости чувствительных элементов МФУ, электронные блоки, объединенные на единой несущей раме. В состав электронных блоков входят модуль предварительной обработки сигналов, модуль обработки информации в виде модуля электронной обработки, модуль интерфейса управления, устройство управления и модуль питания. Модуль электронной обработки обеспечивает осуществление связей между модулем предварительной обработки сигналов, модулем интерфейса управления, модулем питания.
Использование в ТВП-аналоге единой несущей рамы, обеспечивающей установку конкретных составных частей прибора с вполне определенными габаритными и установочными размерами, не позволяет проводить широкую и глубокую модернизацию ТВП за счет его постепенного последовательного перевода на использование новых составных частей с улучшенными техническими характеристиками, а также приспосабливать его к решению новых задач за счет замены отдельных составных частей на новые с соответствующими поставленной задаче характеристиками.
Задачей, на которое направлено создание заявляемого устройства, является обеспечение возможности построения семейства ТВП с широким набором характеристик на общих интерфейсах.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в следующем:
- повышение технических характеристик ТВП: увеличение четкости изображения, снижение массы и объема ТВП, снижение минимально разрешаемой разности температур, повышение качества изображения, повышение быстродействия, обеспечение возможности работы в тепловом диапазоне 8…14 мкм;
- упрощение модернизации и снижение затрат на нее до уровня, соответствующего стоимости вновь вводимой составной части;
- исключение необходимости проведения существенной модернизаций систем и комплексов, в состав которых входит ТВП, при проведении модернизации последнего;
- снижение затрат на изготовление, проведение контроля и испытаний ТВП и его модификаций.
Указанная выше цель создания полезной модели реализуется за счет того, что наряду с имеющимися в прототипе МФУ, объективом для формирования ИК-изображения в плоскости чувствительных элементов МФП, модулями с унифицированными интерфейсами в составе модуля предварительной обработки сигнала, модуля управления, модуля электронной обработки, модуля питания и модуля интерфейсов имеются:
- несущий кронштейн с разъемной обоймой и стягивающими винтами;
- втулка для посадки (под обжим) в обойму кронштейна и внутренней резьбой, соответствующей посадочной резьбе ИК-объектива;
- затвор;
- резьбовая оправа с наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе втулки.
При этом:
- втулка с установленными в ней ИК-объективом и резьбовой оправой с установленным в ней затвором установлены в обойме несущего кронштейна;
- МФУ и модуль предварительной обработки сигнала расположены на первой плате, модули управления и электронной обработки видео - на второй плате, модуль питания и интерфейса - на третьей плате;
- торцевая поверхность резьбовой оправы и первая плата имеют единообразно расположенные отверстия для фиксации первой платы на оправе, причем отверстия в оправе выполнены резьбовыми;
- первая, вторая и третья платы имеют единообразно расположенные по их углам отверстия;
- имеются шпильки, стягивающие последовательно установленные через цилиндрические втулки первую, вторую и третью платы;
- первая плата обращена приемной площадкой МФУ в сторону ИК-объектива, а платы электрически соединены расположенными на них разъемами мезонинного типа.
Устройство соответствующего полезной модели ТВП поясняется на Фигуре.
ТВП, построение которого представлено на Фигуре, содержит МФУ 1, ИК-объектив 2 для формирования ИК-изображения в плоскости чувствительных элементов МФУ 1, объединенные модули с унифицированным интерфейсами в составе модуля предварительной обработки сигнала 3, модуля управления 4, модуля электронной обработки 5, модуля питания 6 и модуля интерфейса 7. Имеются несущий кронштейн 8 с разъемной обоймой, втулка 9 с внутренней резьбой, соответствующей посадочной резьбе ИК-объектива 2, затвор 10, резьбовая оправа 11 с наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе втулки 9. Втулка 9 с установленным в ней ИК-объективом и резьбовая оправа 11 с установленным в ней затвором 10 установлены в разъемной обойме несущего кронштейна 8. МФУ 1 и модуль предварительной обработки сигнала 3 расположены на первой плате 12, модули управления 4 и электронной обработки 5 - на второй плате 13, модули питания 6 и интерфейса 7 - на третьей плате 14. Торцевая поверхность резьбовой оправы 11 и плата 12 имеют единообразно расположенные отверстия, причем отверстия в резьбовой оправе 11 выполнены резьбовыми и служат для крепления первой платы 12 на торце резьбовой оправы 11 винтами. Первая 12, вторая 13 и третья 14 платы имеют единообразно расположенные по их углам отверстия и стянуты между собой шпильками 15 через установленные между платами цилиндрические шпильки 16. При этом первая плата 12 обращена приемной площадкой МФУ 1 в сторону ИК-объектива 2, а платы 12, 13 и 14 электрически соединены расположенными на них разъемами 17 мезонинного типа.
При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения.
В качестве МФУ 1 может быть использована МБМ фирм ULIS (Франция), DALI (Чжэцзян, КНР), North Guangwei Technology INC (Пекин, КНР). ИК-объектив 2 может быть использован отечественного производства фирм «БИК-информ», «ОПТОЛАБ», «OPHIR» (Израиль) (спектральный диапазон 8…14 мкм). Модули предварительной обработки сигнала 3, управлении 4, электронной обработки 5, питания 6 и интерфейса 7 могут быть построены на основе следующих ЭРЭ:
- аналого-цифровой преобразователь AD9240AS, цифро-аналоговый преобразователь ADV7127KRUZ50 производства фирмы Analog Devices;
- программируемый микроконтроллер ATMEGA128A-MU производства фирмы Microchip Technology или Amtel;
- программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) 5CEFA5U1917N производства фирмы Altera
- SDRAM IS43TR16256AL производства фирмы Integrated Silicon Solution Inc.
Несущий кронштейн 8, втулка 9 и резьбовая оправа 11 изготавливаются из металла с использованием типового станочного оборудования. Затвор 10, используемый при калибровке прибора, реализуется в виде шторки с приводом, перекрывающей в зоне, оптически сопряженной с входным зрачком ИК-объектива 2, поток излучения, идущий от объектов наблюдения. Печатная плата 12, 13 и 14 выполняются из фольгированного стеклотекстолита по однослойной, двухслойной или многослойной технологии.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
ИК-объектив 2 формирует изображение объектов наблюдения в плоскости приемной площадки МФУ 1, которое вырабатывает последовательность электрических сигналов, каждый из которых соответствует величине потока излучения, попавшего на пиксель МФУ 1 и, следовательно, температуре элемента разложения пространства предметов. Электрические сигналы с МФУ 1 поступают на модуль предварительной обработки сигнала 3, а с его выхода - на модуль электронной обработки 5, с которого сформированный в заданном стандарте видеосигнал подается на цифровой или аналоговый выход прибора. Для управления формируемым изображением (контраст, позитив-негатив, электронное масштабирование и т.п.) оператор с пульта управления ТВП через модуль интерфейса 7 подает сигналы управления в модуль электронной обработки 5. Для подачи электрического напряжения на все составные части устройства используется модуль питания 6. Все модули устройства выполнены на общих интерфейсах. Это позволяет в конкретных формах выполнения устройства осуществлять их выбор или доработку в зависимости от конкретных технических требований к ТВП, а также осуществлять их смену без существенного изменения схемотехнических решений. При наличии затвора 10 может производиться калибровка ТВП. При этом шторка затвора 10 перекрывает зону, оптически сопряженную с входным зрачком ИК-объектива 2, и поток излучения, идущий от объектов наблюдения, перекрывается. При перекрытии оптического тракта электрические сигналы с МФУ 1, поступающие через модуль предварительной обработки сигналов 3 в модуль электронной обработки 5, используются в модуле электронной обработки 5 для регулировки и компенсации неоднородности чувствительности элементов МФУ 2. При работе устройства электрическая связь модулей 3…7, установленных на платах 12, 13 и 14, осуществляется при помощи разъемов 17 мезонинного типа.
При изготовлении сборка ТВП осуществляется в следующей последовательности (фигура):
- в резьбовые отверстия оправы 11 ввинчиваются винты, на которые устанавливают плату 12;
- через втулки 16, устанавливаемые между платой 12 и платой 13, а также между платой 13 и платой 14, посредством шпилек 15 последовательно соединяют указанные платы таким образом, чтобы стыкуемые части разъемов 17 мезонинного типа на соседних платах совпали. Высота втулок 16 выбирается в соответствии с суммарной высотой состыкованных составных частей (вилка-розетка) разъемов 17. При этом втулки 16 также выполняют функцию обеспечения «корпусной земли» (EGND);
- состыковывают разъемы 17 и закрепляют платы на шпильках гайками;
- вкручивают резьбовую оправу 11 во втулку 9 таким образом, чтобы строки растра МФУ 1 заняли горизонтальное положение, помещают собранную конструкцию в разъемную обойму кронштейна 8 и стягивают верхнюю и нижнюю части обоймы винтами, закрепляя таким образом втулку 9;
- ввинчивают ИК-объектив 2 во втулку 9 до упора;
- подключают к выходу ТВП видеоконтрольное устройство (ВКУ), направляют ТВП на штриховую миру абсолютного контраста, установленную на заданном расстоянии, подают питание на ТВП и производят фокусировку ИК-объектива 2, поворачивая втулку 9 в резьбе кронштейна 8. После получения резкого изображения миры на экране ВКУ положение втулки 9 в кронштейне 8 фиксируют стопорным винтом (на фигуре 2 не показан). Следует отметить, что для громадного количества задач (стационарные системы наблюдения, приборы для работы на гиперфокальном расстоянии и т.п.) фокусировка ТВП в процессе работы не является обязательной и можно вполне ограничиться заводской фокусировкой по мире на заданном расстоянии;
- отключают питание ТВП и устанавливают его в кожух.
Применительно к описанной конструкции ТВП, содержащей три печатных платы, каждая плата выполняет определенные функции.
Плата 12 (плата ИК-сенсора) предназначена для электронной «обвязки» используемого МФУ 1. Данная плата 12 является единственной полностью сменной мезонин-платой ввиду отсутствия согласованного, между различным и производителями МФУ, стандарта изготовления МФУ. Габариты платы ИК-сенсора и размеры ее сопряжения с резьбовой оправой 11 при этом остаются едиными, вне зависимости от используемого МФУ 1. Модуль предварительной обработки 3, размещенный на первой плате 12, принимает сигналы с МФУ 1, преобразует их и выводит на выходной мезонинный разъем в едином формате для обработки и преобразования на двух последующих мезонин-платах 12 и 13. Преимущественный вид выводимого сигнала - PAL, цифровой 8-битный сигнал с синхронизацией, сигнал в стандарте Camera Link. При реализации лабораторного образца прибора были разработаны и апробированы варианты первой платы 12 для использования с МФУ фирм ULIS (Франция), DALI (Чжэцзян, КНР) и North Guangwei Technology INC (Пекин, КНР).
Вторая плата 13 с установленными на ней модулями управления 4 и электронной обработки 5 видеосигнала остается несменяемой вне зависимости от типа используемого многоэлементного приемного устройства. На данной плате установлены:
- в модуле 5 электронной обработки - ПЛИС со встроенным препроцессором, позволяющая преобразовать переданный с платы ИК-сенсора (первая плата 12) сигнал в требуемый формат, производить необходимую коррекцию неоднородностей изображения (пространственная и временная фильтрация, замена «сбойных» точек), компрессирование видеосигнала и обеспечение возможности стыковки прибора с микродисплеями, например, фирмы Olightek;
- в модуле 4 управления - драйвер управления приводами, работающий в широком диапазоне напряжений (3…12 В), приводящий в движение привод затвора 10 и, при необходимости, привод фокусировки ИК-объектива 2 (если таковой имеется в ИК-объективе 2), а также контроллер управления режимами вывода изображений, драйверами управления приводами и сопряжения с внешней интерфейсной программой по заранее определенному протоколу.
Третья плата 14 с установленным на ней модулями питания 6 и интерфейса 7 также является несменяемой мезонин-платой и предназначена для формирования вторичных и управляемых программно напряжений питания плат 13 и 14, контроля напряжения первичного питания (8…15 В) и формирования команды сброса при снижении (или превышении) напряжения первичного электропитания. В реализованном лабораторном варианте прибора в плате 14 предусмотрена реализации следующих функций:
- включение, отключение (в требуемой последовательности) и регулирование номиналов (от 3 до 12 В) вторичных напряжений питания по внешней команде;
- измерения температуры модуля питания 6 и программирования действий в зависимости от результатов измерения;
- обеспечение работы каналов последовательной передачи данных UART, SPI и интерфейсов управления RS-232/485 и I2C, в частности, при работе с внешним пультом управления.
Широкий выбор комплектующих ИК-объективов, МФУ, ЭРЭ наряду с предложенной гибко перестраиваемой конструкцией ТВП позволяет с минимальными затратами в неизменных габаритах и без глубокой конструкторской и технологической переработки реализовывать ТВП для решения широкого спектра задач. В частности, может быть изменен спектральный диапазон (3..5 мкм или 8…14 мкм) работы прибора путем замены платы 12 с МФУ и ИК-объектива 2.
Реализация технических преимуществ предлагаемого устройства, обладающего совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет обеспечить возможность построения унифицированных ТВП с различными техническими характеристиками на общих интерфейсах с использованием различных приемников ИК излучения для использования в различных условиях эксплуатации.