RU2470335C1

RU2470335C1 - Infrared collimator

Info

Publication number: RU2470335C1
Application number: RU2011114910/28A
Authority: RU
Inventors: Виллен Арнольдович Балоев; Игорь Геннадьевич Денисов; Ренат Исламович Зарипов; Владимир Петрович Иванов
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-12-20
Also published as: RU2011114910A

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: infrared collimator has a lens, a focus target, a device for measuring temperature of the focus target and a control device. The focus target is placed in the focal plane of the infrared collimator in front of a background radiator which is equipped with an actuating element. The output of the device for measuring temperature of the focus target is connected to the first input of a device for stabilising the level of contrast radiation, whose output is connected to the actuating element of the background radiator. The output of the control device is connected to the second input of the device for stabilising the level of contrast radiation. The device for stabilising the level of contrast radiation has a processor, a device for measuring temperature difference between the background radiator and the focus target and an output stage. The first and second inputs of the processor are the first and second inputs of the device for stabilising the level of contrast radiation. The output of the device for measuring temperature difference between the background radiator and the focus target is connected to the third input of the processor. The input of the output stage is connected to the output of the processor and the output is the output of the device for stabilising the level of contrast radiation.

EFFECT: high accuracy of monitoring basic parameters of thermal imaging devices by increasing accuracy of maintaining a given level of contrast radiation when ambient temperature varies, and broader functional capabilities of the infrared collimator by allowing maintenance of different levels of contrast radiation.

3 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля параметров тепловизионных приборов.The present invention relates to optical instrumentation and is intended to control the parameters of thermal imaging devices.

Известна лабораторная установка для измерения минимальной разрешаемой разности температур (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М., 1978 г., стр.392, 393), представляющая собой коллиматор, содержащий объектив, миру, излучатель, устройство стабилизации разности температур между излучателем и мирой, имеющей температуру окружающей среды.A known laboratory setup for measuring the minimum resolvable temperature difference (see Lloyd D. Thermal imaging systems. M., 1978, p. 392, 393), which is a collimator containing a lens, a radiator, a device for stabilizing the temperature difference between the radiator and a world having an ambient temperature.

Недостатком данной установки является то, что для стабилизации требуемого постоянного уровня контрастного инфракрасного (ИК) излучения при изменении температуры окружающей среды оператор должен изменять разность температур между фоновым излучателем и мирой в соответствии с зависимостью ΔТ=F(Т_м, ΔM), где:The disadvantage of this installation is that to stabilize the required constant level of contrasting infrared (IR) radiation when the ambient temperature changes, the operator must change the temperature difference between the background emitter and the world in accordance with the dependence ΔТ = F (T _m , ΔM), where:

ΔT - разность температур между фоновым излучателем и мирой;ΔT is the temperature difference between the background emitter and the world;

Т_м - температура миры, равная температуре окружающей среды;T _m - the temperature of the worlds, equal to the ambient temperature;

ΔM - уровень контрастного излучения.ΔM is the level of contrast radiation.

Эта зависимость определяется либо расчетным путем, либо по результатам калибровки устройства в рабочем диапазоне температур окружающей среды. Поддержание требуемого уровня ΔТ сложно для оператора, не позволяет оперативно отслеживать колебания температуры окружающей среды и может привести к ошибкам.This dependence is determined either by calculation or by the calibration of the device in the operating range of ambient temperatures. Maintaining the required level of ΔТ is difficult for the operator, does not allow to quickly monitor fluctuations in ambient temperature and can lead to errors.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) по технической сущности и достигаемому эффекту является ИК коллиматор (Свидетельство на полезную модель №29155, кл. G02B 27/30, 2002 г.), содержащий объектив, миру, имеющую температуру окружающей среды, размещенную в фокальной плоскости ИК коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры окружающей среды (миры), выход которого подключен к входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя. Устройство стабилизации уровня контрастного излучения автоматически поддерживает разность температур между фоновым излучателем и мирой на уровне ΔT=F(Т_м, ΔМ). Формируемая в устройстве стабилизации уровня контрастного излучения аналоговым способом зависимость ΔT=F(Т_м, ΔМ) представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию номинальной зависимости, полученной при калибровке ИК коллиматора. В рассматриваемом ИК коллиматоре ΔM имеет одно постоянное заданное значение, вводимое в устройство поддержания уровня контрастного излучения при его настройке.Closest to the proposed invention (prototype) in terms of technical nature and the achieved effect is an infrared collimator (Utility Model Certificate No. 29155, class G02B 27/30, 2002) containing a lens to the world with an ambient temperature located in the focal the plane of the infrared collimator in front of a background emitter equipped with an actuator, an ambient temperature meter (worlds), the output of which is connected to the input of the device for stabilizing the level of contrast radiation, the output of which is connected to the actuator th element of the background emitter. The device for stabilizing the level of contrast radiation automatically maintains the temperature difference between the background emitter and the world at the level ΔT = F (T _m , ΔM). The dependence ΔT = F (T _m , ΔМ) formed in the device for stabilizing the level of contrast radiation in an analogue way is a piecewise linear approximation of the nominal dependence obtained when calibrating the IR collimator. In the IR collimator under consideration, ΔM has one constant preset value introduced into the device for maintaining the level of contrast radiation when it is adjusted.

