PL220145B1 - Refrakcyjny element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących - Google Patents

Abstract

Element optyczny stanowi element nasadkowy o zmiennej ogniskowej wykonany z bryły o podstawie kołowej, mocowany rozłącznie na wyjściu układu obrazującego. Jego powierzchnia czołowa ma profil o zarysie wypukłym z promieniowym uskokiem, wznoszący się śrubowo od krawędzi dolnej (1) do krawędzi górnej (2) uskoku.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest refrakcyjny element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących, przeznaczony do montowania w układach obrazujących typu FLIR (Forward Looking Infrared) stosowanych w urządzeniach do wykrywania, identyfikacji i monitorowania obiektów.

Obrazowanie obiektów w termowizyjnych układach optycznych typu FLIR wymaga odwzorowania sygnatury termicznej obiektu znajdującego się praktycznie w nieskończoności na macierz sensorów podczerwieni. W przypadku optyki termowizyjnej, dużym problemem jest znaczna zależność współczynnika załamania materiału elementów obrazujących od temperatury. Układ optyczny ustawiony na nieskończoność tworzy obraz obiektu w odległości ogniskowej od płaszczyzny głównej. Wraz ze zmianą temperatury ulegają istotnej modyfikacji współczynniki załamania optycznych części składowych układu obrazującego co powoduje znaczną zmianę ogniskowej obrazowania. W związku z tym przy ustalonym położeniu matrycy sensorów obraz traci ostrość i przestaje być kontrastowy.

Znane są rozwiązania termowizyjnych układów obrazujących, w których zastosowano dodatkowy element optyczny zapewniający atermalizację. Taki element optyczny powoduje zmianę konfiguracji układu obrazującego i odległości między jego elementami. W rozwiązaniu przedstawionym w opisie patentowym US 6262844 do atermalizacji układu obrazującego zastosowano optyczny element dyfrakcyjny ze stopniowaną powierzchnią złożoną z koncentrycznych płaskich stref. W rozwiązaniu przedstawionym w opisie patentowym US 5808799 dodatkowy element optyczny ma powierzchnię zawierającą serię koncentrycznych pierścienia w postaci kinoformu, płytki fazowej lub podobnego elementu optycznego o określonej modulacji fazowej. W rozwiązaniu tym dodatkowy element optyczny stanowi integralną część układu obrazowania i wymaga precyzyjnego dopasowania do pozostałych elementów układu. Zazwyczaj są one wyposażone w dodatkowe komponenty elektro-mechaniczne wprowadzone do układu optycznego. Tego typu komponenty i elementy zewnętrzne są podatne na uszkodzenia, zwłaszcza przy dużych przeciążeniach, co w przypadku uszkodzenia powoduje konieczność wymiany całego układu obrazowania.

Refrakcyjny element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących o zmiennej ogniskowej, wykonany z bryły o podstawie kołowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stanowi element nasadkowy mocowany rozłącznie do układu obrazującego, przy czym jego powierzchnia czołowa ma profil o zarysie wypukłym z promieniowym uskokiem, wznoszący się śrubowo od krawędzi dolnej do krawędzi górnej uskoku.

Korzystnym jest, jeżeli kolejne wycinki promieniowe bryły mają rosnącą wysokość profilu o zarysie wypukłym i krzywiźnie malejącej w kierunku środka osi bryły w całym zakresie skoku linii śrubowej wyznaczającej krawędź boczną profilu wznoszącą się względem podstawy od krawędzi dolnej do krawędzi górnej uskoku.

Korzystnym jest także, jeżeli transmitancja fazowa refrakcyjnego elementu optycznego w kierunku prostopadłym do podstawy, pokrywającym się z osią optyczną układu obrazowania, opisana jest wzorem:

r(r,0)=exp

gdzie: Af fo r, Θ k=2n/X, λ wymagany zakres odcinka ogniskowej;

ogniskowa układu obrazującego;

współrzędna radialna i kątowa w układzie biegunowym;

średnia długość fali elektromagnetycznej dla zakresu fal pracy elementu optycznego.

W odróżnieniu od dotychczas stosowanych optycznych elementów atermalizacyjnych, element optyczny według wynalazku nie posiada symetrii obrotowej, a jego modulacyjna funkcja przenoszenia nie wykazuje oscylacji i wartości zerowych w przedziale częstości przestrzennych widma przenoszenia. Element optyczny według wynalazku nie wprowadza poważnej degradacji obrazu, gdyż nie ma wartości częstości przestrzennych wprowadzających odwrócenie kontrastu w obrazowaniu, za to zapewnia rozciągnięcie ogniska układu optycznego w odcinek Af położony na osi optycznej. Dzięki temu zmiany temperatury powodujące zmiany długości ogniskowej nie wpływają znacząco na jakość obrazowania sygnatury termicznej obiektu umieszczonego w nieskończoności. W rozwiązaniu według

PL 220 145 B1 wynalazku element optyczny stanowi nasadkę mocowaną rozłącznie do układu optycznego typu FLIR, co ułatwia jej zastosowanie bez konieczności demontażu i zmiany konfiguracji części układu. Ważną zaletą proponowanego rozwiązania jest brak konieczności stosowania dodatkowych komponentów elektro-mechanicznych i sprzężeń zwrotnych, które znacznie podnoszą koszt urządzenia i obniżają jego niezawodność. Proponowana nasadka jest głównie przewidziana do stosowania w przedziale długości fal elektromagnetycznych 3-5 μm lub 7-15 μm, określanych jako tak zwane okna atmosferyczne, niemniej jednak może znaleźć również zastosowanie w innych przedziałach widma elektromagnetycznego, gdzie jest wymagana atermalizacja układu optycznego.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących w perspektywie, a fig. 2 przedstawia ten sam element w widoku z góry.

Jak przedstawiono na fig. 1 i 2, refrakcyjny element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących jest, wykonany z bryły o podstawie kołowej. Jego powierzchnia czołowa ma profil o zarysie wypukłym z promieniowym uskokiem, który to profil wznosi się śrubowo od dolnej 1 do górnej 2 krawędzi uskoku. Uskok ma krawędź boczną 3, której wierzchołek łączy się z górną krawędzią 2 dochodzącą do środka elementu. Górna krawędź 2 ma położenie zbliżone do poziomego. Dolna krawędź 1 łączy dolny koniec krawędzi bocznej 3 i koniec górnej krawędzi 2 rozpoczynający się na środku powierzchni czołowej w osi optycznej elementu optycznego. Kolejne wycinki promieniowe bryły mają rosnącą wysokość profilu o zarysie wypukłym i krzywiźnie malejącej w kierunku środka osi bryły w całym zakresie skoku linii śrubowej wyznaczającej krawędź boczną profilu wznoszącą się względem podstawy od dolnej 1 do górnej 2 krawędzi uskoku. Tak uformowany element optyczny o zmiennej ogniskowej stanowi element nasadkowy mocowany rozłącznie od zewnątrz do układu obrazującego na przedłużeniu jego osi optycznej. Transmitancja fazowa elementu optycznego w kierunku prostopadłym do podstawy, pokrywającym się z osią optyczną układu obrazowania, jest opisana wzorem:

r(r,0)=exp

gdzie: Af wymagany zakres odcinka ogniskowej;

fo ogniskowa układu obrazującego;

r, Θ współrzędna radialna i kątowa w układzie biegunowym k=2x/2, λ średnia długość fali elektromagnetycznej dla zakresu fal pracy elementu optycznego.

Nasadka według wynalazku została zastosowana w termowizyjnym układzie optycznym FLIR o otworze względnym F#=1 i ogniskowej f₀ =35 mm, pracującym w paśmie 7-15 μm. W celu dostosowania do pracy w paśmie 7-15 μm element nasadkowy wykonano z germanu. Do pracy w innych zakresach fal elektromagnetycznych element nasadkowy może być wykonany z innych optycznie czynnych materiałów. Przyjęty zakres zmian temperaturowych do atermalizacji wynosił od T0 = -50°C do T1 = +80°C.

Transmitancja fazowa układu optycznego wraz z elementem nasadkowym jest opisana wzorem:

Transmitancja elementu optycznego, opisana powyższym wzorem, zapewnia w układzie obrazowania linię ogniskową w zakresie jednego skoku linii śrubowej. Rozciągnięcie odcinka ogniskowego układu obrazowania FLIR wynoszące 1% długości ogniskowej (34,65 mm + 35 mm) wystarcza, aby w badanym zakresie temperatur od T₀ = -50°C do T1 = +80°C i paśmie 7-15 μm obraz obiektu na matrycy detektorów posiadał cały czas dostateczną ostrość. Element nasadkowy realizujący 1% rozciągnięcie odcinka ogniskowego w wybranym układzie optycznym ma 15 μm skok lini śrubowej, odpowiadający wysokości krawędzi bocznej 3 widocznej na fig. 1, i zmienia moc optyczną układu od 0 do 0,29D, gdzie D oznacza dioptrie.

Element optyczny według wynalazku może być wykonany w postaci elementu refrakcyjnego, frenelowskiego lub kinoformu dowolnego rzędu oraz może być stosowany dla dowolnej długości fali elektromagnetycznej gdzie wymagana jest atermalizacja układu optycznego. Jako nasadka do układu obrazowania zapewnia działanie achromatyczne układu optycznego w przedziale długości fali 3-5 μm lub 7-15 μm i umożliwia uzyskanie obrazowania sygnatury termicznej badanego obiektu o dostatecz4

PL 220 145 B1 nej jakości w przedziale temperatur od -50°C do +80°C. W rezultacie zapewnia atermalizację układu FLIR bez konieczności używania dodatkowych: mechanicznych, pneumatycznych i elektronicznych komponentów.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Refrakcyjny element optyczny do atermalizacji termowizyjnych układów obrazujących o zmiennej ogniskowej, wykonany z bryły o podstawie kołowej, znamienny tym, że stanowi element nasadkowy mocowany rozłącznie na wyjściu układu obrazującego, przy czym jego powierzchnia czołowa ma profil o zarysie wypukłym z promieniowym uskokiem, wznoszący się śrubowo od krawędzi dolnej (1) do krawędzi górnej (2) uskoku.
2. 2. Refrakcyjny element optyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że kolejne wycinki promieniowe bryły mają rosnącą wysokość profilu o zarysie wypukłym i krzywiźnie malejącej w kierunku środka osi bryły w całym zakresie skoku linii śrubowej wyznaczającej krawędź boczną profilu wznoszącą się względem podstawy od krawędzi dolnej (1) do krawędzi górnej (2) uskoku.
3. 3. Refrakcyjny element optyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że jego transmitancja fazowa w kierunku prostopadłym do podstawy, pokrywającym się z osią optyczną układu obrazowania, opisana jest wzorem:

   + gdzie: Af fa r, Θ k=2n/2, λ wymagany zakres odcinka ogniskowej;

   ogniskowa układu obrazującego;

   współrzędna radialna i kątowa w układzie biegunowym;

   średnia długość fali elektromagnetycznej dla zakresu fal pracy elementu optycznego.