СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НЕСКАНИРУЮЩЕГО ТЕПЛОВИЗОРА С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ И НЕСКАНИРУЮЩИЙ ТЕПЛОВИЗОР, РЕАЛИЗУЮЩИЙ ЭТОТ СПОСОБ Российский патент 2003 года по МПК H04N5/33 G02B17/08 G02B27/00 

Изобретение относится к области телевидения, а в ней к системам мониторинга и разведки с использованием телевизионных средств.

Известен способ получения телевизионного изображения в дальнем ИК-диапазоне [1] . Он заключается в прямом преобразовании лучистой энергии в видеосигнал при помощи прибора с зарядовой связью, работающего в дальнем ИК-диапазоне. Все существующие неохлаждаемые телевизионные системы, работающие в диапазоне 8÷14 мкм, работают следующим образом: при помощи оптической системы формируется оптическое изображение в плоскости мишени преобразователя лучистая энергия/видеосигнал, на выходе которого считывается видеосигнал, который, пройдя соответствующую обработку, формирует телевизионное изображение на соответствующем устройстве отображения (например, телевизионном мониторе). При всей видимой простоте построения устройства преобразования лучистой энергии в видеосигнал имеется один существенный недостаток: получение на подобных устройствах телевизионного изображения высокой четкости в настоящее время практически затруднительно. Это объясняется следующими обстоятельствами.

Размер одного физического элемента (пикселя) преобразователя должен быть не меньше длины волны излучения преобразуемой лучистой энергии. Для нашего случая - это 14 мкм. Следовательно, для получения разрешающей способности 2000 твл размер оптического изображения по горизонтали должен быть

где n - количество разрешаемых телевизионных линий, твл;
Δ - размер одного пикселя, мкм;
K - коэффициент Келла.

Это соответствует диагонали изображения (т.е. рабочей части мишени), равной 50 мм.

В настоящее время изготовление твердотельной ПЗС-матрицы такого большого размера технологически невозможно.

Создание тепловизора с переменным углом поля зрения сопряжено со значительными трудностями ввиду высокой стоимости создания объектива с переменным фокусным расстоянием для дальнего ИК-диапазона.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего возможность создания телевизионной системы с переменным углом поля зрения, работающей в дальнем ИК-диапазоне (тепловизора) и обеспечивающей высокое разрешение.

Поставленная цель достигается следующим образом: тепловизор формируют в виде последовательного соединения зеркально-линзовой оптической системы, преобразователя спектрального диапазона оптического изображения ИК-диапазон - видимый диапазон, объектива переноса, преобразователя свет/сигнал, блока обработки видеосигнала, при этом осуществляют транспонирование теплового диапазона спектра в видимый диапазон спектра, преобразование полученного оптического изображения в телевизионное, при этом, изменяя величины рабочих отрезков объектива переноса, добиваются изменения угла поля зрения тепловизора, а изменяя значение угла между оптической осью объектива переноса и оптической осью зеркально-линзовой оптической системы, добиваются эффекта панорамирования.

Использование этого способа обеспечивается следующими факторами:
Современная технология обеспечивает создание ПЗС-матриц высокого разрешения, работающих в видимом диапазоне спектра (0,4-0,64 мкм);
Современная технология обеспечивает создание преобразователя спектра, так называемого электронно-оптического преобразователя (ЭОП'а) высокого разрешения [2] , который преобразовывает оптическое изображение диапазона 8-14 мкм в оптическое изображение в оптическом диапазоне спектра.

Имеется технологическая возможность последовательного преобразования оптического изображения дальнего ИК-диапазона в оптическое изображение в видимом диапазоне спектра и затем преобразования оптического изображения видимого спектра в видеосигнал.

Возможность создания ЭОП'а высокого разрешения дает возможность создания тепловизора, имеющего функции изменения угла поля зрения и панорамирования.

Принцип, обеспечивающий возможность изменения угла поля зрения и панорамирования, проиллюстрирован на фиг.2.

Фиг.2а поясняет принцип изменения угла поля зрения тепловизора без изменения фокусных расстояний оптических компонент, эквивалентное фокусное расстояние изменяется за счет изменения увеличения второго компонента оптической системы (объектива переноса), изменение увеличения достигается за счет изменения рабочих отрезков (-S и S'). При увеличении переднего рабочего отрезка и соответствующем уменьшении заднего рабочего отрезка соответственно изменяется увеличение заднего компонента, что соответствует изменению эквивалентного фокусного расстояния всей системы.

Вариант обеспечения возможности панорамирования проиллюстрирован на фиг. 2б). Эта возможность обеспечивается плавным поворотом объектива переноса и изменением угла α, образованного оптической осью первого компонента и оптической осью объектива переноса. Ось поворота должна проходить через центр объектива переноса. Плоскость мишени преобразователя лучистая энергия/видеосигнал также разворачивается на угол, обеспечивающий фокусировку изображения по всей плоскости мишени.

Общим требованием, необходимым для обеспечения выполнения вышеуказанных функций, является большое поле изображения ЭОП'а и достаточная четкость изображения ЭОП'а. Запас этих значений и определяет диапазон действия этих функций.

Аналогом предлагаемой практической реализации приведенного выше способа можно рассмотреть изделие фирмы Raytheon [3], приведенное на фиг.3. Тепловизор фирмы Raytheon состоит из германиевого объектива 1, преобразователя лучистая энергия/видеосигнал - ИК ПЗС-матрицы 2 и блока обработки 3. Работает тепловизор следующим образом: при помощи германиевого объектива 1 на мишени ИК ПЗС-матрицы 2 формируется ИК- оптическое изображение, которое преобразовывается в видеосигнал, который в блоке обработки 3 подвергается соответствующей обработке. Однако кроме отсутствия возможности получения телевизионного изображения высокого разрешения этот тепловизор имеет значительный недостаток: для обеспечения высокой чувствительности необходимо высокое относительное отверстие линзового объектива, что приводит к значительным габаритам последнего (особенно при малых углах поля зрения). Учитывая высокую стоимость материала, из которого изготавливаются линзовые объективы для ИК-диапазона, стоимость объектива получается значительной.

На фиг. 1. приведена схема несканирующего тепловизора, реализующего вышеуказанный способ получения телевизионного изображения в дальнем ИК-диапазоне спектра.

Несканирующий тепловизор с переменным углом поля зрения, содержащий зеркально-линзовую оптическую систему, состоящую из сферических зеркал 1, 2 и корригирующего компонента 3, преобразователь лучистая энергия/видеосигнал 6, блок обработки видеосигнала 7, объектива переноса 5, преобразователя спектрального диапазона оптического изображения - ИК-диапазон/видимый диапазон 4, электромеханического привода 8, спецвычислителя 9 и пульта управления 10, причем выход зеркально-линзовой оптической системы оптически соединен с входом преобразователя лучистая энергия/видеосигнал 6 через преобразователь спектрального диапазона оптического изображения - ИК-диапазон/видимый диапазон 4 и объектив переноса 5, а выход преобразователя лучистая энергия/видеосигнал 6 соединен с входом блока обработки видеосигнала 7, причем пульт управления 10 соединен с управляющим входом электромеханического привода 8 через спецвычислитель 9, а электромеханический привод 8 механически связан с объективом переноса 5 и преобразователем лучистая энергия/видеосигнал 6.

Техническим результатом изобретения является создание несканирующего тепловизора с параметрами (в том числе разрешающей способностью), характерными для сканирующих устройств, и, кроме того, обеспечивающего возможности изменения угла поля зрения и панорамирования.

Работает несканирующий тепловизор следующим образом.

Зеркально-линзовый объектив (1, 2, 3) формирует оптическое изображение в дальнем ИК-диапазоне на мишени электронно-оптического преобразователя 4, который преобразовывает изображение в дальнем ИК-диапазоне в изображение видимого диапазона, которое при помощи объектива переноса 5 проецируется на мишень преобразователя лучистая энергия/видеосигнал (ПЗС-матрицы 6), который преобразовывает его в видеосигнал, поступающий на вход блока обработки 7, где он подвергается необходимой обработке, состоящей, в частности, в устранении влияния фона, контрастировании изображения, апертурной коррекции видеосигнала. Управление функциями изменения угла поля зрения и панорамирования осуществляется при помощи пульта управления 10, который формирует команды управления, поступающие на спецвычислитель 9, где формируются команды управления функциями электромеханического привода 8, который перемещает и разворачивает на необходимые величины объектив переноса 5 и преобразователь лучистая энергия/видеосигнал 6.