К недостатку данного ИК коллиматора можно отнести сравнительно большую, до 0,3 К при уровне контрастного излучения 3 К, погрешность поддержания уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, обусловленную погрешностью кусочно-линейной аппроксимации. Кроме того, данный ИК коллиматор поддерживает лишь одно заданное значение ΔМ. Для его изменения необходима перенастройка с заменой подборных электрорадиоэлементов устройства стабилизации уровня контрастного излучения, что требует значительных трудовых и временных затрат и часто неприемлемо.The disadvantage of this IR collimator is the relatively large error, up to 0.3 K at a contrast radiation level of 3 K, of the error in maintaining the level of contrast radiation with a change in the ambient temperature, due to the error of the piecewise linear approximation. In addition, this IR collimator supports only one setpoint ΔM. To change it, a reconfiguration is necessary with the replacement of pick-up electro-radio elements of the device for stabilizing the level of contrast radiation, which requires considerable labor and time costs and is often unacceptable.

Невозможность оперативного изменения уровня поддерживаемого контрастного излучения не позволяет использовать один и тот же ИК коллиматор для контроля работоспособности тепловизионных приборов различного типа, требующих в процессе контроля поддержания на их оптическом входе отличающихся значений уровня контрастного излучения, а также не позволяет использовать ИК коллиматор для измерения ряда характеристик тепловизионных приборов, таких как минимально-разрешаемая разность температур и минимально-обнаруживаемая разность температур, в процессе измерения которых необходимо поддерживать различные уровни контрастного излучения.The impossibility of promptly changing the level of supported contrast radiation does not allow the use of the same IR collimator to control the performance of various types of thermal imaging devices, which require different values of the contrast radiation level at their optical input, and also does not allow the use of an IR collimator to measure a number of characteristics thermal imaging devices, such as the minimum allowable temperature difference and the minimum detectable temperature difference p, in the measuring process which is necessary to maintain high levels of contrast of the radiation.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности контроля основных параметров тепловизионных приборов путем повышения точности поддержания заданного значения уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей ИК коллиматора путем обеспечения возможности поддержания различных значений уровня контрастного излучения.The task to which the invention is directed is to increase the accuracy of control of the main parameters of thermal imaging devices by increasing the accuracy of maintaining a given value of the level of contrast radiation with changing ambient temperature, as well as expanding the functionality of the IR collimator by providing the ability to maintain different values of the level of contrast radiation.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматор, содержащий объектив, миру, размещенную в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом, измеритель температуры миры, выход которого подключен к первому входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, дополнительно введено устройство управления, выход которого подключен ко второму входу устройства стабилизации уровня контрастного излучения, при этом устройство стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами устройства стабилизации уровня контрастного излучения, измеритель разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен к третьему входу процессора, и выходной каскад, вход которого подключен к выходу процессора, а выход является выходом устройства стабилизации уровня контрастного излучения, а также тем, что устройство управления выполнено в виде устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления, а также тем, что устройство управления может быть выполнено также в виде последовательно соединенных задатчика и устройства интерфейса, выход которого является выходом устройства управления.This goal is achieved by the fact that in the infrared collimator containing the lens, placed in the focal plane of the infrared collimator in front of the background emitter equipped with an actuator, a world temperature meter, the output of which is connected to the first input of the device for stabilizing the level of contrast radiation, the output of which is connected to the executive an element of the background emitter, an additional control device is introduced, the output of which is connected to the second input of the level stabilization device radiation, the device for stabilizing the level of contrast radiation contains a processor, the first and second inputs of which are the first and second inputs of the device for stabilizing the level of contrast radiation, a temperature difference meter between the background radiator and the world, the output of which is connected to the third input of the processor, and the output stage, the input of which is connected to the processor output, and the output is the output of the device for stabilizing the level of contrast radiation, as well as the fact that the control device is made in ide of the interface device, the output of which is the output of the control device, as well as the fact that the control device can also be made in the form of series-connected master and interface device, the output of which is the output of the control device.

