МИРА ДЛЯ НАСТРОЙКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С МАТРИЧНЫМИ ФОТОПРИЕМНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01M11/02 G03B43/00 H04N17/00 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при настройке и определении основных параметров оптико-электронных систем (ОЭС), использующих матричные фотоприемные устройства (МФПУ).

Известна мира для настройки и определения параметров оптико-электронных систем с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), содержащая расположенные параллельно друг другу в ряд четыре идентичных прямоугольных штриха, ширина которых равна расстоянию между ними [Патент России №2244950].

Способ использования известной миры при настройке оптико-электронной системы включает в себя:

- продольное совмещение плоскости МФПУ и фокальной плоскости объектива оптико-электронной системы (допустимая ошибка в продольном измерении для светосильных объективов составляет 0,1…0,3 от размера пиксела матричного фотоприемного устройства),

- установку параллельности плоскости МФПУ и плоскости действительного изображения миры (допустимая ошибка не более половины мгновенного поля зрения оптико-электронной системы),

- обеспечение точного взаимного расположения фокальной плоскости объектива ОЭС и плоскости матричного фотоприемного устройства в измерении, перпендикулярном оптической оси объектива коллиматора (допустимая ошибка не должна превышать 0,1…0,05 от поперечных размеров пиксела).

Качество настройки оптико-электронной системы контролируется контрастом получаемого изображения от группы штрихов с высокой пространственной частотой.

Однако, на этот процесс подстройки по фокусу неизбежно накладывается паразитный поворот и рассогласование по углу между оптическими осями объектива коллиматора и объектива ОЭС, приводящие к произвольному распределению потоков энергии в плоскости изображений. Чтобы попасть в зону перетяжки светосильных объективов оптико-электронной системы (продольный размер этой зоны ~5 мкм) нужно установить объектив ОЭС так, чтобы ошибка не превышала 1…2 мкм.

Кроме того, при настройке необходимо выдержать совпадение оптических осей объектива коллиматора и объектива оптико-электронной системы, (допустимая ошибка не более ±3 угл. с). Одновременно выполнить эти требования технически очень трудно и, так как заранее свойства конкретного объектива ОЭС не известны, то оптимальную настройку можно осуществить лишь случайно.

Как правило, изображение штрихов миры относительно пикселов МФПУ располагается случайным образом, а определение параметров оптико-электронной системы, по окончании процесса настройки,

посредством визуального контроля изображения приводит к значительной ошибке.

Наиболее близкими по технической сущности, достигаемому результату и выбранными за прототип являются мира с ориентацией групп штрихов миры под различными углами вокруг оптической оси коллиматора и способ настройки оптико-электронной системы с ее использованием, при котором производится объективный анализ качества настройки посредством измерения отношения сигнал-шум на полученном изображении миры с помощью стандартных электронных приборов, например, осциллографа [Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. «Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов», Казань, 2006 г., изд. «Отечество», стр.370].

Однако, прототип, обеспечивая объективность амплитудных измерений, имеет те же недостатки, которые рассмотрены выше, и также не обеспечивает высокого качества настройки и определения параметров оптико-электронной системы.

Две неопределенности:

- по положению матричного фотоприемного устройства относительно фокальной плоскости объектива оптико-электронного устройства и

- по азимутальному углу между осью коллиматора и осью объектива оптико-электронного устройства

никогда не позволят ответить на поставленные вопросы в рамках существующей методики настройки.

К тому же, ориентация групп штрихов миры под различными углами вокруг оптической оси коллиматора представляется избыточной, поскольку оптические системы оптико-электронной системы, как правило, имеют осевую симметрию и их пространственное разрешение под различными углами к оптической оси является детерминированным и заранее известным.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- обеспечение качественной настройки оптико-электронной системы с МФПУ;

- определение точного фокусного расстояния оптико-электронной системы с МФПУ;

- определение температурного разрешения оптико-электронной системы.

Технический результат достигается тем, что мира для настройки и определения параметров оптико-электронных систем с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ), содержит для формирования, с помощью коллиматора калиброванного потока энергии расположенные параллельно друг другу в ряд идентичные прямоугольные штрихи N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними.

Согласно изобретению, идентичные прямоугольные штрихи N_ВЧ, выполнены узкими, причем их ширина b_ВЧ определяется исходя из выражения:

b_ВЧ=F/f₀*(m+δ), где:

F - фокусное расстояние коллиматора,

f₀ - фокусное расстояние объектива оптико-электронной системы,

m - размер пиксела матричного фотоприемного устройства,

δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела и равна:

0,01*m<δ<0,1*m

Число узких штрихов миры определяется выражением:

N_ВЧ≥2 m/δ,

а высоту узких штрихов миры h выбирают в пределах:

h≥F/f₀*5m.

Кроме того, мира содержит расположенные на линии узких штрихов N_ВЧ, по ее краям, по крайней мере, по одному широкому штриху N_НЧ по высоте равной высоте узких штрихов N_ВЧ, а по ширине В_НЧ равной: В_НЧ=(5…10)*b_ВЧ.

Сущность изобретения может быть объяснена следующим образом.

Предполагается, что объект (мира) находится в бесконечности. Это положение миры имитируется ее расположением в фокальной плоскости длиннофокусного объектива коллиматора. Общее расположение элементов коллиматорной системы при настройке оптико-электронной системы показано на фиг.1.

