ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР Российский патент 2007 года по МПК G02B27/30 G01M11/02 

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

Известна лабораторная установка для измерения минимальной разрешаемой разности температур (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М., 1978 г., стр.392, 393), представляющая собой коллиматор, содержащий объектив, миру, излучатель, устройство поддержания разности температур между излучателем и мирой, имеющей температуру окружающей среды.

Недостатком данной установки является то, что для поддержания постоянного (заданного) уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды оператор должен соответствующим образом изменять разность температур между излучателем и мирой, что сложно, не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды и может привести к ошибкам.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматор (свидетельство на полезную модель № 29155, кл. G 02 В 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, устройство измерения температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя. Устройство поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой поддерживает разность температур между фоновым излучателем и окружающей средой, пропорциональную напряжению, подаваемому на вход данного устройства с выхода корректора. Это напряжение представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию зависимости (номинальной зависимости) выходного напряжения корректора от температуры окружающей среды, при которой обеспечивается поддержание постоянного (заданного) уровня контрастного излучения. Эта зависимость снимается при калибровке инфракрасного коллиматора во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды.

К недостатку данного инфракрасного коллиматора можно отнести сравнительно большую погрешность (до 0,3 К при уровне контрастного излучения 3 К) поддержания уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, обусловленную значительным различием между ломаной линией, аппроксимирующей номинальную зависимость, и самой номинальной зависимостью (т.е. обусловленную погрешностью кусочно-линейной аппроксимации).

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения, в результате чего повышается точность контроля основных параметров тепловизионных приборов.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя, дополнительно введены преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый элемент сопротивления и второй элемент сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры.

На фиг.1 представлена функциональная схема инфракрасного коллиматора, на фиг.2 - функциональная схема преобразователя, на фиг.3 - графики выходных напряжений преобразователя, на фиг.4 - графики выходных напряжений корректора и преобразователя.

Инфракрасный коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, установленную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед плоскостным фоновым излучателем 3, снабженным нагревателем 4, устройство 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем 3 и окружающей средой, выход которого подключен к нагревателю 4, корректор 6, выход которого подключен к входу устройства 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, преобразователь 7, выход которого подключен к входу корректора 6, датчик температуры окружающей среды 8, имеющий экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры, первый вывод которого подключен к первому входу преобразователя 7, а второй вывод - ко второму входу преобразователя 7. На чертеже также показан контролируемый тепловизионный прибор 9.

Преобразователь 7 (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения 10, первый элемент сопротивления 11 и второй элемент сопротивления 12, при этом первый вывод второго элемента сопротивления 12 соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления 11 и является первым входом преобразователя 7, а второй вывод второго элемента сопротивления 12 является вторым входом преобразователя 7, а также второй формирователь стабилизированного напряжения 13, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя 14, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя 7, при этом выход дифференциального усилителя 14 является выходом преобразователя 7.

Работает инфракрасный коллиматор следующим образом. Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2 (которая может быть выполнена, например, в виде зеркального покрытия, нанесенного на всю рабочую поверхность плоскостного фонового излучателя, за исключением нескольких участков в его центральной части, представляющих собой, например, параллельные друг другу полосы, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, создают за счет определенного подогрева фонового излучателя 3 и того, что зеркальная мира 2 отражает падающий на нее поток инфракрасного излучения от внутренней поверхности корпуса инфракрасного коллиматора (имеющей температуру, практически равную температуре окружающей среды), контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 9. В тепловизионном приборе 9 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.

Поддержание постоянного уровня контрастного излучения обеспечивается автоматическим изменением в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения, подаваемого на вход устройства 5 поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой. Изменение этого напряжения осуществляется следующим образом.

Сигнал с датчика 8 температуры подается на вход преобразователя 7. Величина сигнала определяется сопротивлением датчика 8 температуры и протекающим через него током.

Зависимость сопротивления датчика 8 температуры от температуры - экспоненциальная. В качестве датчика 8 температуры может быть использован, например, полупроводниковый датчик типа СТ4-16 ОЖ0.468.169 ТУ. Его сопротивление при температуре Т Кельвина (К) равно

R_T=R_o·e^{B(298-T)/298·T},

где В≈3600,

R_о - сопротивление датчика при 298 К,

е - основание натуральных логарифмов.

Напряжение на первом выводе датчика 8 температуры (без учета входного сопротивления дифференциального усилителя 14, которое у современных операционных усилителей очень велико и может быть больше 10⁹ Ом) равно

причем I₁₁=U₁₀/(R₁₁+R₁₂·R_T/(R₁₂+R_T)),

где I₁₁ - ток, протекающий через первый элемент сопротивления 11;

R₁₁ - сопротивление первого элемента сопротивления 11;

R₁₂ - сопротивление второго элемента сопротивления 12.

Как видно из формулы 1, при R₁₁≫R_T (т.е. ток I₁₁ практически не зависит от R_T) и R₁₂≫R_T напряжение U_T1≈KR_T (где К - коэффициент пропорциональности), т.е. зависимость U_T1=f₁ (Т) будет иметь экспоненциальную форму.

