Инфракрасная система
Владельцы патента RU 2378788:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Комета" (RU)
Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в тепловизионных приборах, регистрирующих тепловое излучение в средней и дальней ИК области спектра при использовании многоэлементных приемников излучения. Инфракрасная система содержит последовательно расположенные объектив, строящий промежуточное изображение, первое плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения. В инфракрасную систему введена система эталонного излучения, включающая в себя последовательно расположенные источник эталонного излучения, конденсор, вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало. Фокусное расстояние конденсора составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива. Технический результат - повышение чувствительности инфракрасной системы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к области оптики и может быть использовано в тепловизионных приборах, регистрирующих тепловое излучение в средней и дальней ИК области спектра при использовании многоэлементных приемников излучения.
Известна оптическая система для ИК области спектра [1], содержащая последовательно расположенные объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив и действительный вынесенный выходной зрачок. Действительный вынесенный выходной зрачок совмещен с диафрагмой, принадлежащей многоэлементному приемнику излучения (МПИ), которая, в этом случае, является апертурной диафрагмой инфракрасной системы (ИКС). Такое расположение апертурной диафрагмы позволяет сделать ее охлаждаемой и не допустить снижения контраста наблюдаемого изображения и чувствительности ИКС вследствие попадания на приемник собственного или рассеянного излучения оптических деталей и других элементов конструкции. Входной зрачок ИКС расположен вблизи первой линзы объектива, строящего промежуточное изображение, что обеспечивает минимальные диаметры и массу головных линз ИКС. Проекционный объектив переизображает промежуточное изображение в плоскость фоточувствительного слоя МПИ. Метод и способ осуществления коррекции МПИ в данной ИКС не представлен.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению является инфракрасная система [2], обладающая достоинствами ИКС, описанной в [1], и отличающаяся компактностью. Выбранная в качестве прототипа ИКС содержит последовательно расположенные объектив, строящий промежуточное изображение, первое плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения. Плоские зеркала ломают оптическую ось и обеспечивают компактность ИКС. Проекционный объектив переизображает промежуточное изображение в плоскость фоточувствительного слоя МПИ. Коррекция неоднородности МПИ осуществляется методом расфокусировки оптики, что не позволяет обеспечить высокую чувствительность ИКС.
Известно [3], что в процессе работы ИКС производится коррекция неоднородности МПИ с целью повышения чувствительности ИКС.
Простейшим методом коррекции с эталонным источником ИК излучения является одноточечная коррекция, при которой МПИ равномерно засвечивается лучистым потоком от одного эталонного источника ИК излучения, а выходные сигналы от каждого фотоэлектронного тракта выравниваются. Интенсивность излучения эталонного ПК источника оперативно подстраивается под текущее значение фонового излучения.
Лучшую коррекцию неоднородности МПИ и более высокую чувствительность ИКС дает применение метода двухточечной коррекции. В процессе двухточечной коррекции МПИ равномерно засвечивается лучистым потоком от двух эталонных источников ПК излучения. Интенсивность излучения эталонных ИК источников оперативно подстраивается под текущие значения фонового излучения. Один из эталонных ИК источников формирует лучистый поток, соответствующий максимальному значению фонового потока, а другой - минимальному. Этим обеспечивается текущий рабочий диапазон, оперативная адаптация ИКС к текущим условиям работы и достижение максимальной чувствительности МПИ и ИКС в целом. Коррекция неоднородности МПИ зависит от степени равномерности засветки МПИ.
Задачей заявляемого технического решения является разработка инфракрасной системы, содержащей одну или две системы эталонного ИК излучения с высокой степенью равномерности засветки МПИ для реализации одноточечной или двухточечной коррекции МПИ с целью повышения чувствительности ИКС.
Это достигается тем, что инфракрасная система, содержащая последовательно расположенные объектив, строящий промежуточное изображение, первое плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения, отличается тем, что в инфракрасную систему введена система эталонного ИК излучения, включающая в себя последовательно расположенные эталонный источник излучения, конденсор, вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения, при этом фокусное расстояние конденсора составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива. В инфракрасную систему могут быть введены две системы эталонного ИК излучения, а конденсор может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику ИК излучения.
Представленные иллюстрации поясняют суть предлагаемого решения.
На фиг.1 представлена ИКС с одной системой эталонного ИК излучения.
На фиг.2 представлена ИКС с двумя системами эталонного ИК излучения.
Объектив 1 и проекционный объектив 4 изображены схематично в форме одиночных линз.
ИКС с одной системой эталонного ИК излучения (фиг.1) содержит объектив 1, первое плоское зеркало 2, второе плоское зеркало 3, проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и МПИ.
Система эталонного ИК излучения включает в себя эталонный источник излучения, конденсор 5, вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало 6, второе плоское зеркало 3, проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и МПИ, при этом фокусное расстояние конденсора 5 составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива 4. Конденсор 5 может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику излучения.
ИКС с двумя системами эталонного ИК излучения (фиг.2) содержит объектив 1, первое плоское зеркало 2, второе плоское зеркало 3, проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и МПИ.
Система эталонного ИК излучения I включает в себя эталонный источник излучения (I), конденсор 5(I), вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало 6(I), второе плоское зеркало 3, проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и МПИ, при этом фокусное расстояние конденсора 5(I) составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива 4. Конденсор 5(I) может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику излучения.
Система эталонного ИК излучения II включает в себя эталонный источник излучения (II), конденсор 5(II), вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало 6(II), второе плоское зеркало 3, проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и МПИ, при этом фокусное расстояние конденсора 5(II) составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива 4. Конденсор 5(II) может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику излучения.
Входной зрачок ИКС расположен вблизи первой линзы объектива 1, что позволяет минимизировать диаметры и массу линз объектива 1. Плоские зеркала 2, 3 ломают оптическую ось, обеспечивая компактность ИКС. Действительный вынесенный выходной зрачок совмещен с диафрагмой, принадлежащей многоэлементному приемнику излучения, которая, в данном случае, является апертурной диафрагмой инфракрасной системы. Апертурная диафрагма может быть сделана охлаждаемой.
ИКС с одной системой эталонного ИК излучения (фиг.1) работает следующим образом. Лучистый поток от наблюдаемой сцены проходит через объектив 1, отражается от зеркала 2, отражается от зеркала 3, проходит проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и попадает на фоточувствительный слой МПИ. Объектив 1 строит промежуточное изображение, проекционный объектив 4 переизображает промежуточное изображение в плоскость фоточувствительного слоя МПИ. Вбрасываемое плоское зеркало 6 системы ввода эталонного излучения в это время выведено из пучков лучей от наблюдаемой сцены и перекрывает лучистый поток от эталонного источника излучения (на фиг.1 показано сплошной линией).
В процессе работы системы эталонного ПК излучения фоточувствительная площадка МПИ равномерно засвечивается лучистым потоком от эталонного источника излучения. Система эталонного ИК излучения работает следующим образом. Вбрасываемое зеркало 6 вводится в рабочее положение (на фиг.1 показано пунктиром). Зеркало 6 в рабочем положении перекрывает пучки лучей от наблюдаемой сцены. Лучистый поток от эталонного источника излучения проходит конденсор 5, отражается от вбрасываемого зеркала 6, отражается от второго плоского зеркала 3, проходит проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и засвечивает фоточувствительную площадку МПИ. Система эталонного ПК излучения строит изображение эталонного излучателя в плоскости апертурной диафрагмы. Фокусное расстояние конденсора 5 составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива 4. Конденсор 5 может быть выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику ИК излучения. Такое построение системы эталонного ИК излучения обеспечивает высокую равномерность засветки фоточувствительной площадки МПИ.
ИКС с двумя системами эталонного ИК излучения (фиг.2) работает следующим образом. Лучистый поток от наблюдаемой сцены проходит через объектив 1, отражается от зеркала 2, отражается от зеркала 3, проходит проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и попадает на фоточувствительный слой МПИ. Объектив 1 строит промежуточное изображение, проекционный объектив 4 переизображает промежуточное изображение в плоскость фоточувствительного слоя МПИ. Вбрасываемые плоские зеркала 6(I) и 6(II) систем эталонного ИК излучения I и II в это время выведены из пучков лучей от наблюдаемой сцены и перекрывают лучистые потоки от эталонных источников излучения (I) и (II) (на фиг.2 показаны сплошной линией).
В процессе работы двух систем эталонного ИК излучения фоточувствительная площадка МПИ попеременно засвечивается лучистым потоком от двух эталонных источников излучения (I) и (II). Система эталонного ИК излучения I работает следующим образом. Вбрасываемое зеркало 6(I) вводится в рабочее положение (на фиг.2 показано пунктиром). Зеркало 6(I) в рабочем положении перекрывает пучки лучей от наблюдаемой сцены. Лучистый поток от эталонного источника излучения (I) проходит конденсор 5(I), отражается от вбрасываемого зеркала 6(I), отражается от второго плоского зеркала 3, проходит проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и засвечивает фоточувствительную площадку МПИ. Вбрасываемое зеркало 6(II) системы эталонного ИК излучения II в это время перекрывает лучистый поток от эталонного излучателя (II), (на фиг.2 показано сплошной линией). Затем вбрасываемое зеркало 6(I) системы эталонного ИК излучения I выводится из рабочего положения, а вбрасываемое зеркало 6(II) системы эталонного ИК излучения II занимает положении перекрывает пучки лучей от наблюдаемой сцены. Лучистый поток от эталонного источника излучения (II) проходит конденсор 5(II), отражается от вбрасываемого зеркала 6(II), отражается от второго плоского зеркала 3, проходит проекционный объектив 4, апертурную диафрагму и засвечивает фоточувствительную площадку МПИ. Вбрасываемое зеркало 6(I) системы эталонного ИК излучения I в это время перекрывает лучистый поток от эталонного излучателя (I) (на фиг.2 показано сплошной линией).
В соответствии с предложенным решением получена инфракрасная система, имеющая следующие оптические характеристики:
| фокусное расстояние | - 102 мм |
| диаметр входного зрачка | 93 мм |
| спектральный диапазон | 7,5-11 мкм |
Конструктивные параметры инфракрасной системы приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал |
| r1=215,34 | d1=8,4 | Германий |
| r2=354,96 | d2=47,49 | |
| r3=57,56 | d3=7,05 | Германий |
| r4=61,12 | d4=15 | |
| r5=76,06 | d5=5,04 | ИКС25 |
| r6=46,9 | d6=34,81 | |
| r7 - пл. зеркало | d7=29,83 | |
| Промеж. изобр. | d7'=22,67 | |
| r8 - пл. зеркало | d8=19,2 | |
| r9=312,72 | d9=4,5 | Германий |
| r10=-114,86 | d10=3,66 | |
| r11=-54,47 | d11=2,94 | ПO4 |
| r12=-312,72 | d12=0,12 | |
| r13=35,9 | d13=4,98 | ИКС25 |
| r14=68,89 | d14=0,12 | |
| r15=15,14 | d15=4,5 | Германий |
| r16=12,71 | d16=9,01 | |
| r17 - плоскость | d17=1,5 | Германий |
| r18 - плоскость | d18=3,14 | |
| Апертурная | d18'=6,94 | |
| диафрагма | ||
| МПИ |
Конструктивные параметры системы ввода эталонного ИК излучения приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| Радиусы, мм | Толщины, мм | Материал |
| Эталонный | ||
| излучатель | dэи=4,14 | |
| r19=-8,813 | dl9=5,64 | Германий |
| r20=-10,096 | d20=9,6 | |
| r21 - пл. зеркало | d21=34,5 | |
| r8 - пл.зеркало | d8=19,2 | |
| r9=312,72 | d9=4,5 | Германий |
| r10=-114,86 | d10=3,66 | |
| r11=-54,47 | d11=2,94 | ПO4 |
| r12=-312,72 | d12=0,12 | |
| r13=35,9 | d13=4,98 | ИКС25 |
| r14=68,89 | d14=0,12 | |
| r15=15,14 | d15=4,5 | Германий |
| r16=12,71 | d16=9,01 | |
| r17 - плоскость | d17=1,5 | Германий |
| r18 - плоскость | d18=3,14 | |
| Апертурная | d18'=6,94 | |
| диафрагма | ||
| МПИ |
Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является разработка инфракрасной системы, содержащей одну или две системы эталонного ИК излучения, с высокой степенью равномерности засветки МПИ для реализации одноточечной или двухточечной коррекции МПИ с целью повышения чувствительности ИКС.
Список литературы
1. Заявка №20061286 91/28(031159).
2. “Proceedings of SPIE”, Vol.4369, 2001, p.674, Fig.2.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М., Логос, 2004. - 262 с.
1. Инфракрасная система, содержащая последовательно расположенные объектив, строящий промежуточное изображение, первое плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения, отличающаяся тем, что в инфракрасную систему введена система эталонного излучения, включающая в себя последовательно расположенные источник эталонного излучения, конденсор, вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало, при этом фокусное расстояние конденсора составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива.
2. Инфракрасная система, содержащая последовательно расположенные объектив, строящий промежуточное изображение, первое плоское зеркало, второе плоское зеркало, проекционный объектив, апертурную диафрагму и многоэлементный приемник излучения, отличающаяся тем, что в инфракрасную систему введены две системы эталонного излучения, каждая из которых включает в себя последовательно расположенные источник эталонного излучения, конденсор, вбрасываемое вблизи промежуточного изображения плоское зеркало, при этом фокусное расстояние конденсора составляет 0,4-0,9 от фокусного расстояния проекционного объектива.
3. Инфракрасная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что конденсор выполнен в виде положительного мениска, обращенного вогнутостью к эталонному источнику излучения.