В графических материалах данной заявки на изобретение приняты следующие обозначения:

1 Мира,

2 Объектная плоскость,

3 Объектив коллиматора,

4 Объектив оптико-электронной системы (ОЭС),

5 Изображение миры,

6 Матричное фотоприемное устройство (МФПУ),

7 Изображение сигнала на мониторе,

8 Изображение сигнала на осциллографе,

9 Пикселы МФПУ,

10 Распределение энергии от штрихов миры,

11 Оптическая ось объектива коллиматора,

12 Оптическая ось объектива ОЭС,

13 Непрозрачный лист,

14 Узкие штрихи,

15 Широкие штрихи,

16 Пучности сигнала по амплитуде,

17 Перетяжки сигнала по амплитуде.

Объективом 4 оптико-электронной системы создается уменьшенное в К=F/f₀ раз изображение миры 1 в плоскости изображений, здесь:

F - фокусное расстояние объектива 3 коллиматора,

f₀ - фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы.

Для светосильного объектива 4 оптико-электронной системы его диаметр соизмерим с фокусным расстоянием (D≈f₀), и угол сходимости излучения точечного источника β~60°, что требует высокой точности взаимного продольного расположения системы: объектив 4 оптико-электронной системы - МФПУ 6.

В известных технических решениях, как правило, используются миры 1 с четырьмя штрихами, а изображение 5 штрихов миры 1 относительно пикселов 9 МФПУ 6 располагается случайным образом. Это создает некоторую разницу в воспроизведении, казалось бы, идентичных штрихов. В известных технических решениях ширина изображения 5 штрихов миры 1 в плоскости МФПУ 6 не привязана четко к ширине самого штриха и может быть как существенно больше, так и существенно меньше размера пиксела 9 МФПУ 6. Поэтому, образующаяся случайная разница во взаимном положении изображения 5 штрихов миры 1 и пикселов 9 МФПУ 6, при измерении амплитуд выходных сигналов с помощью стандартных электронных приборов, например, осциллографа, может приводить к большой ошибке.

В данном же изобретении ширина штрихов миры 1, а следовательно, и ширина изображения 5 штрихов, определенным образом согласована с размером пиксела 9 МФПУ 6, а именно, расчетная ширина изображения 5 штрихов миры 1 с учетом параметров коллиматора и пикселов 9 МФПУ 6, немного (на δ≈5-10%) больше размера пиксела 9, и при большом количестве штрихов миры 1 N>20, ее изображение неизбежно пробежит все взаимные положения пары "изображение 5 штриха миры 1 - пиксел 9 МФПУ 6''.

Рассмотрим пример, когда ширина изображения 5 штриха миры 1 равна размеру пиксела 9 (фиг 3).

Пусть плоскость МФПУ 6 уже находится в фокусе объектива 4 оптико-электронной системы, а система настроена идеально. Такое распределение иллюстрирует фиг.3а.

В другом идеальном случае, если, например, повернуть оптическую ось 12 системы: объектив 4 ОЭС - МФПУ 6 относительно оптической оси 11 коллиматора на угол φ₀=m/2f₀, то произойдет смещение центров распределения потоков энергии от фрагментов миры 1 в плоскости изображений. Соседние пикселы 9 будут получать равную (половинную) энергию и контраста в выходном изображении не будет совсем, (фиг.3б).

Для наиболее вероятного произвольного угла β (фиг. 3в) смещение потоков энергии будет промежуточным, что обеспечит лишь частичный контраст, сильно искажающий общую картину при настройке.

В предлагаемом способе, поскольку в плоскости матричного фотоприемного устройства 6 ширина изображения штрихов 5 миры 1 отличается от размера пиксела 9 m на величину δ, которая в кратное число раз меньше размера пиксела 9 m, а число штрихов миры 1 N_ВЧ достаточно велико, при умеренной непараллельности осей объектива 3 коллиматора и объектива 4 оптико-электронной системы, ограничиваемой лишь полем зрения оптико-электронной системы, неизбежно возникает ситуация, когда на какой-то пиксел 9 (О) (фиг.4) будет падать половинная энергия от штриха миры 1, а другая половина - на соседний пиксел 9, т.е контраста не будет, в этом месте образуется перетяжка 17 в последовательности сигналов; пара соседних пикселов 9 будет получать слегка отличную энергию, т.е. размах сигнала будет небольшой, а по мере удаления от пиксела 9 (О) разность освещенности соседних пикселов 9 будет возрастать и неизбежно проявится группа пикселов 9 с наибольшим контрастом (пучность 16), в том числе и пиксел 9 (А), находящийся в центре пучности 16, имеющий максимальный контраст и, соответственно, дающий максимальную амплитуду сигнала U_СВ.

По полученным на экране видеоконтрольного устройства сигналам от узких штрихов 14 миры 1, имеющим вдоль строки пучности 16 и перетяжки 17 по амплитуде, и сигналам от широких штрихов 15 миры 1, накрывающем сразу группу (например, 5) пикселов 9 и имеющему вдоль строки постоянное значение амплитуды, осуществляют фокусировку ОЭС и определяют ее пространственное разрешение на частоте, близкой к предельной частоте (частоте Найквиста).

Согласно изобретению, способ настройки и определения параметров ОЭС с МФПУ включает формирование действительного изображения калиброванного источника излучения (миры) 1 в плоскости матричного фотоприемного устройства 6, воспроизведение сигнала от действительного изображения калиброванного источника излучения (миры) 1 на экране видеоконтрольного устройства и по полученному сигналу оценку настройки оптико-электронной системы.

В этом случае при осуществлении способа в качестве калиброванного источника излучения используют вышеописанную штриховую миру 1, содержащую расположенные параллельно друг другу в ряд идентичные узкие прямоугольные штрихи 14 N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними и определяется исходя из выражения:

b_BЧ=F/f₀*(m+δ),где:

F - фокусное расстояние коллиматора;

f₀ - фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы;

m - размер пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6,

δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела 9 и равна:

0,01*m<δ<0,1*m.

Если величина δ будет больше 0,1_*m, то это приведет к снижению точности настройки и измерений.

Величина δ<0,01_*m потребует увеличения числа штрихов миры до величины N_ВЧ≥100, что технически нецелесообразно.

Число узких штрихов 14 миры 1 N_ВЧ≥2 m/δ,

При числе узких штрихов 14 миры 1 менее этой величины снижается точность измерений.

Высоту узких штрихов 14 миры 1 h выбирают в пределах:

h≥F/f_0*5m.

Высота узких штрихов 14 менее этой величины приведет к необходимости жестко контролировать горизонтальное расположение миры.

Мира 1 также содержит расположенные на линии узких штрихов 14 N_ВЧ по ее краям по крайней мере по одному широкому штриху 15 N_ВЧ по высоте равной высоте узких штрихов 14 N_ВЧ, а по ширине В_НЧ равной:

В_НЧ=(5…10)_*b_ВЧ.

Ширина широких штрихов 15 выбирается из условия получения стабильного сигнала в независимости от взаимного расположения пикселов 9 МФПУ 6 и падающего на них излучения от широких штрихов 15 миры 1.

Ширина В_НЧ<5 b_ВЧ. не обеспечивает стабильность сигнала вследствие оптических аберраций.

Ширина В_НЧ>10 b_ВЧ.. конструктивно не целесообразна.

Используя вышеописанную миру при осуществлении способа:

- на экране видеоконтрольного устройства формируют сигнал от узких штрихов 14 миры 1, имеющий вдоль строки пучности 16 и перетяжки 17 сигнала по амплитуде и сигнал от широких штрихов 15 миры 1, имеющий вдоль строки постоянное значение амплитуды,

- по сигналу от узких штрихов 14 миры 1 и сигналу от широких штрихов 15 миры 1 выполняют взаимное совмещение плоскости матричного фотоприемного устройства 6, фокальной плоскости объектива 4 оптико-электронной системы и плоскости действительного изображения миры 1, причем изображение от узких 14 и широких 15 штрихов миры 1 в плоскости матричного фотоприемного устройства 6 ориентируют вдоль направления строки его пикселов 9,

- измеряют характеристики сигнала от узких штрихов 14 миры 1 и характеристики сигнала от широких штрихов 15 миры 1 и по измеренным характеристикам и по их соотношению определяют качество настройки оптико-электронной системы и. ее параметры.

В частности, при осуществлении способа для определения качества настройки оптико-электронной системы в качестве характеристик сигнала от узких штрихов 14 миры 1 и сигнала от широких штрихов 15 миры 1 измеряют максимальное значение амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ и значение амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ, при этом качество настройки оптико-электронной системы определяют по отношению максимального значения амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ к значению амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ

М=(U_ВЧ/U_НЧ)_*100%.

Температурное разрешение оптико-электронной системы ΔТ_ВЧ в центре поля зрения, определяют по максимальному значению амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ, значению амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ, и температурному разрешению ΔТ_HЧ, исходя из выражения:

ΔТ_ВЧ=ΔТ_НЧ*(U_ВЧ/U_HЧ)²

при этом температурное разрешение ΔТ_НЧ определяют исходя их выражения ΔТ_НЧ=U_Ш*ΔТ₀/U_НЧ, где U_Ш - среднеквадратичное значение шума, а ΔТ_о=1 К.

Предлагаемый способ позволяет также составить карту температурного разрешения ΔТ_ВЧ(X,Y) по полю зрения оптико-электронной системы.

С этой целью изменяя положение оптической оси 11 коллиматорной системы относительно оптической оси 12 ОЭС формируют изображения штрихов миры 1 в заданных локальных областях матричного фотоприемного устройства 6, производят измерение амплитуд сигналов от узких 14 (U_Bi) и широких 15 (U_Hi) штрихов миры 1 в заданных локальных областях поля зрения оптико-электронной системы, исходя их выражения ΔТ_ВЧi=ΔT_НЧ*(U_Hi/U_Bi)² определяют температурное разрешение ОЭС ΔТ_ВЧi в данной локальной области поля зрения, и производят составление карты температурного разрешения ΔТ_ВЧ(Х, У) по полю зрения оптико-электронной системы.

При осуществлении способа для определения точного фокусного расстояния объектива 4 оптико-электронной системы в центре поля зрения в качестве характеристик сигнала от узких штрихов 14 миры 1 определяют измеренное значение числа перетяжек 17 в этом сигнале и измеренное число импульсов вне перетяжек 17, а точное значение фокусного расстояния объектива 4 ОЭС в центре поля зрения определяют по формуле:

f_ИСТО=f_O*((N_ПЕР-1)*n₀+n_ИМП1)/((N_ПК-1)*n₀), где:

N_ПЕР - измеренное число перетяжек 17;

n_ИМП1 - измеренное число импульсов вне перетяжек 17;

N_ПК - расчетное число перетяжек 17 для идеального объектива 4 с фокусным расстоянием f_О.

n₀ - расчетное число импульсов между соседними перетяжками 17;

f_O - расчетное значение фокусного расстояния, при котором изображение миры 1 должно обеспечивать N_ПK перетяжек 17, а n_ИМП1=0;

Предлагаемый способ позволяет также составить карту отклонений значений реальных фокусных расстояний для заданных областей поля зрения объектива 4 оптико-электронной системы от расчетного значения его фокусного расстояния.

С этой целью при осуществлении способа, изменяя положение оптической оси 11 коллиматора относительно оптической оси 12 ОЭС, формируют изображения штрихов миры 1 в заданных локальных областях МФПУ 6, затем производят измерение числа перетяжек 17 в этом сигнале и измерение числа импульсов вне перетяжек 17,

Исходя из выражения:

f_ИСТi=f_O*((N_ПЕР-1)*n₀+n_ИМП1)/(N_ПК-1)*n₀),

определяют реальное фокусное расстояние объектива 4 ОЭС f_ИСТi в заданных локальных областях поля зрения ОЭС и, исходя из полученных значений и выражения

Δf(X,Y)=f_ИСТi-f_O,

составляют карту отклонений значений реальных фокусных расстояний f_ИСТi по полю зрения ОЭС от расчетного значения фокусного расстояния (f_O).

Предлагаемый способ, в силу своей простоты и точности, позволяет производить измерения изменений основных параметров ОЭС в диапазоне рабочих температур или после механических воздействий на ОЭС.

Изобретение поясняется чертежом, где

на фиг.1 приведена оптическая схема системы «мира-коллиматор-объектив ОЭС-МФПУ»;

на фиг.2 приведен один из вариантов предлагаемой штриховой миры;

на фиг.3 приведен пример, когда ширина изображения штриха пиксела равна шагу пиксела в случае, когда плоскость МФПУ находится в фокусе объектива ОЭС; здесь:

- фиг.3а иллюстрирует идеальную настройку, все излучение от штриховой миры попадает на «нужные» пикселы МФПУ, на соседние с ними пикселы излучение практически не попадает. Регистрируемый МФПУ контраст так же, как и размах сигнала на выходе ОЭС максимальный,

- фиг.3б иллюстрирует другой крайний случай, когда вследствие непараллельности осей коллиматора и объектива ОЭС изображение миры сдвинуто в картинной плоскости на величину m/2 из-за остаточной непараллельности (угол α_о=m/2f_o). Соседние пикселы МФПУ получают равную энергию. Контраста и сигнала на выходе оптико-электронной системы нет вообще,

- фиг.3в иллюстрирует общий случай. Например, нечетные пикселы получают больше энергии, чем четные. Имеет место частичный контраст и некоторый промежуточный размах сигнала на выходе оптико-электронной системы;

на фиг.4 иллюстрируется последовательность сигналов от МФПУ при небольшом несовпадении периодов пикселов матричного фотоприемника и изображения штрихов миры в картинной плоскости;

- фиг.4а поясняет происхождение изменения амплитуды сигналов от взаимного расположения пикселов МФПУ и изображений штрихов миры;

- фиг.4б иллюстрирует последовательность сигналов по строке от матричного фотоприемного устройства на выходе ОЭС;

на фиг.5-1 и 5-2 показаны реальные сигналы, полученные при помощи предлагаемой миры в различных локальных участках поля зрения ОЭС для двух объективов из одной серии (теоретически рассчитанное фокусное расстояние объективов f₀=100 мм).

- фиг.5а - для объектива А;

- фиг.5б - для объектива Б.

Мира 1 для настройки и определения параметров ОЭС с МФПУ посредством создания калиброванного потока энергии, с помощью коллиматора, содержит расположенные параллельно друг другу в ряд идентичные узкие прямоугольные штрихи 14 N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними и определяется выражением:

b_ВЧ=F/f₀*(m+δ), где:

F - фокусное расстояние объектива 3 коллиматора,

f_o - фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы,

m - размер пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6,

δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела 9 и равна:

0,01*m<δ<0,1*m,

при этом число узких штрихов 14 миры N_ВЧ≥2m/δ, а высоту узких штрихов 14 миры выбирают в пределах:

h≥F/f₀*5m,

Кроме того, мира 1 содержит расположенные на линии узких штрихов 14 N_ВЧ, по ее краям, по крайней мере по одному широкому штриху 15 высота которых равна высоте узких 14 штрихов h, а их ширина (В_НЧ) равной: В_НЧ=(5…10)*b_ВЧ.

Мира 1 для объективов 4 с малым фокусным расстоянием (f<70 мм, величина b_ВЧ>1 мм) может быть изготовлена механическим способом, например, на координатном станке. Миру 1 с шаговым расстояние м<1 мм лучше всего изготавливать фотолитографическим нанесением металлической маски на прозрачную пластину, выполненную, например, из ZnSe.

На фиг.2 приведен один из возможных вариантов заявляемой штриховой миры 1. Штриховая мира 1 выполнена из ZnSe (керамика ПО-4).

Число узких штрихов 14 равно 24

Число широких штрихов 15 равно 2

Ширина узкого штриха равна 260⁺¹⁰ мкм,

Шаг узкого штриха равен 515^±10 мкм.

Ширина широкого штриха 15 равна 1,4 мм.

Способ использования заявляемой миры при настройке оптико-электронной системы осуществляется следующим образом.

При осуществлении способа используют (фиг.1) оптическую схему: «мира 1-объектив 3 коллиматора-объектив 4 оптико-электронной системы - матричное фотоприемное устройство 6».

Узкие штрихи 14 миры 1 и широкие штрихи 15 миры 1 сориентированы в плоскости матричного фотоприемника 6 вдоль направления строки пикселов 9.

Фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы f_ИКi=132 мм.,

Фокусное расстояние объектива 3 коллиматора F=1000 мм.

Размер пиксела 9 матричного фотоприемника 6 m=35 мкм.

