ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОР Российский патент 2012 года по МПК G02B27/30 

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

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 стабилизации разности температур между излучателем и мирой, имеющей температуру окружающей среды.

Недостатком данной установки является то, что для стабилизации требуемого постоянного уровня контрастного инфракрасного (ИК) излучения при изменении температуры окружающей среды оператор должен изменять разность температур между фоновым излучателем и мирой в соответствии с зависимостью ΔТ=F(Т_м, ΔM), где:

ΔT - разность температур между фоновым излучателем и мирой;

Т_м - температура миры, равная температуре окружающей среды;

ΔM - уровень контрастного излучения.

Эта зависимость определяется либо расчетным путем, либо по результатам калибровки устройства в рабочем диапазоне температур окружающей среды. Поддержание требуемого уровня ΔТ сложно для оператора, 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 ИК коллиматор (Свидетельство на полезную модель №29155, кл. G02B 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, имеющую температуру окружающей среды, размещенную в фокальной плоскости ИК коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры окружающей среды (миры), выход которого подключен к входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя. Устройство стабилизации уровня контрастного излучения автоматически поддерживает разность температур между фоновым излучателем и мирой на уровне ΔT=F(Т_м, ΔМ). Формируемая в устройстве стабилизации уровня контрастного излучения аналоговым способом зависимость ΔT=F(Т_м, ΔМ) представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию номинальной зависимости, полученной при калибровке ИК коллиматора. В рассматриваемом ИК коллиматоре ΔM имеет одно постоянное заданное значение, вводимое в устройство поддержания уровня контрастного излучения при его настройке.

К недостатку данного ИК коллиматора можно отнести сравнительно большую, до 0,3 К при уровне контрастного излучения 3 К, погрешность поддержания уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, обусловленную погрешностью кусочно-линейной аппроксимации. Кроме того, данный ИК коллиматор поддерживает лишь одно заданное значение ΔМ. Для его изменения необходима перенастройка с заменой подборных электрорадиоэлементов устройства стабилизации уровня контрастного излучения, что требует значительных трудовых и временных затрат и часто неприемлемо.

Невозможность оперативного изменения уровня поддерживаемого контрастного излучения не позволяет использовать один и тот же ИК коллиматор для контроля работоспособности тепловизионных приборов различного типа, требующих в процессе контроля поддержания на их оптическом входе отличающихся значений уровня контрастного излучения, а также не позволяет использовать ИК коллиматор для измерения ряда характеристик тепловизионных приборов, таких как минимально-разрешаемая разность температур и минимально-обнаруживаемая разность температур, в процессе измерения которых необходимо поддерживать различные уровни контрастного излучения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности контроля основных параметров тепловизионных приборов путем повышения точности поддержания заданного значения уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей ИК коллиматора путем обеспечения возможности поддержания различных значений уровня контрастного излучения.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры миры, выход которого подключен к первому входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, дополнительно введено устройство управления, выход которого подключен ко второму входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, при этом устройство стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами устройства стабилизации уровня контрастного излучения, измеритель разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен к третьему входу процессора, и выходной каскад, вход которого подключен к выходу процессора, а выход является выходом устройства стабилизации уровня контрастного излучения, а также тем, что устройство управления выполнено в виде устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления, а также тем, что устройство управления может быть выполнено также в виде последовательно соединенных задатчика и устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления.

На фиг.1 и 2 представлена функциональная схема ИК коллиматора.

ИК коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, размещенную в фокальной плоскости ИК коллиматора перед фоновым излучателем 3, снабженным исполнительным элементом 4, измеритель 5 температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, устройство 7 управления, выход которого подключен ко второму входу устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения. Устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор 8, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения, измеритель 9 разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, выход которого подключен к третьему входу процессора 8, выполненного, например, на микросхеме MSC1211, выходной каскад 10, вход которого подключен к выходу процессора 8, а выход является выходом устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения. Устройство 7 управления может быть выполнено в виде устройства 11 интерфейса (фиг.2), в качестве которого может быть использована, например, микросхема МАХ3243, выход которого является выходом устройства 7 управления. Устройство 7 управления может быть также выполнено в виде последовательно соединенных задатчика 12, например, персонального компьютера и устройства 11 интерфейса (фиг.1), выход которого является выходом устройства 7 управления. На чертежах также показан контролируемый тепловизионный прибор 13.

Работает ИК коллиматор следующим образом.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2, которая может быть выполнена, например, в виде тонкой непрозрачной пластины, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей (см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости ИК коллиматора, создают за счет определенного подогрева или охлаждения исполнительным элементом 4, который может представлять собой, например, нагреватель или термоэлектронный охладитель, фонового излучателя 3 и того, что температура миры 2 равна температуре окружающей среды, контрастный, с определенным уровнем контрастного излучения, поток ИК излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок тепловизионного прибора 13. В тепловизионном приборе 13 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.

Поддержание заданного постоянного уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды (миры 2) обеспечивается за счет изменения по закону ΔT=F(Т_м, ΔM) разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и осуществляется следующим образом.

