ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2005 года по МПК G02B27/30 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов (ТВП).

Известен инфракрасный коллиматор для контроля параметров оптико-электронных приборов (Патент США №4588253, G 02 B 27/30, 1986 г.), который состоит из двух плоскостных излучателей, один из которых является фоновым, а другой - тест-объектом (мирой), устройства поддержания температуры фонового излучателя, а также зеркального объектива.

Недостаток этого инфракрасного коллиматора заключается в том, что поддержание температуры фонового излучателя не обеспечивает поддержание разности температур между ним и окружающей средой (далее разности температур), что даже при незначительном изменении температуры окружающей среды приводит к изменению разности температур, и, следовательно, к изменению уровня контрастного излучения.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматорный комплекс для измерения минимальной разрешаемой разности температур (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М. 1978 г. стр. 392, 393).

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив (например, зеркальный), сменную миру, размещенную в фокальной плоскости объектива перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом (нагревателем), устройство управления (поддержания разности температур), выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя.

Подобный инфракрасный коллиматорный комплекс (как установлено расчетным путем и непосредственно измерениями) при незначительном (порядка ±1°С) изменении температуры окружающей среды и постоянном значении разности температур дает достаточно постоянный (ошибка не более 10%) уровень контрастного излучения (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 1983 г., стр. 227, 228).

Недостатки идеологии подобного инфракрасного коллиматорного комплекса выявляются при проверке ТВП в широком диапазоне температур окружающей среды. Они заключаются, в первую очередь, в зависимости уровня контрастного излучения не только от разности температур, но и, в значительной степени, от абсолютного значения температуры окружающей среды (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 1983 г., стр. 227, 228). Например, при изменении температуры окружающей среды от +40°С до 0°С и постоянном значении разности температур уровень контрастного излучения уменьшается более чем в 2 раза.

Существенное влияние на соотношение уровня контрастного излучения и разности температур оказывают и параметры (например, коэффициент отражения) объектива, фонового излучателя и миры, которые из-за значительных допусков могут отличаться от образца к образцу.

Эти недостатки приводят к тому, что фактическое значение уровня контрастного излучения будет сильно отличаться от заданного (требуемого), что приводит к ошибкам при измерении параметров ТВП.

Для получения требуемого значения уровня контрастного излучения оператор при работе с данным инфракрасным коллиматорным комплексом должен для каждого определенного значения температуры окружающей среды устанавливать соответствующее значение разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, определяемое либо расчетным путем (что из-за значительных допусков на материалы покрытий, наличия трудно учитываемых факторов и т.д. используется, как правило, только для оценок), либо путем использования данных, полученных в результате калибровки (градуировки) инфракрасного коллиматорного комплекса по уровням контрастного излучения во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды, что осуществляется, например, компарированием исследуемого инфракрасного коллиматорного комплекса и образцового инфракрасного коллиматора и обеспечивает гораздо более высокую точность (см. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань, 1998 г., стр. 201).

Выполнение таких действий в процессе измерений сложно и не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды, что снижает точность поддержания уровня контрастного излучения. Особенно сильно эти недостатки проявляются при определении минимально разрешаемой разности температур (МРРТ) тепловизионных приборов, когда уровень контрастного излучения необходимо достаточно быстро изменять во времени по заданному закону. При этом должен измеряться и индицироваться (высвечиваться на индикаторе) текущий фактический уровень контрастного излучения (который при большой скорости изменения уровня контрастного излучения может, из-за конечной скорости нагрева фонового излучателя, переходных процессов и т.д., отличаться от заданного, что при работе в режиме определения МРРТ допустимо), что необходимо для определения уровня излучения, при котором наблюдателем различаются с помощью ТВП штрихи установленной в рабочее положение (в фокальной плоскости объектива) сменной миры. Определение этого уровня осуществляется поочередно для каждой из сменных мир. При определении МРРТ желательно также, чтобы диапазон изменения уровня контрастного излучения включал в себя как положительные (температура излучателя выше температуры миры), так и отрицательные значения (температура излучателя ниже температуры миры) (см. Ллойд Д. Системы тепловидения, М., 1978 г., стр. 393).

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения и расширение функциональных возможностей инфракрасного коллиматорного комплекса.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за сменной мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, дополнительно введены процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного, а также тем, что устройство измерения температуры миры содержит первый датчик температуры миры, размещенный в мире и являющийся плечом первой мостовой схемы, выходы которой соединены с входами первого дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства измерения температуры миры, а также тем, что устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой содержит датчик температуры фонового излучателя, размещенный в фоновом излучателе, и второй датчик температуры миры, размещенный в мире, которые являются плечами второй мостовой схемы, выходы которой соединены с входами второго дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, а также тем, что процессор температурный содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого является первым входом процессора температурного, устройство сопряжения, вход которого подключен к выходу многоканального аналого-цифрового преобразователя, компьютер, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом устройства сопряжения, третий дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, второй - со вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и является вторым входом процессора температурного, а выход третьего дифференциального усилителя является выходом процессора температурного, а также тем, что исполнительный элемент выполнен в виде электронного твердотельного охладителя.

На фиг.1 представлены функциональная схема инфракрасного коллиматорного комплекса, на фиг.2 - функциональная схема процессора температурного.

Инфракрасный коллиматорный комплекс (фиг.1) содержит объектив 1, сменную миру 2, расположенную в фокальной плоскости объектива 1, фоновый излучатель 3, расположенный за сменной мирой 2 и снабженный исполнительным элементом 4, устройство 5 управления, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, процессор температурный 6, выход которого подключен к входу устройства 5 управления, устройство 7 измерения температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу процессора температурного 6, устройство 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного 6. В качестве исполнительного элемента 4 фонового излучателя 3 может быть использован электронный твердотельный охладитель, который в зависимости от полярности подаваемого на него напряжения может создавать как положительную, так и отрицательную разность температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. На фиг.1 также показан исследуемый тепловизионный прибор 9.

Устройство 7 измерения температуры миры 2 (фиг.1) содержит первый датчик 10 температуры миры 2, размещенный в мире 2 и являющийся плечом первой мостовой схемы 11, выходы которой соединены с входами первого дифференциального усилителя 12, выход которого является выходом устройства 7 измерения температуры миры 2.

Устройство 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 (фиг.1) содержит датчик 13 температуры фонового излучателя 3, размещенный в фоновом излучателе 3, и второй датчик 14 температуры миры 2, размещенный в мире 2, которые являются плечами второй мостовой схемы 15, выходы которой соединены с входами второго дифференциального усилителя 16, выход которого является выходом устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2.

Функциональная схема процессора температурного 6 (фиг.2) содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17, первый вход которого является первым входом процессора температурного 6, устройство 18 сопряжения, вход которого подключен к выходу многоканального аналого-цифрового преобразователя 17, компьютер 19, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства 18 сопряжения, цифроаналоговый преобразователь 20, вход которого соединен с выходом устройства 18 сопряжения, третий дифференциальный усилитель 21, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 20, второй - со вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя 17 и является вторым входом процессора температурного 6, а выход третьего дифференциального усилителя 21 является выходом процессора температурного 6.

Работает инфракрасный коллиматорный комплекс следующим образом.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые сменной мирой 2 (которая может представлять собой, например, непрозрачную пластину, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей, ширина которых и интервал между ними равны и у каждой из сменных мир имеют свою величину, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости объектива 1, создают за счет определенного нагрева фонового излучателя 3 и того, что мира 2 имеет температуру, практически равную температуре окружающей среды, контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и в виде контрастного коллимированного потока инфракрасного излучения поступает во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 9. В тепловизионном приборе 9 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области спектра, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.

Для поддержания заданного уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды необходимо соответствующим образом изменять разность температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. Семейство зависимостей уровней контрастного излучения (в пределах всего рабочего диапазона уровней контрастного излучения) от температуры окружающей среды во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды снимается при калибровке инфракрасного коллиматорного комплекса.

Эти зависимости снимаются для каждой из сменных мир 2, т.к. каждая из них имеет свои оптические характеристики (степень черноты и т.д.). Количество снимаемых характеристик (для каждой из сменных мир 2) выбирается таким, чтобы можно было (используя, например, метод линейной аппроксимации) с требуемой точностью определить значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, необходимое для создания любого (в пределах рабочего диапазона) уровня контрастного излучения при любой (в пределах рабочего диапазона) температуре окружающей среды.

При работе в режиме поддержания постоянного уровня контрастного излучения необходимо определить температуру окружающей среды, по ней, используя зависимости, полученные при калибровке, вычислить требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и обеспечить поддержание этого значения. При изменении температуры окружающей среды необходимо каждый раз вновь вычислять требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и поддерживать его.

При работе в режиме изменения уровня контрастного излучения по заданному закону необходимо периодически (с частотой, обеспечивающей требуемую точность аппроксимации закона) вычислять требуемый в данный момент времени уровень контрастного излучения, определять температуру окружающей среды, затем, используя зависимости, полученные при калибровке, вычислять соответствующее значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, обеспечивать его поддержание.

Для определения текущего фактического значения уровня контрастного излучения необходимо периодически (с частотой, обеспечивающей отслеживание уровня контрастного излучения с требуемой точностью) определять разность температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, температуру окружающей среды, затем, используя зависимости, полученные при калибровке, вычислять и индицировать текущее фактическое значение уровня контрастного излучения.

В рассматриваемом инфракрасном коллиматорном комплексе работа в режиме поддержания постоянного уровня контрастного излучения, в режиме изменения уровня контрастного излучения по заданному закону и определение текущего значения уровня контрастного излучения осуществляются автоматически.

Автоматическое поддержание постоянного уровня контрастного излучения, автоматическое изменение уровня контрастного излучения по заданному закону, автоматическое определение текущего фактического значения уровня контрастного излучения повышает точность поддержания уровня контрастного излучения (за счет быстрой и точной реакции на смену температуры окружающей среды), расширяет функциональные возможности инфракрасного коллиматорного комплекса и осуществляется следующим образом.

Сигнал с первого датчика 10 температуры миры 2, являющегося плечом первой мостовой схемы 11, усиливается первым дифференциальным усилителем 12 устройства 7 измерения температуры миры 2 и в виде напряжения, пропорционального температуре миры 2 и температуре окружающей среды, т.к. температура миры практически равна температуре окружающей среды, подается на первый вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 17 процессора температурного 6 и далее в виде двоичного кода через устройство 18 сопряжения поступает в компьютер 19.

Сигнал со второго датчика 14 температуры миры 2 и сигнал с датчика 13 температуры фонового излучателя 3 (датчики являются плечами второй мостовой схемы 15 устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2) поступают на входы второго дифференциального усилителя 16. С его выхода напряжение, пропорциональное разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, подается на второй вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 17 процессора температурного 6 и далее в виде двоичного кода через устройство 18 сопряжения поступает в компьютер 19.

Предварительно в компьютер 19 вводятся данные калибровки инфракрасного коллиматорного комплекса и программа вычисления по известным значениям разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и температуры окружающей среды (температуры миры 2) соответствующих им уровней контрастного излучения, а также программа вычисления по уровню контрастного излучения и температуре окружающей среды соответствующего им значения разности температуры между фоновым излучателем 3 и мирой 2.

При работе в режиме поддержания постоянного уровня контрастного излучения оператор задает компьютеру 19 (используя его клавиатуру) требуемое значение уровня контрастного излучения и номер сменной миры, установленной в рабочее положение (в фокальной плоскости объектива 1). Компьютер 19, используя заложенные в него данные калибровки и соответствующие программы, определяет и выдает через устройство 18 сопряжения на вход цифроаналогового преобразователя 20 код, соответствующий требуемому значению уровня контрастного излучения. С выхода цифроаналогового преобразователя 20 напряжение, пропорциональное требуемому значению разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, поступает на первый вход третьего дифференциального усилителя 21, на второй вход которого подается с выхода устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 напряжение, пропорциональное фактическому значению разности температур. С выхода третьего дифференциального усилителя 21 напряжение, пропорциональное разности между требуемой и фактической разностями температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, поступает через устройство управления 5, которое может быть выполнено, например, в виде усилителя мощности, на исполнительный элемент 4 фонового излучателя 3, чем обеспечивается отрицательная обратная связь, и, таким образом, поддержание требуемого значения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2.

По сигналам с устройства 7 измерения температуры миры 2 и устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, поступающим через устройство 18 сопряжения на компьютер 19, он определяет момент выхода на режим поддержания разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 (режим, когда разность температур не изменяется в течение определенного времени) и после этого вычисляет фактическое значение уровня контрастного излучения и сравнивает с требуемым (они могут отличаться из-за конечной величины усиления третьего дифференциального усилителя 21, воздействия окружающей среды, например обдува и т.д.). В случае отклонения, превышающего допустимую величину, компьютер 19 соответствующим образом корректирует код, выдаваемый им через устройство 18 сопряжения на вход цифроаналогового преобразователя 20, и вновь, после выхода на режим, вычисляет отклонение фактического уровня контрастного излучения от требуемого. В зависимости от величины отклонения компьютер 19 либо выдает (на входящем в его состав дисплее) сигнал готовности к работе, либо вновь повторяет операции по корректировке кода, выдаваемого им через устройство 18 сопряжения на вход цифроаналогового преобразователя 20, до тех пор, пока величина отклонения не будет меньше допустимого значения.

При работе в режиме изменения уровня контрастного излучения по заданному закону оператор задает компьютеру 19 требуемый закон изменения уровня контрастного излучения и номер установленной в рабочее положение сменной миры 2. В компьютер 19 поступает также с устройства 7 измерения температуры миры 2 (через многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17 и устройство 18 сопряжения) информация о температуре миры 2. Используя эти данные и заложенные в него соответствующие программы, компьютер 19 вычисляет и выдает периодически через устройство 18 сопряжения на цифроаналоговый преобразователь 20 код, соответствующий требуемой в данный момент времени разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, чем обеспечивается изменение уровня контрастного излучения по требуемому закону. Также через определенные интервалы времени компьютер 19 вычисляет по сигналам с устройства 7 измерения температуры миры 2 и устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 текущее фактическое значение уровня контрастного излучения и индицирует его на входящем в его состав дисплее.

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за сменной мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного. Технический результат - повышение точности поддержания уровня контрастного излучения и расширение функциональных возможностей инфракрасного коллиматорного комплекса. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за сменной мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного.2. Инфракрасный коллиматорный комплекс по п.1, отличающийся тем, что устройство измерения температуры миры содержит первый датчик температуры миры, размещенный в мире и являющийся плечом первой мостовой схемы, выходы которой соединены с входами первого дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства измерения температуры миры.3. Инфракрасный коллиматорный комплекс по п.2, отличающийся тем, что устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой содержит датчик температуры фонового излучателя, размещенный в фоновом излучателе, и второй датчик температуры миры, размещенный в мире, которые являются плечами второй мостовой схемы, выходы которой соединены с входами второго дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой.4. Инфракрасный коллиматорный комплекс по п.1, отличающийся тем, что процессор температурный содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого является первым входом процессора температурного, устройство сопряжения, вход которого подключен к выходу многоканального аналого-цифрового преобразователя, компьютер, шина ввода-вывода которого соединена с шиной ввода-вывода устройства сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом устройства сопряжения, третий дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, второй - со вторым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя и является вторым входом процессора температурного, а выход третьего дифференциального усилителя является выходом процессора температурного.5. Инфракрасный коллиматорный комплекс по п.1, отличающийся тем, что исполнительный элемент выполнен в виде электронного твердотельного охладителя.