В процессе настройки оптико-электронной системы:

- совмещают плоскость матричного фотоприемного устройства 6 и фокальную плоскость объектива 4 оптико-электронной системы;

- плоскость матричного фотоприемного устройства 6 и плоскость действительного изображения миры 1 совмещают друг с другом;

- формируют действительное изображение миры 1 в плоскости матричного фотоприемника 6,

- воспроизводят действительное изображение миры 1 на экране видеоконтрольного устройства (на чертеже не показано),

При настройке по фокусу, изображение миры 1 устанавливается в центральной части матричного фотоприемного устройства 6, фокусировка осуществляется средствами коллиматора, по мере приближения изображения 5 миры к фокальной плоскости матричного фотоприемного устройства 6 размах сигналов от узких штрихов 14 миры U_ВЧ будет возрастать, приближаясь к величине сигнала от широких штрихов 15 U_НЧ. Паразитная непараллельность, неизбежно возникающая при продольной настройке объектива 4 оптико-электронной системы, приведет лишь к смещению положения перетяжки 17 и пучности 16 сигнала U_ВЧ, не изменяя ни величины последнего, ни расстояния между пучностью 16 и перетяжкой 17 сигнала,

- измеряют максимальное значение амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_BЧ и значение амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ;

- качество настройки оптико-электронной системы определяют по отношению максимального значения амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_BЧ к значению амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ.

М=(U_BЧ/U_НЧ)*100%.

По максимальному значению амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ; значению амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ; и температурному разрешению ΔТ_НЧ, исходя их выражения:

ΔТ_ВЧ=ΔT_НЧ*(U_ВЧ/U_НЧ)²

определяют температурное разрешение оптико-электронной системы ΔТ_ВЧ в центре поля зрения.

Температурное разрешение ΔТ_НЧ определяют исходя их выражения

ΔТ_НЧ=U_Ш*ΔТ₀/U_НЧ,

где U_щ - стеднеквадратичное значение шума, а ΔТ₀=1 К.

Изменяя положение оптической оси 11 коллиматорной системы относительно оптической оси 12 объектива 4 оптико-электронной системы формируют изображени 5 миры 1 в заданных локальных областях матричного фотоприемного устройства 6, производят измерение амплитуд сигналов от узких 14 (U_ВЧi) и широких 15 (U_НЧi) штрихов миры 1 в заданных локальных областях поля зрения оптико-электронной системы, исходя их выражения ΔТ_ВЧi=ΔT_НЧ*(U_HЧi/U_BЧi)² определяют температурное разрешение оптико-электронной системы ΔТ_ВЧi в данной локальной области поля зрения, и производят составление карты температурного разрешения ΔТ_ВЧ(Х, У) по полю зрения оптико-электронной системы.

Реальное (точное) фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы в центре поля зрения может немного отличаться от расчетного (контрольного) значения.

Способ определения реального (точного(фокусного расстояния объектива 4 оптико-электронной системы в центре поля зрения осуществляется следующим образом.

При осуществлении способа используют (фиг.1) оптическую схему: «мира 1-объектив 3 коллиматора-объектив 4 оптико-электронной системы-матричное фотоприемное устройство 6».

Узкие штрихи 14 миры 1 и широкие штрихи 15 миры 1 сориентированы в плоскости матричного фотоприемника 6 вдоль направления строки пикселов 9.

При осуществлении способа предварительно осуществляют настройку оптико-электронной системы, а именно:

- совмещают плоскость матричного фотоприемного устройства 6 и фокальную плоскость объектива 4 оптико-электронной системы;

- плоскость матричного фотоприемного устройства 6 и плоскость действительного изображения миры 1 совмещают друг с другом;

- формируют действительное изображение 5 миры 1 в плоскости матричного фотоприемника 6,

- воспроизводят действительное изображение 5 миры 1 на экране видеоконтрольного устройства (на чертеже не показано),

- измеряют максимальное значение амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ и значение амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_НЧ;

-качество настройки оптико-электронной системы определяют по отношению максимального значения амплитуды сигнала от узких штрихов 14 миры 1 U_ВЧ к значению амплитуды сигнала от широких штрихов 15 миры 1 U_HЧ.

М=(U_ВЧ/U_НЧ)*100%.

Затем в качестве характеристик сигнала от узких штрихов 14 миры 1 определяют контрольное (расчетное) значение числа перетяжек 17 N_ПК, (контрольное) расчетное число импульсов между соседними перетяжками 17 n₀, текущее (измеренное) значение числа перетяжек 17 N_ПЕР и текущее (измеренное) число импульсов вне перетяжек 17 n_ИМП1.

Расчетное значение числа перетяжек 17 N_ПК, и расчетное число импульсов между соседними перетяжками 17 n₀ от узких штрихов 14 миры 1 определяют путем геометрических построений. Текущее (измеренное) значение числа перетяжек 17 N_ПЕР, текущее (измеренное) число импульсов вне перетяжек 17 n_ИМП1 в сигнале от узких штрихов 14 миры 1 считывают с экрана видеоконтрольного устройства (на чертеже не показано).

Точное значение фокусного расстояния объектива 4 ОЭС в центре поля зрения определяют по формуле:

f_ИСТ0=f_O*((N_ПЕР-1)*n₀+n_ИМП1)/((N_ПК-1)*n₀)), где:

f_O - расчетное значение фокусного расстояния, при котором изображение миры 1 должно обеспечивать N_ПK перетяжек 17, а n_ИМП1=0;

n₀ - расчетное число импульсов между соседними перетяжками 17;

N_ПЕР - измеренное число перетяжек 17;

n_ИМП1 - число импульсов вне перетяжек 17;

N_ПK - расчетное число перетяжек 17 для идеального объектива 4 с фокусным расстоянием f_О.

Пусть:

F - фокусное расстояние объектива 3 коллиматора;

f_о - фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы;

К=f_o/F - коэффициент увеличения системы объектив 3 коллиматора - объектив 4 оптико-электронной системы;

m - размер пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6;

р(%)=Δх_*100/m - отношение разности между размером пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6 и размером изображения 5 миры 1 в картинной плоскости (Δх, мм) к размеру пиксела 9 m, мм;

Тогда N_o - число импульсов между перетяжками 17 равно:

N_o=m_*100/p.

В качестве примера рассмотрим систему мира 1 - объектив 3 коллиматора - объектив 4 оптико-электронной системы - матричное фотоприемное устройство 6, которая обеспечивает изображение миры 1 в плоскости матричного фотоприемного устройства 6 с шаговым расстоянием штрихов на 2% больше двойного шага пикселов 9 матричного фотоприемного устройства 6. Пусть фокусное расстояние объектива 3 коллиматора F равно 1000 мм, объектива 4 оптико-электронной системы f_o равно 100 мм, а размер пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6 равен 35 мкм, тогда:

- коэффициент увеличения такой оптической системы К=0,1;

- шаговое расстояние узких штрихов 14 миры 1 составит 2х_м=2_*35_*10=0,7 мм,

- поперечный размер изображения узкого штриха 14 миры 1 на поверхности матричного фотоприемного устройства 6 будет равен x_им1=35,7 мкм,

- число сигнальных импульсов между двумя перетяжками 17 составит N_o=35/(35,7-35)=50 шт.

Пусть теперь фокусное расстояние объектива 4 оптико-электронной системы изменится на 1%, например, вследствие воздействия температуры, и станет равным f₁=101 мм; это приведет к следующему:

- изменится коэффициент увеличения системы объектив 3 коллиматора - объектив 4 оптико-электронной системы, который станет равным K₁=f₁:F=1:9,901;

- изменится поперечный размер изображения 5 штриха миры 1 на поверхности матричного фотоприемного устройства 6, который станет равным x_им2=35,35 мкм, изменение составит по сравнению с первым случаем на 0,35 мкм/пиксел;

- разность между размером пиксела 9 матричного фотоприемного устройства 6 и размером изображения 5 миры 1 в картинной плоскости станет равной Δх=0,35 мкм;

- относительно рассмотренного ранее случая произойдет сдвижка изображения 5 миры 1 в картинной плоскости и на 50 поперечных размерах изображения штриха миры она накопится и составит

ΔS=50_*Δх=17,5 мкм;

- число сигнальных импульсов между перетяжками 17 в картинной плоскости возрастет на ΔN=N₁-N₀=17,5/0,35=50 и составит N₁=100 импульсов и, соответственно, в выходном сигнале число импульсов между перетяжками 17 увеличится с 50 до 100, число импульсов можно сосчитать с помощью осциллографа,

- таким образом, изменение фокусного расстояния на 1% привело в рассматриваемом случае к резкому возрастанию импульсов между перетяжками 17 (ΔN=50), что позволяет определить изменение фокусного расстояния Δf=f₁-f₀ при ошибке в ±1 импульс с ошибкой не более Δf_*1%=±1/ΔN (%), в рассматриваемом случае ошибка составит

Δf=±1/50 (%)=±0,02%.

Карту отклонений значений реальных фокусных расстояний f_ИСТi по полю зрения ОЭС от расчетного значения фокусного расстояния (f_О) составляют следующим образом.

Изменяя положение оптической оси 11 коллиматорной системы относительно оптической оси 12 объектива 4 оптико-электронной системы формируют изображения 5 штрихов миры 1 в заданных локальных областях матричного фотоприемного устройства 6,

Затем измеряют число перетяжек 17 и число импульсов вне перетяжек 17 в сигнала от узких штрихов в заданных локальных областях МФПУ, затем исходя из выражения:

f_ИСТi=f_O*((N_ПЕР-1)*n₀+n_ИМП1)/((N_ПК-1)*n₀),

определяют реальное фокусное расстояние объектива 4 ОЭС f_ИСТi в заданных локальных областях поля зрения ОЭС и, исходя из полученных значений и выражения

Δf(X,Y)=f_ИСТi-f_О,

составляют карту отклонений значений реальных фокусных расстояний f_ИСТi по полю зрения ОЭС от расчетного значения фокусного расстояния (f_О).

На фиг.5-1 и 5-2 показаны реальные сигналы на выходе ОЭС с МФПУ 6 при измерении параметров штриховой миры 1 в различных местах поля зрения ОЭС. Измерения проведены для двух объективов А и Б..

Мира содержала 48 штрихов, причем расстояние между штрихами равнялось ширине штрихов, Ширина штрихов рассчитывалась таким образом, чтобы объектив 4 ОЭС обеспечивал в плоскости МФПУ семь перетяжек 17 в случае, если его фокусное расстояние будет равно 100±0,1 мм.

В таблице 1 приведены данные измерений фокусного расстояния двух объективов (А и Б), представленных на фиг.5-1 и 5-2 в различных местах их поля зрения: в центре; в правом верхнем углу (ПВ); в левом нижнем углу (ЛН) и в правом нижнем углу (ПН). Изменение фокусного расстояния реальных объективов по полю зрения, или от рабочей температуры способ позволяет отслеживать с ошибкой не более 0,1%.

В таблице 2 приведены данные по температурной чувствительности ОЭС (ΔТ_ПГЧ; К) на пространственной частоте, близкой к граничной, в разных участках поля зрения. При расчете предполагалось, что на низкой пространственной частоте ОЭС имеет одинаковое температурное разрешение ΔТПНЧ=0,1 К по всему полю зрения ОЭС.

Экспериментальные данные говорят о следующем:

- на граничной пространственной частоте, близкой к частоте Найквиста, величина ΔТ_ПНЧ больше ΔТ_ПНЧ в 2,5-14 раз;

- величина ΔТ_ПГЧ, К сильно зависит от координат участка, и может изменяться в 4-5 раз в зависимости от качества объектива и точности его настройки;

- оптические оси системы "объектив - МФПУ" смещены относительно центра МФПУ создавая асимметрию чувствительности по полю зрения:

- для объектива А - вниз;

- для объектива Б - влево.

Таблица 1. Параметр Объектив А Объектив Б Центр ПВ ЛН ПН Центр ПВ ЛН ПН (N-1)+ΔN 6,83 8 7,74 8,1 6,86 6,71 7 6,86 Δf% - 0,86% - 2,12% - 1,8% - 2,14% - 0,73% - 0,3% - 1,1% - 0,8% f_i 99,14 97,88 98,2 97,86 100,73 99,7 98,9 99,2 где: N - число перетяжек в сигнале; N₀ - число импульсов между двумя перетяжками; Δn - дополнительное число импульсов, не попавших между перетяжками f_i - реальное фокусное расстояние для данного локального участка   Таблица 2     Объектив А Центр ПВ ЛН ПН ΔТ_ПГЧ, К 0,24 0,54-1,22 0,4-1,1 0,25-0,62 Объектив Б ΔТ_ПГЧ, К 0,27 0,67-1,38 0,34-0,68 0,68-1,06

Предполагается, что точная симметричная настройка объектива путем подбора или центровки его элементов позволит существенно выровнять температурную чувствительность по полю зрения ОЭС.

В конечном итоге, предлагаемое изобретение позволяет:

а) повысить качество настройки ОЭС с МФПУ;

б) из-за относительности измерений сигналов от узких и широких штрихов миры проводить измерения при значительных перепадах температур мира - фон, и, в конечном итоге, получать высокое отношение сигнал-шум-100 и точность измерений;

в) объективно фиксировать амплитуды сигналов U_ВЧ и U_НЧ и, при необходимости, записывать их отношение в память ЭВМ.

г) определить изменение фокусного расстояния объектива в зависимости от изменения температуры и, соответственно, степень расстройки ОЭС в диапазоне рабочих температур;

д) определять размер поля зрения ОЭС с высокой точностью, поскольку параметры МФПУ, в том числе, его температура, являются стабильными;

е) создать механизм термокомпенсации ОЭС или посредством подбора материалов конструкции объектив - МФПУ, или методами электронной компенсации, посредством введения в оптическую схему объектива ОЭС юстировочного элемента, положение которого определяется рабочей температурой.

Следует отметить, что хотя в описании изобретения были представлены и проиллюстрированы только предпочтительные варианты выполнения изобретения, в него могут быть внесены различные модификации и изменения, не затрагивающие существа и объема изобретения, определяемого формулой изобретения.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемая мира для настройки и измерения параметров ОЭС с МФПУ

может быть изготовлена и использована в соответствии с предлагаемым описанием.

Мира содержит расположенные параллельно в ряд идентичные прямоугольные узкие штрихи N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними и определяется, исходя из выражения: b_ВЧ=F/f_0*(m+δ), где F - фокусное расстояние коллиматора; f₀ - фокусное расстояние объектива оптико-электронной системы (ОЭС); m - размер пиксела матричного фотоприемного устройства (МФПУ); δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела и равна 0,01_*m<δ<0,1_*m. Число узких штрихов N_ВЧ≥2m/δ, а их высота h≥F/f₀*5m. Мира содержит расположенные на линии узких штрихов N_BЧ, по ее краям, по крайней мере по одному широкому штриху N_НЧ по высоте, равной высоте узких штрихов N_ВЧ, а по ширине B_НЧ=(5…10)_*b_ВЧ. Способ включает формирование действительного изображения миры в плоскости МФПУ, воспроизведение сигнала от узких и широких штрихов, по которому выполняют взаимное совмещение плоскости МФПУ, фокальной плоскости объектива ОЭС и плоскости действительного изображения миры. Изображение от узких и широких штрихов ориентируют вдоль направления строки пикселов МФПУ. Измеряют характеристики сигнала от узких и широких штрихов и определяют качество настройки ОЭС и ее параметры. Технический результат - обеспечение качественной настройки ОЭС с МФПУ, определение ее фокусного расстояния, его изменение с повышенной точностью и определение температурного разрешения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Мира для настройки и определения параметров оптико-электронных систем с матричными фотоприемными устройствами, содержащая для формирования, с помощью коллиматора, калиброванного потока энергии, расположенные параллельно друг другу в ряд идентичные прямоугольные штрихи N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними, отличающаяся тем, что идентичные прямоугольные штрихи N_ВЧ, выполнены узкими, причем их ширина b_ВЧ определяется исходя из выражения:
b_ВЧ=F/f₀·(m+δ),
где F - фокусное расстояние коллиматора;
f₀ - фокусное расстояние объектива оптико-электронной системы;
m - размер пиксела матричного фотоприемного устройства;
δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела и равна:
0,01·m<δ<0,1·m,
при этом число узких штрихов миры N_ВЧ≥2m/δ, а высоту узких штрихов миры h выбирают в пределах:
h≥F/f₀·5m,
кроме того, мира содержит расположенные на линии узких штрихов N_ВЧ, по ее краям по крайней мере по одному широкому штриху N_НЧ по высоте равной высоте узких штрихов N_ВЧ, а по ширине B_НЧ равной: B_НЧ=(5…10)·b_ВЧ.