Использование зеркально-линзового объектива 1-2 позволяет значительно уменьшить габариты линзового компонента 2 и, следовательно, снизить стоимость устройства. Использование ЭОП'а и ПЗС-матрицы, работающей в видимом диапазоне спектра, позволяет получать телевизионное изображение высокой четкости для объектов, наблюдаемых в дальнем ИК-диапазоне спектра. Причем к преимуществам устройства относится то серьезное преимущество, что не требуется сканирования.

Предлагаемый способ и тепловизор являются промышленно применимыми и могут быть использованы при построении тепловизионных систем на основе известных технологически доступных материалов и существующей элементной базе. Конструкция указанных систем может быть модульной или приспособленной для серийного производства. Изготовление всех компонент этих конструкций технологически освоено.

Источники информации
1. Аппаратура наблюдения и контроля. Неохлаждаемый тепловизор со встроенной системой цифровой обработки изображений ТН - 3. Проспект ЗАО МНПО "Спектр", 1999.

2. Гончаренко Б.Г., Брюхневич Г.И., Олихов И.М. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь. Патент РФ 2160479 от 10.12.2000.

3. Проспект фирмы Raytheon: Product Specifications Palm IR PRO. 1999-2000.

Изобретение относится к телевизионной технике, в частности к телевизионным камерам дальнего ИК-диапазона (8-14 мкм) - тепловизорам (Т). Технический результат заключается в создании несканирующего Т с параметрами сканирующих устройств и возможностью изменения угла поля зрения и панорамирования. Несканирующий (Т) с переменным углом поля зрения формируют в виде последовательного соединения зеркально-линзовой оптической системы (З-Л) (1, 2, 3), преобразователя спектрального диапазона оптического изображения - ИК-диапазон/видимый диапазон (ИК/В) (4), объектива переноса (ОП) (5), преобразователя лучистая энергия/видеосигнал (ЛЭ/ВС) (6), блока обработки видеосигнала (ОВС) (7), а также из электромеханического привода (ЭП) (8), спецвычислителя (С) (9) и пульта управления (ПУ) (10). Выход З-Л (1,2,3) оптически соединен с входом ЛЭ/ВС (6) через ИК/В (4) и ОП (5), а выход ЛЭ/ВС (6) соединен с входом ОВС (7). ПУ (10) соединен с управляющим входом ЭП (8) через С (9), а ЭП (8) механически связан с ОП (5) и ЛЭ/ВС (6). Изменяя величины рабочих отрезков ОП (5), изменяют угол поля зрения Т, а изменяя значение угла между оптической осью ОП (5) и оптической осью З-Л (1, 2, 3), добиваются эффекта панорамирования. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования несканирующего тепловизора с переменным углом поля зрения, отличающийся тем, что тепловизор формируют в виде последовательного соединения, зеркально-линзовой оптической системы, преобразователя спектрального диапазона оптического изображения ИК-диапазон - видимый диапазон, объектива переноса, преобразователя свет/сигнал, блока обработки видеосигнала, при этом. осуществляют транспонирование теплового диапазона спектра в видимый диапазон спектра, преобразование полученного оптического изображения в телевизионное, при этом, изменяя величины рабочих отрезков объектива переноса, добиваются изменения угла поля зрения тепловизора, а изменяя значение угла между оптической осью объектива переноса и оптической осью зеркально-линзовой оптической системы, добиваются эффекта панорамирования. 2. Несканирующий тепловизор с переменным углом поля зрения, содержащий зеркально-линзовую оптическую систему, преобразователь лучистая энергия/видеосигнал, блок обработки видеосигнала, отличающийся тем, что в него введены объектив переноса, преобразователь спектрального диапазона оптического изображения - ИК-диапазон/видимый диапазон, электромеханический привод, спецвычислитель и пульт управления, причем выход зеркально-линзовой оптической системы оптически соединен с входом преобразователя лучистая энергия/видеосигнал через преобразователь спектрального диапазона оптического изображения - ИК-диапазон/видимый диапазон и объектив переноса, а выход преобразователя лучистая энергия/видеосигнал соединен с входом блока обработки видеосигнала, причем пульт управления соединен с управляющим входом электромеханического привода через спецвычислитель, где формируются команды управления функциями электромеханического привода, а электромеханический привод механически связан с объективом переноса и преобразователем лучистая энергия/видеосигнал.