УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B13/14 G02B15/14 G02B9/64 

Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.

Известна оптическая система для тепловизионных приборов (см. патент RU 2449328 Α1, ΜΠΚ⁷ G02B 13/14, 23/12, опубл. 27.04.2012 г.), содержащая входной и проекционный объективы, между которыми формируется промежуточное изображение, и матричный приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. Система имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 3…5 мкм, фокусное расстояние 60 мм, относительное отверстие 1:3, угловое поле зрения 5,76°×4,32°. Система снабжена расфокусирующим элементом, установленным с возможностью ввода-вывода его в оптический тракт. С помощью этого элемента осуществляется необходимая при работе инфракрасных систем коррекция неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения (калибровка).

Недостатками системы являются работа в одном поле зрения, малое относительное отверстие, потеря изображения объекта (цели) при калибровке в результате полной его расфокусировки.

Также известна инфракрасная система (см. патент RU 2378788 C2, МПК⁷ G02B 26/10, Η04Ν 5/33, опубл. 10.01.2010 г.), содержащая входной и проекционный объективы, между которыми формируется промежуточное изображение, два плоских зеркала и матричный приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. В систему введена система эталонного излучения, предназначенная для калибровки и содержащая источник эталонного излучения, конденсор и плоское зеркало, установленное с возможностью ввода-вывода в оптический тракт. Система имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 7,5…11 мкм, фокусное расстояние 102 мм, относительное отверстие 1:1,1.

Недостатками этой системы являются работа в одном поле зрения, потеря изображения объекта при калибровке в результате перекрывания потока излучения от объекта.

Наиболее близким по технической сущности и по количеству совпадающих признаков к заявляемому устройству является оптическое многофокальное устройство формирования изображения с ИК-калибровкой (см. патент FR 2928462 Α1, МПК⁷ G02B 13/14, 15/16, H04N 5/235 публ. 11.09.2009 г.), состоящее из инфракрасного объектива с переменным фокусным расстоянием, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования и блока калибровки, управляющего блоками обработки информации и позиционирования. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз, состоящую из первой положительной выпукло-вогнутой линзы и второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы, вторую группу линз, состоящую из первой отрицательной двояковогнутой линзы (вариатора) и второй положительной двояковыпуклой линзы (компенсатора), одна из поверхностей которой выполнена асферической, плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси, и третью группу линз, состоящую из первой положительной вогнуто-выпуклой линзы, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы и третьей положительной выпукло-вогнутой линзы. Фокусное расстояние объектива может изменяться как дискретно, так и плавно за счет перемещения вариатора и компенсатора под управлением блока позиционирования, причем компенсатор служит для устранения сдвига плоскости изображения при изменении фокусного расстояния. Максимальное фокусное расстояние объектива f′_max=135 мм, минимальное - f′_min=25 мм, кратность изменения M=f′_max/f′_min=5,4. Между компенсатором и плоским зеркалом формируется плоскость промежуточного изображения, перенос которого в плоскость чувствительных элементов осуществляется третьей группой линз. Объектив предназначен для работы в спектральном диапазоне 3…5 мкм, с относительным отверстием 1:3 (диаметр входного зрачка при максимальном фокусном расстоянии 45 мм). Формат матрицы приемника излучения 384×288 элементов с шагом 15 мкм (линейное поле зрения при этом 5,76×4,32 мм). Апертурная диафрагма объектива совмещена с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, расположенной на расстоянии 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов.

В описанном устройстве предусмотрена калибровка, которая осуществляется с помощью второй группы линз, установленных в положении, обеспечивающем полную расфокусировку изображения от бесконечно удаленного объекта. В блоке обработки информации вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента матричного приемника излучения. В режиме визуализации, при котором излучение фокусируется с формированием изображения в плоскости фоточувствительных элементов приемника излучения, сигнал от каждого элемента изменяется с учетом корректирующих поправок. Скорректированное изображение поступает на устройство отображения (монитор).