2. Способ настройки и определения параметров оптико-электронной системы с матричными фотоприемными устройствами, включающий формирование действительного изображения калиброванного источника излучения (миры) в плоскости матричного фотоприемного устройства, воспроизведение сигнала от действительного изображения калиброванного источника излучения (миры) на экране видеоконтрольного устройства и по полученному сигналу оценка настройки оптико-электронной системы, отличающийся тем, что при осуществлении способа в качестве калиброванного источника излучения используют штриховую миру, содержащую расположенные параллельно друг другу в ряд идентичные узкие прямоугольные штрихи N_ВЧ, ширина которых b_ВЧ равна расстоянию между ними и определяется исходя из выражения:
b_ВЧ=F/f₀·(m+δ),
где: F - фокусное расстояние коллиматора;
f₀ - фокусное расстояние объектива оптико-электронной системы;
m - размер пиксела матричного фотоприемного устройства;
δ - величина, которая в кратное число раз меньше размера пиксела и равна:
0,01·m<δ<0,1·m,
причем число узких штрихов миры N_ВЧ≥2m/δ, а высоту узких штрихов h выбирают в пределах:
h≥F/f₀·5m,
при этом мира содержит расположенные на линии узких штрихов N_ВЧ по ее краям по крайней мере по одному широкому штриху N_НЧ по высоте равной высоте узких штрихов N_НЧ, а по ширине В_НЧ равной: В_НЧ=(5…10)·b_ВЧ,
кроме того, при осуществлении способа
- на экране видеоконтрольного устройства формируют сигнал от узких штрихов миры, имеющий вдоль строки пучности и перетяжки сигнала по амплитуде, и сигнал от широких штрихов миры, имеющий вдоль строки постоянное значение амплитуды,
- по сигналу от узких штрихов миры и сигналу от широких штрихов миры выполняют взаимное совмещение плоскости матричного фотоприемного устройства, фокальной плоскости объектива оптико-электронной системы и плоскости действительного изображения миры, причем изображение от узких и широких штрихов миры в плоскости матричного фотоприемного устройства ориентируют вдоль направления строки его пикселов,
- измеряют характеристики сигнала от узких штрихов миры и характеристики сигнала от широких штрихов миры и по измеренным характеристикам и по их соотношению определяют качество настройки оптико-электронной системы и ее параметры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве характеристик сигнала от узких штрихов миры и сигнала от широких штрихов миры измеряют максимальное значение амплитуды сигнала от узких штрихов миры U_ВЧ и значение амплитуды сигнала от широких штрихов миры U_НЧ, при этом качество настройки ОЭС определяют по отношению максимального значения амплитуды сигнала от узких штрихов миры U_ВЧ к значению амплитуды сигнала от широких штрихов миры U_НЧ:
M=(U_ВЧ/U_НЧ)·100%.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что по максимальному значению амплитуды сигнала от узких штрихов миры U_ВЧ, значению амплитуды сигнала от широких штрихов миры U_НЧ, и температурному разрешению ΔТ_НЧ на низких частотах, исходя из выражения:
ΔТ_ВЧ=ΔТ_НЧ·(U_ВЧ/U_НЧ)²
определяют температурное разрешение оптико-электронной системы ΔТ_ВЧ в центре поля зрения, при этом температурное разрешение ΔТ_НЧ определяют исходя из выражения ΔТ_НЧ=U_ш·ΔТ₀/U_НЧ, где U_ш - среднеквадратичное значение шума, а ΔТ₀=1 К.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что, изменяя положение оптической оси коллиматорной системы относительно оптической оси ОЭС, формируют изображения штрихов миры в заданных локальных областях матричного фотоприемного устройства, производят измерение амплитуд сигналов от узких (U_Bi) и широких (U_Hi) штрихов миры в заданных локальных областях поля зрения оптико-электронной системы, исходя из выражения ΔT_ВЧi=ΔT_НЧ·(U_Hi/U_Bi)² определяют температурное разрешение ОЭС ΔT_ВЧi в данной локальной области поля зрения, и производят составление карты температурного разрешения ΔТ_ВЧ(X,Y) по полю зрения оптико-электронной системы.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве характеристик сигнала от узких штрихов миры измеряют число перетяжек в этом сигнале и число импульсов вне перетяжек, а точное значение фокусного расстояния объектива ОЭС в центре поля зрения определяют по формуле:
f_ИСТ0=f_O·((N_ПЕР-1)·n₀+n_ИМП1)/((N_ПК-1)·n₀),
где N_ПЕР - измеренное число перетяжек;
n_ИМП1 - измеренное число импульсов вне перетяжек;
N_ПК - расчетное число перетяжек для идеального объектива с фокусным расстоянием f_O;
n₀ - расчетное число импульсов между соседними перетяжками;
f_O - расчетное значение фокусного расстояния, при котором изображение миры должно обеспечивать N_ПК перетяжек, а n_ИМП1=0.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что, изменяя положение оптической оси коллиматора относительно оптической оси ОЭС, формируют изображения штрихов миры в заданных локальных областях МФПУ, измеряют число перетяжек и число импульсов вне перетяжек в сигнала от узких штрихов в заданных локальных областях МФПУ, затем исходя из выражения:
f_ИСТi=f_O·((N_ПЕР-1)·n₀+n_ИМП1)/((N_ПК-1)·n₀),
определяют реальное фокусное расстояние объектива ОЭС f_ИСТi в заданных локальных областях поля зрения ОЭС и, исходя из полученных значений и выражения
Δf(X,Y)=f_ИСТi-f_O,
составляют карту отклонений значений реальных фокусных расстояний f_ИСТi по полю зрения ОЭС от расчетного значения фокусного расстояния (f_O).