При R₁₁≈R_T0 (в этом случае ток I₁₁ будет уменьшаться при увеличении R_T) и R₁₂≈10 R_T0 (при увеличении RT шунтирующее влияние R₁₂ будет увеличиваться) зависимость U_T2=f₂ (Т), как показывают расчеты, будет близка к линейной (R_T0 - сопротивление датчика 8 температуры при температуре окружающей среды Т₀, где Т₀ - температура в середине рабочего диапазона температур окружающей среды). Напряжение U_T1 (U_T2) поступает на второй вход дифференциального усилителя 14, с выхода которого усиленное и смещенное (за счет поступления на первый вход дифференциального усилителя 14 напряжения со второго формирователя стабилизированного напряжения 13) напряжение U_П1 (U_П2) поступает на вход корректора 6.

Номинальный закон изменения разности температур ΔТ_Н между фоновым излучателем 3 и мирой 2 при изменении температуры окружающей среды Т (номинальный закон изменения напряжения на выходе корректора 6 U_KH) индивидуален у каждого инфракрасного коллиматора, но характер зависимостей у всех инфракрасных коллиматоров схожий и в общем случае имеет вид

ΔT_H=N/T³ (U_KH=M/T³),

где N и М - коэффициенты пропорциональности (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, 1983 г., стр.227, 228).

Зависимость U_KH приведена на фиг.3 (график 1). На фиг.3 приведены также зависимости U_П1=F₁ (Т) и U_П2=F₂ (Т) (графики соответственно 2 и 3), причем для удобства сравнения они нормализованы, т.е. усилены и смещены так, чтобы они совпадали в точках А и В (т.е. при соответственно минимальном Т_min и максимальном Т_max значении рабочего диапазона температур окружающей среды) с зависимостью U_KH.

График 1 фиг.3 находится между графиками 2 и 3, т.е., установив соответствующие значения сопротивлений R₁₁ и R₁₂, коэффициента усиления дифференциального усилителя 14 и выходного напряжения второго формирователя стабилизированного напряжения 13, можно получить реальную зависимость напряжения на выходе преобразователя 7 U_ПР, близкую к номинальной (требуемой) зависимости U_KH.

Напряжение U_ПР (см. график 1 фиг.4) поступает на вход корректора 6, который обеспечивает повышение точности аппроксимации зависимости U_KH (см. график 4 фиг.4) суммированием U_ПР с корректирующим напряжением U_корр. (или, при необходимости, суммированием с несколькими корректирующими напряжениями).

Напряжение U_корр. (см. график 2 фиг.4) получается путем смещения напряжения U_ПР на величину U_см. (напряжения, соответствующего температуре окружающей среды Т_см., при которой ошибка аппроксимации Δ_а=|Т_ПР-Т_КН| становится равной или близкой к максимально допустимому значению ошибки аппроксимации Δ_ад), усиления полученного напряжения U_ПР (коэффициент усиления, как правило, меньше 1) и детектирования полученной зависимости (обеспечения равенства нулю корректирующего напряжения при температурах окружающей среды, больших Т_см.).

Полученная при суммировании U_ПР и U_корр. результирующая зависимость на выходе корректора 6 от температуры окружающей среды U_KP (график 3 фиг.4) обеспечивает в случае, приведенном на фиг.4, аппроксимацию зависимости U_KH с требуемой точностью во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды (Δ_а≤Δ_ад).

В общем случае формируется и суммируется с U_ПР такое количество корректирующих напряжений, которое обеспечивает требуемую точность аппроксимации.

На фиг.4 приведена для сравнения зависимость U_КЛ (график 5), представляющая собой кусочно-линейную аппроксимацию зависимости U_KH (зависимость U_KH формируется устройством, не имеющим преобразователь 7, т.е. прототипом рассматриваемого устройства). Погрешность аппроксимации в этом случае (как видно на фиг.4) Δ_акл значительно больше Δ_а.

Изобретение может быть использовано для контроля параметров тепловизионных приборов. Инфракрасный коллиматор содержит объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости перед фоновым излучателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя. Введен преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый и второй элементы сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры. Обеспечивается повышение точности контроля основных параметров тепловизионных приборов за счет повышения точности поддержания уровня контрастного излучения. 4 ил.

Инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным нагревателем, датчик температуры окружающей среды, корректор, предназначенный для изменения в соответствии с изменением температуры окружающей среды напряжения на входе устройства поддержания разности температур между фоновым излучателем и окружающей средой, вход которого подключен к выходу корректора, а выход - к нагревателю фонового излучателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введен преобразователь, содержащий последовательно соединенные первый формирователь стабилизированного напряжения, первый элемент сопротивления и второй элемент сопротивления, при этом первый вывод второго элемента сопротивления соединен со вторым выводом первого элемента сопротивления, является первым входом преобразователя и подключен к первому выводу датчика температуры окружающей среды, второй вывод второго элемента сопротивления является вторым входом преобразователя и подключен ко второму выводу датчика температуры окружающей среды, а также второй формирователь стабилизированного напряжения, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к первому входу преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя является выходом преобразователя и подключен к входу корректора, а датчик температуры окружающей среды имеет экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры.