ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 1997 года по МПК H04N5/33 

Изобретение относится к устройствам для преобразования инфракрасных изображений в видимые и может быть использовано в военной технике, медицинской диагностике, системах охраны, для обнаружения пожаров, в промышленном контроле.

В настоящее время для видения в условиях недостаточной естественной освещенности, а также при низкой прозрачности атмосферы или при использовании искусственных помех все большее распространение получают различные тепловизионные приборы (ТВП) (Орлов В.А. Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное издательство, 1989).

Это объясняется тем, что изображение в ТВП формируется благодаря собственному тепловому излучению объектов и фонов, и отраженному от них инфракрасному излучению естественных и искусственных источников, что обеспечивает яркость значительно более высокую по сравнению с яркостью в видимой области спектра. Эта яркость практически не зависит от времени суток. Кроме того инфракрасное излучение в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм значительно меньше ослабляется в атмосфере по сравнению с видимым излучением, особенно при наличии дымки и тумана.

Известно устройство для приема и электронной обработки теплового изображения, описанное в заявке Великобритании N 1557029 кл. H 04 5/33. Это устройство, с помощью которого осуществляют сканирование инфракрасного изображения и его воспроизведение, содержит линейную решетку датчиков, расположенных перпендикулярно к направлению сканирования; каждый датчик связан с соответствующим светоизлучающим диодом. Сканирование изображения осуществляют с помощью двух соосных вращающихся многогранных призм. Световые изображения с трех наборов светодиодов регистрируются тремя телевизионными передающими камерами, выходные сигналы которых поступают на телевизионную трубку цветного изображения.

Недостатком такого устройства является недостаточная информационная емкость изображения, обусловленная тем, что разные цвета в изображении объектов соответствуют только различной интенсивности инфракрасного излучения в едином спектральном канале (псевдорасцвеченное изображение).

По конструктивному выполнению наиболее близким к выбранным в качестве прототипа ТВП, содержащий объектив, прокачивающееся двухстороннее зеркало, и фотоприемное устройство, включающее линейку фоточувствительных элементов, расположенных параллельно оси прокачки и охлаждаемых системой глубокого охлаждения. Фоточувствительные элементы через усилители-формирователи частотной полосы (блок обработки сигнала изображения) соединены с линейкой светодиодов. Выходное изображение рассматривается или подвергается дальнейшему преобразованию через окуляр, обратную сторону зеркала и коллиматор. Это наиболее распространенные ТВР, которых к настоящему времени только в США и Германии выпущено около 100 тыс. штук (Орлов В.А. Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное издательство, 1989, с. 132).

Принципиальная схема тепловизора может меняться за счет использования различных типов сканирующих устройств, систем отображения информации и обработки сигналов.

Недостатком таких ТВП также является невысокая информационная емкость за счет формирования одноцветного изображения. В то же время формирование цветового изображения позволяет существенно расширить возможности человека-наблюдателя по обеспечению задачи обнаружения и опознавания объектов. Различение органом зрения цветовых контрастов значительно выше, чем одноцветных при достаточной яркости адаптации.

Целью изобретения является повышение информационной емкости изображения.

Для достижения указанной цели в известном тепловизионном приборе, включающем объектив, фотоприемное устройство с многоэлементным фотоприемником, соединенным с электронным блоком обработки сигнала, и видеоконтрольное устройство, фотоприемник содержит два или три типа чувствительных элементов, отличающихся друг от друга по спектральным характеристикам, причем фоточувствительные элементы каждого из типов соединены с электродами яркости одного из цветов (синего, зеленого или красного) видеоконтрольного устройства.

В частном случае элементы фотоприемника каждого типа расположены в виде линеек, параллельных линейкам чувствительных элементов других типов, а видеоконтрольное устройство содержит параллельные линейки из световодов различного цвета, соединенные с соответствующими элементами фотоприемника, при этом между объективом и фотоприемным устройством установлен сканер.

В другом частном случае чувствительные элементы каждого типа в фотоприемнике расположены в виде квазиматриц с временной задержкой и накоплением в направлении прокачки изображения и соединены с цветной электронно-лучевой трубкой через мультиплексор.

Еще в одном частном случае фотоприемник представляет собой две или три различных по спектру фоточувствительных фокальных матрицы, расположенных за цветоделительным устройством или друг за другом. При этом выходы фотосигнала от матриц через электронный блок обработки сигнала соединены с электродами яркости синего, зеленого или красного цветов видеоконтрольного устройства (например, цветового дисплея).

Такое выполнение ТВП позволяет повысить информационную емкость изображения, так как в каждой точке картины отражается реальная интенсивность инфракрасных сигналов сразу в трех спектральных диапазонах фотоприемника. При этом яркость экрана поддерживается на таком уровне, чтобы колбочковый механизм человеческого зрения, при котором различительная способность по длине волны достигает 1 нм, а информационная емкость изображения увеличивается в 100-200 раз. Необходимая для эффективной работы колбочкового механизма человеческого зрения освещенность видимого изображения (более 0,1-1 лк) устанавливается с помощью коэффициента усиления усилителей-формирователей электронного блока обработки сигнала.

Тепловизионный прибор, изображенный на чертеже содержит инфракрасный объектив 1 и 2, многоэлементное фотоприемное устройство 3 с элементами в рядах 1, 11 и 111, прокачивающее зеркало 4, видеоконтрольное устройство 5, линейку световодов 6, коллиматор 7 и окуляр 8. Стрелками AA обозначено направление прокачки изображения.

Тепловизионный прибор может также содержать мультиплексор, систему охлаждения и цветную электронно-лучевую трубку (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Формирование спектральной чувствительности фотоприемников на входе осуществляется, исходя из поставленной цели и выбранного спектрального диапазона работы тепловизора. Если выбирается спектральный диапазон ТВП 8-14 мкм, то линейки фотоприемного устройства имеют максимумы чувствительности, например, при 9 мкм, 10,5 мкм и 12 мкм. Фоточувствительные линейки могут быть настроены и на разные окна прозрачности атмосферы. Например, диапазон спектральной чувствительности первой линейки 0,9-1,5 мкм, второй линейки 3-5,5 мкм и третьей линейки 8-12 мкм.

При использовании индикатора в виде линеек светодиодов их излучение целесообразно обеспечивать на следующих длинах волн: 0,43 мкм (синий цвет); 0,54 мкм (зеленый цвет); 0,65 мкм (красный цвет); соответствующих спектрам основных цветов в цветном телевидении.

В случае использования индикатора на светодиодах усиленные сигналы от каждой из фоточувствительных площадок каждого ряда через индивидуальные усилители-формирователи частотной полосы электронного блока обработки сигнала 4 подаются на соответствующие площадки линейки излучателей, при этом фоточувствительные площадки из ряда 1 соединяются с соответствующими излучателями из ряда 1 и т.д.

При работе сканера на выходе ТВП наблюдается цветное изображение объекта в условных цветах, отражающее в каждой точке картины реальную интенсивность ИК сигналов сразу в трех спектральных диапазонах фотоприемника 3. После окуляра (на чертеже не показан) могут быть установлен телевизионный блок преобразователя цветного изображения в электрический сигнал для раздачи нескольким потребителям.

Получить цветное изображение можно и с помощью двухкоординатной прокачки трех фоточувствительных элементов с разными спектральными характеристиками, (или трех групп таких элементов), а также, как уже упоминалось, с помощью трех матриц с разными спектральными диапазонами, расположенными за цветоделителями или последовательно друг за другом. При этом цветное изображение может быть получено на экране цветной электронно-лучевой трубки. В последнем варианте сканер не используется.

Таким образом, изобретение позволяет впервые получить ТВП с цветным изображением, соответствующим колбочковому механизму зрения глаза, что повышает информационную емкость изображения на 2-2,5 порядка.

Изобретение относится к устройствам для преобразования инфракрасных изображений в видимые и может быть использовано в военной технике, медицинской диагностике, системах охраны, для обнаружения пожаров, промышленном контроле. Тепловизионный прибор содержит объектив, фотоприемное устройство с многоэлементным фотоприемником, соединенным с электронным блоком обработки сигнала, и видеоконтрольное устройство. Новым является то, что фотоприемник содержит два или три типа чувствительных элементов, различающихся друг от друга по спектральным характеристикам, причем фоточувствительные элементы каждого из типов соединены с электродами яркости одного из цветов (синего, зеленого или красного) видеоконтрольного устройства. В частном случае чувствительные элементы фотоприемника каждого типа расположены в виде линеек, параллельных линейкам чувствительных элементов других типов, а видеоконтрольное устройство содержит параллельные линейки из световодов различного цвета, соединенные с соответствующими элементами фотоприемника, при этом между объективом и фотоприемным устройством установлен сканер. В другом частном случае чувствительные элементы каждого типа в фотоприемнике расположены в виде квазиматриц с временной задержкой и накоплением в направлении прокачки изображения и соединены с цветной электронно-лучевой трубкой через мультиплексор. Такое выполнение тепловизионного прибора позволяет увеличить информационную емкость на 2-2,5 порядка. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловизионный прибор, включающий последовательно расположенные объектив и фотоприемное устройство с многоэлементным фотоприемником, соединенным с электронным блоком обработки сигнала, и видеоконтрольное устройство, отличающийся тем, что многоэлементный фотоприемник содержит два или три типа чувствительных элемента, различающихся друг от друга по спектральным характеристикам, причем фоточувствительные элементы каждого из типов через электронный блок обработки сигнала соединены с электродами яркости одного из цветов синего, зеленого или красного видеоконтрольного устройства. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы многоэлементного фотоприемника каждого типа расположены в виде линеек, параллельных линейкам чувствительных элементов других типов, а видеоконтрольное устройство содержит параллельные линейки из светодиодов различного цвета, при этом между объективом и фотоприемным устройством установлен сканер. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы каждого типа в многоэлементном фотоприемнике расположены в виде квазиматриц с временной задержкой и накоплением в направлении прокачки изображения и соединены с цветной электронно-лучевой трубкой через мультиплексор.