Недостатками описанного устройства являются небольшая величина максимального фокусного расстояния, малое относительное отверстие и небольшое линейное поле зрения, а также потеря изображения цели при калибровке в результате полной его расфокусировки и отсутствие компенсации ухода (стабилизации) оси визирования при изменении фокусного расстояния и температуры, что влияет на точность обнаружения цели и определения ее координат.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и точности обнаружения цели и определения ее координат за счет увеличения фокусного расстояния, относительного отверстия и линейного поля зрения, а также обеспечения сохранения изображения объекта при калибровке и стабилизации оси визирования.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве формирования инфракрасного изображения, состоящем из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз из первой положительной и второй отрицательной выпукло-вогнутых линз, вторую группу линз из первой отрицательной двояковогнутой линзы, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и второй положительной двояковыпуклой асферической линзы, плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси, и третью группу линз из первой положительной, второй отрицательной выпукло-вогнутой и третьей положительной линз, при этом первая и вторая группы линз формируют промежуточное изображение в пространстве за плоским зеркалом, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования, управляющего первой линзой второй группы, и блока калибровки, управляющего блоком обработки информации, введен блок стабилизации, управляемый блоком калибровки, блок позиционирования управляется блоком обработки информации, в объективе первая линза второй группы выполнена асферической, в пространстве между плоскостью промежуточного изображения и первой линзой третьей группы дополнительно введена стабилизирующая положительная вогнуто-выпуклая линза, установленная с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси и управляемая блоком стабилизации, а в третьей группе линз первая линза выполнена выпукло-вогнутой, вторая линза выполнена асферической, третья линза выполнена двояковыпуклой.

На фигуре 1 представлена схема устройства формирования инфракрасного изображения.

На фигуре 2 представлена оптическая схема объектива устройства формирования инфракрасного изображения с ходом лучей, соответствующим узкому полю зрения (а) и соответствующим широкому полю зрения (б).

Устройство состоит из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз I из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 1 и второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 2, вторую группу линз II из первой отрицательной двояковогнутой линзы 3, первая поверхность которой выполнена асферической, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и второй положительной двояковыпуклой линзы 4, одна из поверхностей которой выполнена асферической, установленной стационарно на оптической оси, плоское зеркало 5, установленное под углом к оптической оси, стабилизирующую положительную вогнуто-выпуклую линзу 6, установленную с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси, третью группу линз III из первой положительной выпукло-вогнутой линзы 7, второй отрицательной выпукло-вогнутой линзы 8, первая поверхность которой выполнена асферической, и третьей двояковыпуклой линзы 9, матричного приемника излучения 10 с охлаждаемой диафрагмой 11, соединенного с блоком обработки информации 12, блока позиционирования 13, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси, блока стабилизации 14, осуществляющего перемещение стабилизирующей линзы 6 перпендикулярно оптической оси, и блока калибровки 15. В пространстве между плоским зеркалом 5 и стабилизирующей линзой 6 формируется промежуточное изображение, которое стабилизирующей линзой 6 и линзами 7-9 третьей группы III переносится в плоскость фоточувствительных элементов приемника излучения 10, при этом апертурная диафрагма объектива совмещена с его охлаждаемой диафрагмой 11 и расположена на расстоянии ≈20 мм от плоскости фоточувствительных элементов. Блок калибровки 15 управляет блоками обработки информации 12 и стабилизации 14. Блок обработки информации 12 управляет блоком позиционирования 13. Дополнительно показано плоское зеркало 16, установленное между стабилизирующей линзой 6 и первой линзой 7 третьей группы III и изменяющее направление оптической оси с целью обеспечения компактности устройства, и монитор 17, на экране которого наблюдается сформированное изображение, присоединенный к выходу блока обработки информации 12.

Блок обработки информации 12 и блок калибровки 15 могут быть выполнены на основе микропроцессоров типа цифрового сигнального процессора TMS320 DM642 или подобного и микросхем памяти, обеспечивающих осуществление связей с блоками позиционирования 13 и стабилизации 14, электронную обработку сигнала и вывод его на экран монитора 17. В блок калибровки 15 также может входить датчик температур, данные с которого учитываются при стабилизации оси визирования. Блок позиционирования 13 может быть выполнен в виде шагового двигателя, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси. Блок стабилизации 14 может быть выполнен в виде двух шаговых двигателей, осуществляющих перемещение стабилизирующей линзы 6 в двух взаимно-перпендикулярных направлениях в плоскости, перпендикулярной оптической оси.

Конструктивные параметры объектива приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены значения переменных воздушных промежутков для двух полей зрения объектива.

При сравнении характеристик объектива, приведенных в таблице 3, с аналогичными характеристиками прототипа видно, что относительное отверстие увеличено в 1,34 раза, максимальное фокусное расстояние - в 2,4 раза, а линейное поле зрения - в 1,7 раза. Это достигается выбором формы линз 7, 8, 9 третьей группы III, введением асферических поверхностей на линзах 3, 8 второй II и третьей групп III и выбором положения апертурной диафрагмы объектива относительно плоскости фоточувствительных элементов.

Введение стабилизирующей линзы 6, управляемой блоком стабилизации 14, позволяет выполнить калибровку устройства с сохранением изображения объекта, в связи с тем что она осуществляется смещением изображения относительно исходного положения на определенное количество элементов вверх-вниз и вправо-влево. Кроме того, перемещение стабилизирующей линзы 6 позволяет компенсировать уход оси визирования в пределах ±0,7 мрад в узком поле зрения с сохранением качества изображения, что обеспечивает ее стабилизацию при работе устройства.

Устройство для формирования инфракрасного изображения работает следующим образом. Инфракрасное излучение от бесконечно удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через линзы 1-4 первой I и второй II линзовых групп, отражается от плоского зеркала 5 и фокусируется в плоскости промежуточного изображения, затем проходит через линзу 6, отражается от плоского зеркала 16, проходит через линзы 7-9 третьей группы линз III и фокусируется в плоскости фоточувствительных элементов матричного приемника излучения 10, выходные сигналы с которого поступают в блок обработки информации 12.

При перемещении линзы 3, управляемой блоком позиционирования 13, вдоль оптической оси происходит переключение полей зрения. Перемещение осуществляется в соответствии с приведенными в таблице 2 значениями переменных воздушных промежутков, при этом положение плоскости промежуточного изображения остается неизменным. Диаметр пучка излучения определяется диаметром охлаждаемой диафрагмы 11.

Функции калибровки и стабилизации оси визирования выполняются стабилизирующей линзой 6, управляемой блоком стабилизации 14. В блок стабилизации 14 поступают команды от блока калибровки 15, в соответствии с которыми осуществляется перемещение линзы 6 перпендикулярно оптической оси.

При калибровке в плоскости фоточувствительных элементов приемника излучения 10 происходит смещение изображения относительно исходного положения на определенное количество элементов вверх-вниз и вправо-влево. Выходные сигналы с матричного приемника излучения 10 поступают в блок обработки информации 12, где вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента. Функция калибровки может осуществляться как в узком поле зрения, так и в широком.

Для стабилизации оси визирования линза 6 смещается на величину, необходимую для компенсации ухода оси, вызванного изменениями температуры окружающей среды, как в узком поле зрения, так и в широком. Эту функцию можно также использовать для согласования оси визирования устройства при его работе в составе другого изделия.

Блок обработки информации 12 служит для управления блоком позиционирования 13, вычисления корректирующих поправок под управлением блока калибровки 15, учета их при формировании изображения и вывода скорректированного изображения на экран монитора 17.

Таким образом, выполнение устройства для формирования инфракрасного изображения в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет увеличить фокусное расстояние, относительное отверстие и линейное поле зрение объектива, что одновременно с возможностью осуществления калибровки без потери изображения и стабилизации оси визирования обеспечивает повышение надежности и точности обнаружения объекта и определения его координат.

Изобретение может быть использовано в тепловизионных приборах с охлаждаемыми матричными приемниками излучения. Устройство состоит из объектива, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования, блока стабилизации и блока калибровки. Объектив содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси первую, вторую группы линз, плоское зеркало, стабилизирующую линзу и третью группу линз. Между плоским зеркалом и стабилизирующей линзой формируется промежуточное изображение. В блоке обработки информации под управлением блока калибровки осуществляется коррекция неоднородности параметров фоточувствительных элементов матричного приемника и вывод скорректированного изображения на экран монитора. Блок позиционирования осуществляет перемещение первой линзы второй группы вдоль оптической оси для переключения полей зрения устройства. Блок стабилизации осуществляет перемещение стабилизирующей линзы перпендикулярно оптической оси для стабилизации оси визирования и калибровки устройства без потери изображения объекта. Технический результат - повышение надежности и точности обнаружения цели и определения ее координат. 2 ил., 3 табл.

Устройство формирования инфракрасного изображения, состоящее из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первую группу линз из первой положительной и второй отрицательной выпукло-вогнутых линз, вторую группу линз из первой отрицательной двояковогнутой линзы, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и второй положительной двояковыпуклой асферической линзы, плоское зеркало, установленное под углом к оптической оси, и третью группу линз из первой положительной, второй отрицательной выпукло-вогнутой и третьей положительной линз, при этом первая и вторая группы линз формируют промежуточное изображение в пространстве за плоским зеркалом, матричного приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, блока обработки информации, блока позиционирования, управляющего первой линзой второй группы, и блока калибровки, управляющего блоком обработки информации, отличающееся тем, что введен блок стабилизации, управляемый блоком калибровки, блок позиционирования управляется блоком обработки информации, в объективе первая линза второй группы выполнена асферической, в пространстве между плоскостью промежуточного изображения и первой линзой третьей группы дополнительно введена стабилизирующая положительная вогнуто-выпуклая линза, установленная с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси и управляемая блоком стабилизации, а в третьей группе линз первая линза выполнена выпукло-вогнутой, вторая линза выполнена асферической, третья линза выполнена двояковыпуклой.