RU2137319C1

RU2137319C1 - Compact heat-vision device

Info

Publication number: RU2137319C1
Application number: RU98106717/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Медведев; А.В. Гринкевич; зева С.Н. Кн; С.Н. Князева
Original assignee: Медведев Александр Владимирович; Гринкевич Александр Васильевич; Князева Светлана Николаевна
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: Goal of invention is achieved by means of double- side scanning mirror in converging beams with linear photodetectors and emitters and optical channel with prismatic erecting system. EFFECT: decreased weight and size. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано при изготовлении тепловизионних приборов для визуализации тепловых изображений в самых разнообразных условиях эксплуатации. The present invention relates to the field of optoelectronic technology and can be used in the manufacture of thermal imaging devices for visualizing thermal images in a wide variety of operating conditions.

Наиболее близким по технической сущности является наблюдательный тепловизионный прибор ("Оптический журнал", N 12, 1995 г., стр. 60. А.В. Медведев, А. В. Гринкевич, И.Ю. Теленков, Е.В. Малинкина "Наблюдательный тепловизионный прибор"). The closest in technical essence is an observational thermal imaging device (Optical Journal, N 12, 1995, p. 60. A.V. Medvedev, A.V. Grinkevich, I.Yu. Telenkov, E.V. Malinkina " Observational thermal imaging device ").

Недостатком наблюдательного тепловизионного прибора являются большие габариты и вес, трудоемкость при изготовлении, что обусловлено расположением сканирующего зеркала в параллельном пучке и наличием призменной оборачивающей системы с крышей, при этом сканирующая система работает на больших световых диаметрах - больших, чем входной зрачок основного объектива, а изготовление крыши на призмах требует секундных точностей (порядка 2 - 3 угловых секунд). The disadvantage of an observational thermal imaging device is the large size and weight, the complexity of manufacturing, due to the location of the scanning mirror in a parallel beam and the presence of a prism wrapping system with a roof, while the scanning system operates at large light diameters - larger than the entrance pupil of the main lens, and manufacturing roofs on prisms requires second accuracy (of the order of 2 - 3 arc seconds).

Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров и веса тепловизора, упрощение работы с прибором при его изготовлении и эксплуатации за счет расположения двухстороннего сканирующего зеркала в сходящихся пучках, оборачивания изображения по вертикали за счет электрической коммутации линеек фотоприемников и излучателей, по горизонту за счет призменной системы в оптическом канале. The aim of the present invention is to reduce the overall dimensions and weight of the thermal imager, simplifying work with the device during its manufacture and operation due to the location of the double-sided scanning mirror in converging beams, wrapping the image vertically due to electrical switching of the lines of photodetectors and emitters, horizontally due to the prism system in optical channel.

Эта цель достигается тем, что тепловизор содержит ИК объектив, линейку фотоприемников, двухстороннее сканирующее зеркало, линейку излучателей, коллимирующий объектив, фокусирующий объектив, призменную оборачивающую систему и окуляр, при этом двухстороннее сканирующее зеркало расположено в сходящемся пучке между ИК объективом и линейкой фотоприемников с одной стороны и между линейкой излучателей и коллимирующим объективом с другой стороны, а оборачивание изображения осуществляется по вертикали электрической коммутацией между линейками (фотоприемников и излучателей), по горизонту призменной оборачивающей системой из двух призм АР-90 и БП-90. This goal is achieved by the fact that the thermal imager contains an IR lens, a line of photodetectors, a two-sided scanning mirror, a line of emitters, a collimating lens, a focusing lens, a prism wraparound system and an eyepiece, while the two-sided scanning mirror is located in a converging beam between the IR lens and the line of photodetectors with one the sides and between the line of emitters and the collimating lens on the other hand, and the image is wrapped vertically by electrical switching between the line s (emitters and photodetectors) on the horizontal prism relaying system of two prisms of AP-90 and PD-90.

Конструктивное исполнение малогабаритного тепловизионного прибора показано на чертеже. Здесь содержатся ИК-объектив 1 и 2, линейка фотоприемников 3, двухстороннее сканирующее зеркало 4, линейка излучателей 5, коллимирующий объектив 6, фокусирующий объектив 7 и 8, призменная оборачивающая система 9 и 10, окуляры 11 и 12, электродвигатель 13 с кривошипно-шатунным приводом на сканирующее зеркало. Параметры варианта исполнения ИК-объектива 1 и 2 приведены в табл.1. The design of a small thermal imaging device is shown in the drawing. It contains an IR lens 1 and 2, a line of photodetectors 3, a two-sided scanning mirror 4, a line of emitters 5, a collimating lens 6, a focusing lens 7 and 8, a prism wrapping system 9 and 10, eyepieces 11 and 12, an electric motor 13 with a crank driven by a scanning mirror. The parameters of the embodiment of the IR lens 1 and 2 are given in table 1.

Линейка фотоприемников 3 - неохлаждаемый 64-элементный линейный пироэлектрический модуль ЛПМ-64 типа АТО180, изготовитель ЗАО "АТОМИКС", г. Москва, размер элемента 0,1 мм, шаг - 0,1 мм. The line of photodetectors 3 is an uncooled 64-element linear pyroelectric module LPM-64 of the ATO180 type, manufactured by ZAO ATOMIX, Moscow, element size 0.1 mm, pitch 0.1 mm.

Линейка излучателей 5 - 64-х элементная линейка светоизлучающих диодов "Селигер", изготовитель АО "Протон", г. Орел, размер элемента 0,05 мм, шаг - 0,05 мм, цвет свечения красный. Line of emitters 5 - 64-element line of light-emitting diodes "Seliger", manufactured by JSC "Proton", Oryol, element size 0.05 mm, pitch - 0.05 mm, glow color red.

Параметры варианта коллимирующего объектива 6 приведены в табл.2. The parameters of the collimating lens option 6 are given in table 2.

Параметры варианта фокусирующего объектива 7 и 8 приведены в табл.3. The parameters of the focusing lens option 7 and 8 are given in table 3.

Параметры варианта призменной оборачивающей системы 9 и 10 следующие:
размеры катетных граней для призмы 11 типа АР-90 равны 18 мм;
размеры входной и выходной граней пентапризмы 12 типа БП-90 равны 18 мм.The options for the prism wrapping system 9 and 10 are as follows:
the dimensions of the leg faces for prism 11 of the type AP-90 are 18 mm;
the dimensions of the input and output faces of the pentaprism 12 of the BP-90 type are 18 mm.

Параметры варианта окуляра 11 и 12 приведены в табл.4. The parameters of the eyepiece variant 11 and 12 are given in table 4.

Принцип действия малогабаритного тепловизионного прибора заключается в следующем. ИК-объектив, состоящий из двух компонентов 1 и 2, каждый из которых содержит положительную линзу, фокусирует изображение на линейке фотоприемников 3 через одну сторону зеркала 4, сканирующего тепловую картину. Излучение от линейки излучателей 5 коллимируется объективом, состоящим из положительной линзы 6, через другую сторону зеркала 4, при этом для сохранения равенства масштабов изображения по вертикали и по горизонту соотношение размеров элементов фотоприемника 3 и излучателя 5 должно соответствовать:
АФ / А_и = F_об / F_к.об
где АФ и А_и - размер одного элемента в линейке фотоприемников и в линейке излучателей соответственно;
F_об и F_к.об - фокусные расстояния ИК-объектива и коллимирующего объектива соответственно.The principle of operation of a small-sized thermal imaging device is as follows. An infrared lens, consisting of two components 1 and 2, each of which contains a positive lens, focuses the image on the line of photodetectors 3 through one side of the mirror 4 scanning the thermal picture. The radiation from the line of emitters 5 is collimated by the lens, consisting of a positive lens 6, through the other side of the mirror 4, while in order to maintain the equality of the image scales vertically and horizontally, the ratio of the sizes of the elements of the photodetector 3 and emitter 5 should correspond to:
AF / A _and = F _about / F _{K. about}
where AF and A _and are the size of one element in the line of photodetectors and in the line of emitters, respectively;
F _about and F _k.ob are the focal lengths of the IR lens and the collimating lens, respectively.

Параллельный пучок после объектива 6 фокусируется фокусирующим объективом, состоящем из двух компонентов, первый из которых содержит положительную линзу 7, второй - отрицательный мениск 8. Изображение рассматривается через окуляр, состоящий из двух компонентов 11 и 12, каждый из которых содержит положительную линзу, а оборачивание изображения осуществляется в горизонтальной плоскости призменной оборачивающей системой, состоящей из призмы 11 типа АР-90 и пентапризмы 12 типа БП-90. Так как призмы не имеют крыши, то такая система оборачивает изображение только в горизонтальной плоскости. Прямое изображение по вертикали строится следующим образом. ИК-объектив 1, 2 строит на линейке фотоприемников перевернутое изображение по вертикали. Электрическая коммутация элементов линейки фотоприемников с элементами линейки излучателей осуществляется соединением по схеме, показанной на фиг. 2, аналогично системам с параллельным сканированием и параллельной обработкой видеосигнала (Дж. Ллойд "Системы тепловидения", М.: МИР, 1978 г., стр. 310 - 314). Электрические сигналы от каждого из элементов линейки фотоприемников в виде напряжения, пропорционального падающему потоку в изображении, усиливаются и преобразуются в ток, вызывающий свечение соответствующего элемента линейки излучателей. Излучаемое линейкой излучателей вертикальное изображение при такой коммутации перевернуто, а линзы 6, 7 и 8 (см. фиг.1) переносят изображение в фокальную плоскость окуляра 11, 12, восстанавливая прямое изображение. The parallel beam after lens 6 is focused by a focusing lens consisting of two components, the first of which contains a positive lens 7, the second a negative meniscus 8. The image is viewed through an eyepiece consisting of two components 11 and 12, each of which contains a positive lens, and the wrap the image is carried out in a horizontal plane by a prism wrapping system consisting of a prism 11 of type AP-90 and a pentaprism 12 of type BP-90. Since prisms do not have a roof, such a system only wraps the image in the horizontal plane. A direct vertical image is constructed as follows. IR lens 1, 2 builds an inverted image vertically on a line of photodetectors. Electrical switching of the elements of the line of photodetectors with the elements of the line of emitters is carried out by connecting according to the circuit shown in FIG. 2, similarly to systems with parallel scanning and parallel processing of a video signal (J. Lloyd "Thermal imaging systems", M .: MIR, 1978, pp. 310 - 314). Electrical signals from each of the elements of the line of photodetectors in the form of a voltage proportional to the incident flux in the image are amplified and converted into a current that causes the glow of the corresponding element of the line of emitters. The vertical image emitted by the emitter line is turned upside down during such switching, and the lenses 6, 7 and 8 (see FIG. 1) transfer the image to the focal plane of the eyepiece 11, 12, restoring the direct image.

В рассмотренном варианте конструктивного исполнения малогабаритный тепловизионный прибор имеет следующие характеристики:
рабочий спектральный диапазон - 8-14 мкм,
увеличение Г = 2 крат:
поле зрения по вертикали 5 градусов, по горизонту 10 градусов;
формат разложения - 64 x 128 элементов;
геометрическая разрешающая способность - 1,4 мрад;
предельное температурное разрешение - 0,5 градусов;
частота кадров - не менее 50 Гц;
диоптрийная наводка окуляра +/- 4 дптр;
вес - 400 г.In the considered embodiment, the small-sized thermal imaging device has the following characteristics:
working spectral range - 8-14 microns,
increase G = 2 times:
vertical field of view 5 degrees, horizontal 10 degrees;
decomposition format - 64 x 128 elements;
geometric resolution - 1.4 mrad;
extreme temperature resolution - 0.5 degrees;
frame rate - not less than 50 Hz;
diopter tip of the eyepiece +/- 4 diopters;
weight - 400 g.

Положительный эффект от предлагаемых технических решений заключается в упрощении оптической схемы и конструкции прибора, уменьшении габаритных и весовых характеристик тепловизора, что упрощает работу с прибором при его изготовлении и эксплуатации в самых разнообразных условиях. The positive effect of the proposed technical solutions is to simplify the optical design and design of the device, reducing the overall and weight characteristics of the thermal imager, which simplifies the work with the device during its manufacture and operation in a wide variety of conditions.

Claims

A small-sized thermal imaging device containing an IR lens, a line of photodetectors, a two-sided scanning mirror, a line of emitters, a collimating lens, a focusing lens, a prism wraparound system and an eyepiece, characterized in that the two-sided scanning mirror is located in a converging beam between the IR lens and the line of photodetectors on one side and between the line of emitters and the collimating lens on the other hand, and the image is rotated vertically by electrical switching th between the lines of photodetectors and emitters, horizontally with a prism wrapping system, while the IR lens consists of two components, each of which contains a positive lens; a collimating lens consists of a positive lens; the focusing lens consists of two components, the first of which contains a positive lens, the second a negative meniscus; the prism system consists of two prisms AR-90 and BP-90; the eyepiece consists of two components, each of which contains a positive lens, and the ratio of the sizes of the elements of the photodetector and emitter should correspond
AF / A _and = F _about / F _{K. about} ,
where AF and A _and are the size of one element in the line of photodetectors and in the line of emitters, respectively;
F _o6 and F _k.ob are the focal lengths of the IR lens and the collimating lens, respectively.