Напряжение с выхода измерителя 5 температуры миры 2 поступает на первый вход процессора 8. Это напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем (на чертежах не показан), входящим в состав процессора 8 (микросхемы MSC1211), в код, по которому процессор 8, используя предварительно введенную и хранящуюся в его постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) (на чертежах не показано) в виде уравнения или системы уравнений зависимость ΔT=F(Т_м, ΔM), где ΔM может иметь различные значения, находящиеся в пределах рабочего дипазона, рассчитывает для требуемого значения ΔM требуемое значение (код) ΔT, соответствующее измереному значению температуры миры.

С выхода измерителя 9 разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 напряжение, соответствующее измеренному значению ΔT, поступает на третий вход процессора 8, преобразуется входящим в его состав аналого-цифровым преобразователем в код, который затем сравнивается с кодом, соответствующим требуемому значению ΔT. Вычисленный процессором 8 код, соответствующий разности требуемого и измеренного значений ΔT, преобразуется процессором 8 в соответствующий, например, широтно-импульсно-модулированный сигнал, который через выходной каскад 10 поступает на исполнительный элемент 4 фонового излучателя 3, чем обеспечивается поддержание требуемого уровня ΔМ. Предварительный до начала работы в режиме поддержания заданного уровня контрастного излучения ввод зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) в ПЗУ процессора 8 осуществляется задатчиком 12, подключенным через устройство 11 интерфейса ко второму входу процессора 8, и самим процессором 8, обеспечивающим необходимый порядок ввода зависимости в свое ПЗУ. Специального оборудования при вводе зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) в процессор 8 не требуется.

Если ИК коллиматор предназначен для поддержания в процессе работы только одного уровня контрастного излучения, например, контроля в процессе эксплуатации характеристик серийно выпускаемых тепловизионных приборов одного типа, в ПЗУ процессора 8, предварительно, при настройке вводится помимо зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) одно значение (код) ΔМ, соответствующее требуемому уровню ΔМ, и в дальнейшем при контроле характеристик тепловизионных приборов задатчик 12 не требуется. При этом в состав устройства 7 управления входит только устройство 11 интерфейса, необходимое для подключения задатчика 12 в особых случаях, например, при замене контролируемых устаревших тепловизионных приборов на новые с более высокой чувствительностью, что требует установки на оптическом выходе ИК коллиматора нового, более низкого, значения ΔМ. Для его установки достаточно подключить к устройству 11 интерфейса любой персональный компьютер, ввести с помощью любого носителя, например установочного CD-диска, через устройство 11 интерфейса в устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения новое значение ΔМ и отключить компьютер, участие которого в дальнейшей работе не требуется.

Если ИК коллиматор предназначен для поддержания различных уровней ΔМ с возможностью оперативного выбора одного из них, используется устройство 7 управления, снабженное задатчиком 12, с помощью которого в процессор 8 через устройство 11 интерфейса вводится и может оперативно изменяться требуемое значение ΔМ, что позволяет использовать один ИК коллиматор для контроля тепловизионных приборов различного типа и измерять ряд их характеристик, таких как, например, минимально разрешаемая и минимально обнаруживаемая разности температур, требующих установки в определенном порядке различных значений ΔМ. Изменение поддерживаемых уровней ΔМ в процессе измерения характеристик может осуществляться автоматически в определенном порядке задатчиком 12 в соответствии с заложенной в нем программой. Кроме того, представление вводимой в устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔМ) в виде уравнения или системы уравнений значительно снижает (до ±0,03 К) погрешность поддержания требуемого уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды по сравнению с вариантом формирования этой зависимости аналоговым способом (погрешность до ±0,3 К), что позволяет повысить точность контроля основных параметров тепловизионных приборов.

Инфракрасный коллиматор содержит объектив, миру, измеритель температуры миры и устройство управления. Мира размещена в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом. Выход измерителя температуры миры подключен к первому входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя. Выход устройства управления подключен ко второму входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения. Устройство стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор, измеритель разности температур между фоновым излучателем и мирой и выходной каскад. Первый и второй входы процессора являются первым и вторым входами устройства стабилизации уровня контрастного излучения. Выход измерителя разности температур между фоновым излучателем и мирой подключен к третьему входу процессора. Вход выходного каскада подключен к выходу процессора, а выход является выходом устройства стабилизации уровня контрастного излучения. Технический результат - повышение точности контроля основных параметров тепловизионных приборов путем повышения точности поддержания заданного значения уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей ИК коллиматора путем обеспечения возможности поддержания различных значений уровня контрастного излучения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры миры, выход которого подключен к первому входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введено устройство управления, выход которого подключен ко второму входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, при этом устройство стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами устройства стабилизации уровня контрастного излучения, измеритель разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен к третьему входу процессора, и выходной каскад, вход которого подключен к выходу процессора, а выход является выходом устройства стабилизации уровня контрастного излучения.

2. Инфракрасный коллиматор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления выполнено в виде устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления.

3. Инфракрасный коллиматор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления выполнено в виде последовательно соединенных задатчика и устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления.