RU2097938C1

RU2097938C1 - Heat detector

Info

Publication number: RU2097938C1
Application number: RU94003313A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Гончаров; Н.Ф. Кощавцев; И.И. Таубкин; В.Т. Хряпов
Original assignee: Государственное предприятие "Научно-производственное объединение "Орион"
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1997-11-27

Abstract

FIELD: instruments for conversion of infrared images to visible light, in particular, for military equipment, medical devices, security systems, fire detection, industrial checking up. SUBSTANCE: device has lens, detection unit which has multiple element photodetector, which is connected to electronic signal processing unit, and monitor. Photodetector has two or three types of sensitive elements which differ in their spectral characteristics. Sensitive elements of one type are connected to monitor electrodes for brightness of one color (blue, green or red). Another claim of invention describes device design in which photodetector sensitive elements of one type are arranged in rows which are parallel to rows of sensitive elements of other types, while monitor has parallel rows of light-emitting diodes of different colors which are connected to corresponding elements of photodetector. In this case scanner is introduced between lens and photodetector. Yet another claim of invention describes device design in which photodetector sensitive elements of each type are arrange in matrices with time delay and accumulation in direction of image scanning. In this case they are connected to color cathode-ray tube through multiplexer. EFFECT: increased information capacity by order of 2-2!5. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для преобразования инфракрасных изображений в видимые и может быть использовано в военной технике, медицинской диагностике, системах охраны, для обнаружения пожаров, в промышленном контроле. The invention relates to devices for converting infrared images into visible ones and can be used in military equipment, medical diagnostics, security systems, for fire detection, in industrial control.

В настоящее время для видения в условиях недостаточной естественной освещенности, а также при низкой прозрачности атмосферы или при использовании искусственных помех все большее распространение получают различные тепловизионные приборы (ТВП) (Орлов В.А. Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное издательство, 1989). At present, for viewing in conditions of insufficient natural illumination, as well as in low transparency of the atmosphere or when using artificial noise, various thermal imaging devices (TVP) are becoming more widespread (Orlov V.A. Petrov V.I. Observation devices at night and with limited visibility M. Military Publishing House, 1989).

Это объясняется тем, что изображение в ТВП формируется благодаря собственному тепловому излучению объектов и фонов, и отраженному от них инфракрасному излучению естественных и искусственных источников, что обеспечивает яркость значительно более высокую по сравнению с яркостью в видимой области спектра. Эта яркость практически не зависит от времени суток. Кроме того инфракрасное излучение в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм значительно меньше ослабляется в атмосфере по сравнению с видимым излучением, особенно при наличии дымки и тумана. This is explained by the fact that the image in the TVP is formed due to the intrinsic thermal radiation of objects and backgrounds, and the infrared radiation of natural and artificial sources reflected from them, which provides a brightness significantly higher than that in the visible region of the spectrum. This brightness is almost independent of the time of day. In addition, infrared radiation in the ranges of 3-5 and 8-14 microns is much less attenuated in the atmosphere compared to visible radiation, especially in the presence of haze and fog.

Известно устройство для приема и электронной обработки теплового изображения, описанное в заявке Великобритании N 1557029 кл. H 04 5/33. Это устройство, с помощью которого осуществляют сканирование инфракрасного изображения и его воспроизведение, содержит линейную решетку датчиков, расположенных перпендикулярно к направлению сканирования; каждый датчик связан с соответствующим светоизлучающим диодом. Сканирование изображения осуществляют с помощью двух соосных вращающихся многогранных призм. Световые изображения с трех наборов светодиодов регистрируются тремя телевизионными передающими камерами, выходные сигналы которых поступают на телевизионную трубку цветного изображения. A device for receiving and electronically processing thermal images is described, described in the application of Great Britain N 1557029 C. H 04 5/33. This device, with which the infrared image is scanned and reproduced, contains a linear array of sensors located perpendicular to the scanning direction; each sensor is associated with a corresponding light emitting diode. Image scanning is carried out using two coaxial rotating polyhedral prisms. Light images from three sets of LEDs are recorded by three television transmitting cameras, the output signals of which are fed to the television tube of the color image.

Недостатком такого устройства является недостаточная информационная емкость изображения, обусловленная тем, что разные цвета в изображении объектов соответствуют только различной интенсивности инфракрасного излучения в едином спектральном канале (псевдорасцвеченное изображение). The disadvantage of this device is the insufficient information capacity of the image, due to the fact that different colors in the image of objects correspond only to different intensities of infrared radiation in a single spectral channel (pseudo-colorized image).

По конструктивному выполнению наиболее близким к выбранным в качестве прототипа ТВП, содержащий объектив, прокачивающееся двухстороннее зеркало, и фотоприемное устройство, включающее линейку фоточувствительных элементов, расположенных параллельно оси прокачки и охлаждаемых системой глубокого охлаждения. Фоточувствительные элементы через усилители-формирователи частотной полосы (блок обработки сигнала изображения) соединены с линейкой светодиодов. Выходное изображение рассматривается или подвергается дальнейшему преобразованию через окуляр, обратную сторону зеркала и коллиматор. Это наиболее распространенные ТВР, которых к настоящему времени только в США и Германии выпущено около 100 тыс. штук (Орлов В.А. Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. М. Военное издательство, 1989, с. 132). According to the design embodiment, the closest to the prototype TVP selected as a prototype is a lens containing a pumped two-sided mirror and a photodetector including a line of photosensitive elements parallel to the pump axis and cooled by a deep cooling system. Photosensitive elements through amplifiers-shapers of the frequency band (image signal processing unit) are connected to a line of LEDs. The output image is examined or further converted through the eyepiece, the back of the mirror and the collimator. These are the most common TVRs, which to date, about 100 thousand pieces have been produced only in the USA and Germany (V. Orlov, V. Petrov, Night Observation Devices and with Limited Visibility. M. Military Publishing House, 1989, p. 132) .

Принципиальная схема тепловизора может меняться за счет использования различных типов сканирующих устройств, систем отображения информации и обработки сигналов. Schematic diagram of a thermal imager can change due to the use of various types of scanning devices, information display systems and signal processing.

Недостатком таких ТВП также является невысокая информационная емкость за счет формирования одноцветного изображения. В то же время формирование цветового изображения позволяет существенно расширить возможности человека-наблюдателя по обеспечению задачи обнаружения и опознавания объектов. Различение органом зрения цветовых контрастов значительно выше, чем одноцветных при достаточной яркости адаптации. The disadvantage of such TVP is also a low information capacity due to the formation of a single-color image. At the same time, the formation of a color image allows one to significantly expand the capabilities of a human observer in providing the task of detecting and recognizing objects. The distinction between the organ of vision of color contrasts is significantly higher than that of monochromatic ones with sufficient brightness of adaptation.

Целью изобретения является повышение информационной емкости изображения. The aim of the invention is to increase the information capacity of the image.

Для достижения указанной цели в известном тепловизионном приборе, включающем объектив, фотоприемное устройство с многоэлементным фотоприемником, соединенным с электронным блоком обработки сигнала, и видеоконтрольное устройство, фотоприемник содержит два или три типа чувствительных элементов, отличающихся друг от друга по спектральным характеристикам, причем фоточувствительные элементы каждого из типов соединены с электродами яркости одного из цветов (синего, зеленого или красного) видеоконтрольного устройства. To achieve this goal in a known thermal imaging device, including a lens, a photodetector with a multi-element photodetector connected to an electronic signal processing unit, and a video monitoring device, a photodetector contains two or three types of sensitive elements that differ from each other in spectral characteristics, the photosensitive elements of each of the types are connected to the brightness electrodes of one of the colors (blue, green or red) of the video monitoring device.

В частном случае элементы фотоприемника каждого типа расположены в виде линеек, параллельных линейкам чувствительных элементов других типов, а видеоконтрольное устройство содержит параллельные линейки из световодов различного цвета, соединенные с соответствующими элементами фотоприемника, при этом между объективом и фотоприемным устройством установлен сканер. In a particular case, the elements of the photodetector of each type are arranged in the form of rulers parallel to the lines of sensitive elements of other types, and the video monitoring device contains parallel lines of optical fibers of various colors connected to the corresponding elements of the photodetector, and a scanner is installed between the lens and the photodetector.

В другом частном случае чувствительные элементы каждого типа в фотоприемнике расположены в виде квазиматриц с временной задержкой и накоплением в направлении прокачки изображения и соединены с цветной электронно-лучевой трубкой через мультиплексор. In another particular case, the sensitive elements of each type in the photodetector are arranged in the form of quasi-matrices with a time delay and accumulation in the direction of pumping the image and are connected to a color cathode ray tube through a multiplexer.

Еще в одном частном случае фотоприемник представляет собой две или три различных по спектру фоточувствительных фокальных матрицы, расположенных за цветоделительным устройством или друг за другом. При этом выходы фотосигнала от матриц через электронный блок обработки сигнала соединены с электродами яркости синего, зеленого или красного цветов видеоконтрольного устройства (например, цветового дисплея). In another particular case, the photodetector is two or three different-in-spectrum photosensitive focal arrays located behind a color splitter or one after another. In this case, the outputs of the photo signal from the matrices are connected via an electronic signal processing unit to the brightness electrodes of the blue, green or red colors of the video monitoring device (for example, a color display).

Такое выполнение ТВП позволяет повысить информационную емкость изображения, так как в каждой точке картины отражается реальная интенсивность инфракрасных сигналов сразу в трех спектральных диапазонах фотоприемника. При этом яркость экрана поддерживается на таком уровне, чтобы колбочковый механизм человеческого зрения, при котором различительная способность по длине волны достигает 1 нм, а информационная емкость изображения увеличивается в 100-200 раз. Необходимая для эффективной работы колбочкового механизма человеческого зрения освещенность видимого изображения (более 0,1-1 лк) устанавливается с помощью коэффициента усиления усилителей-формирователей электронного блока обработки сигнала. This implementation of the TVP allows you to increase the information capacity of the image, since at each point in the picture the real intensity of infrared signals is reflected immediately in the three spectral ranges of the photodetector. At the same time, the screen brightness is maintained at such a level that the cone mechanism of human vision, in which the wavelength discrimination reaches 1 nm, and the image information capacity increases 100-200 times. The illumination of the visible image necessary for the effective operation of the cone mechanism of human vision (more than 0.1-1 lux) is set using the gain of the amplifiers-shapers of the electronic signal processing unit.

Тепловизионный прибор, изображенный на чертеже содержит инфракрасный объектив 1 и 2, многоэлементное фотоприемное устройство 3 с элементами в рядах 1, 11 и 111, прокачивающее зеркало 4, видеоконтрольное устройство 5, линейку световодов 6, коллиматор 7 и окуляр 8. Стрелками AA обозначено направление прокачки изображения. The thermal imaging device shown in the drawing contains an infrared lens 1 and 2, a multi-element photodetector 3 with elements in rows 1, 11 and 111, a pumping mirror 4, a video monitoring device 5, a line of optical fibers 6, a collimator 7 and an eyepiece 8. The arrows indicate the direction of pumping Images.

Тепловизионный прибор может также содержать мультиплексор, систему охлаждения и цветную электронно-лучевую трубку (не показаны). A thermal imaging device may also include a multiplexer, a cooling system, and a color cathode ray tube (not shown).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Формирование спектральной чувствительности фотоприемников на входе осуществляется, исходя из поставленной цели и выбранного спектрального диапазона работы тепловизора. Если выбирается спектральный диапазон ТВП 8-14 мкм, то линейки фотоприемного устройства имеют максимумы чувствительности, например, при 9 мкм, 10,5 мкм и 12 мкм. Фоточувствительные линейки могут быть настроены и на разные окна прозрачности атмосферы. Например, диапазон спектральной чувствительности первой линейки 0,9-1,5 мкм, второй линейки 3-5,5 мкм и третьей линейки 8-12 мкм. The formation of the spectral sensitivity of the photodetectors at the input is carried out based on the goal and the selected spectral range of the thermal imager. If the spectral range of a TVP of 8-14 μm is selected, then the lines of the photodetector have sensitivity maxima, for example, at 9 μm, 10.5 μm and 12 μm. Photosensitive rulers can also be configured for different atmospheric transparency windows. For example, the spectral sensitivity range of the first line is 0.9-1.5 μm, the second line is 3-5.5 μm and the third line is 8-12 μm.

При использовании индикатора в виде линеек светодиодов их излучение целесообразно обеспечивать на следующих длинах волн: 0,43 мкм (синий цвет); 0,54 мкм (зеленый цвет); 0,65 мкм (красный цвет); соответствующих спектрам основных цветов в цветном телевидении. When using the indicator in the form of rulers of LEDs, it is advisable to provide their radiation at the following wavelengths: 0.43 μm (blue color); 0.54 μm (green color); 0.65 μm (red color); corresponding to the spectra of primary colors in color television.

В случае использования индикатора на светодиодах усиленные сигналы от каждой из фоточувствительных площадок каждого ряда через индивидуальные усилители-формирователи частотной полосы электронного блока обработки сигнала 4 подаются на соответствующие площадки линейки излучателей, при этом фоточувствительные площадки из ряда 1 соединяются с соответствующими излучателями из ряда 1 и т.д. In the case of using an indicator on LEDs, the amplified signals from each of the photosensitive pads of each row are fed through individual amplifiers-shapers of the frequency band of the electronic signal processing unit 4 to the corresponding pads of the emitter line, while the photosensitive pads from row 1 are connected to the corresponding emitters from row 1 and t .d.

При работе сканера на выходе ТВП наблюдается цветное изображение объекта в условных цветах, отражающее в каждой точке картины реальную интенсивность ИК сигналов сразу в трех спектральных диапазонах фотоприемника 3. После окуляра (на чертеже не показан) могут быть установлен телевизионный блок преобразователя цветного изображения в электрический сигнал для раздачи нескольким потребителям. When the scanner is working, a color image of the object in arbitrary colors is observed at the output of the TVP, reflecting at each point in the picture the actual intensity of the IR signals immediately in the three spectral ranges of the photodetector 3. After the eyepiece (not shown), a television unit for converting the color image into an electric signal can be installed for distribution to multiple consumers.

Получить цветное изображение можно и с помощью двухкоординатной прокачки трех фоточувствительных элементов с разными спектральными характеристиками, (или трех групп таких элементов), а также, как уже упоминалось, с помощью трех матриц с разными спектральными диапазонами, расположенными за цветоделителями или последовательно друг за другом. При этом цветное изображение может быть получено на экране цветной электронно-лучевой трубки. В последнем варианте сканер не используется. A color image can also be obtained by two-axis pumping of three photosensitive elements with different spectral characteristics (or three groups of such elements), as well as, as already mentioned, using three matrices with different spectral ranges located behind the color dividers or sequentially one after another. In this case, a color image can be obtained on the screen of a color cathode ray tube. In the latter version, the scanner is not used.

Таким образом, изобретение позволяет впервые получить ТВП с цветным изображением, соответствующим колбочковому механизму зрения глаза, что повышает информационную емкость изображения на 2-2,5 порядка. Thus, the invention allows for the first time to obtain a TVP with a color image corresponding to the cone mechanism of vision of the eye, which increases the information capacity of the image by 2-2.5 orders of magnitude.

Claims

1. A thermal imaging device comprising a sequentially located lens and a photodetector with a multi-element photodetector connected to an electronic signal processing unit, and a video monitoring device, characterized in that the multi-element photodetector contains two or three types of sensing elements that differ in spectral characteristics, moreover photosensitive elements of each type are connected through an electronic signal processing unit to the brightness electrodes of one of the colors blue, green A red or red video monitoring device.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sensitive elements of the multi-element photodetector of each type are arranged in the form of rulers parallel to the lines of sensitive elements of other types, and the video monitoring device contains parallel lines of LEDs of different colors, while a scanner is installed between the lens and the photodetector .

3. The device according to claim 1, characterized in that the sensitive elements of each type in a multi-element photodetector are arranged in the form of quasi-matrices with a time delay and accumulation in the direction of pumping the image and are connected to a color cathode ray tube through a multiplexer.