На фиг.1 и 2 представлена функциональная схема ИК коллиматора.Figure 1 and 2 presents a functional diagram of an infrared collimator.

ИК коллиматор (фиг.1) содержит объектив 1, миру 2, размещенную в фокальной плоскости ИК коллиматора перед фоновым излучателем 3, снабженным исполнительным элементом 4, измеритель 5 температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, устройство 7 управления, выход которого подключен ко второму входу устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения. Устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения содержит процессор 8, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения, измеритель 9 разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, выход которого подключен к третьему входу процессора 8, выполненного, например, на микросхеме MSC1211, выходной каскад 10, вход которого подключен к выходу процессора 8, а выход является выходом устройства 6 стабилизации уровня контрастного излучения. Устройство 7 управления может быть выполнено в виде устройства 11 интерфейса (фиг.2), в качестве которого может быть использована, например, микросхема МАХ3243, выход которого является выходом устройства 7 управления. Устройство 7 управления может быть также выполнено в виде последовательно соединенных задатчика 12, например, персонального компьютера и устройства 11 интерфейса (фиг.1), выход которого является выходом устройства 7 управления. На чертежах также показан контролируемый тепловизионный прибор 13.The IR collimator (Fig. 1) contains a lens 1, the world 2, located in the focal plane of the IR collimator in front of the background emitter 3, equipped with an actuator 4, a temperature meter 5 of the world 2, the output of which is connected to the first input of the device 6 for stabilizing the level of contrast radiation, output which is connected to the actuator 4 of the background emitter 3, a control device 7, the output of which is connected to the second input of the device 6 for stabilizing the level of contrast radiation. The device 6 for stabilizing the level of contrast radiation contains a processor 8, the first and second inputs of which are the first and second inputs of the device 6 for stabilizing the level of contrast radiation, a meter 9 of the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2, the output of which is connected to the third input of the processor 8, made for example, on the MSC1211 chip, the output stage 10, the input of which is connected to the output of the processor 8, and the output is the output of the device 6 for stabilizing the level of contrast radiation. The control device 7 can be made in the form of an interface device 11 (FIG. 2), for which, for example, the MAX3243 microcircuit, the output of which is the output of the control device 7, can be used. The control device 7 can also be made in the form of series-connected master 12, for example, a personal computer and an interface device 11 (Fig. 1), the output of which is the output of the control device 7. The drawings also show a controlled thermal imaging device 13.

Работает ИК коллиматор следующим образом.The IR collimator works as follows.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые мирой 2, которая может быть выполнена, например, в виде тонкой непрозрачной пластины, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей (см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости ИК коллиматора, создают за счет определенного подогрева или охлаждения исполнительным элементом 4, который может представлять собой, например, нагреватель или термоэлектронный охладитель, фонового излучателя 3 и того, что температура миры 2 равна температуре окружающей среды, контрастный, с определенным уровнем контрастного излучения, поток ИК излучения, который формируется объективом 1 и направляется во входной зрачок тепловизионного прибора 13. В тепловизионном приборе 13 контрастное ИК излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.Areas in the central part of the working surface of the background emitter 3, not covered by world 2, which can be made, for example, in the form of a thin opaque plate, in the central part of which there are a number of through slots parallel to each other (see view A of FIG. 1), located in the focal plane of the IR collimator, they are created due to a certain heating or cooling by the actuating element 4, which can be, for example, a heater or a thermionic cooler, a background emitter 3 and the temperature of the worlds 2 is at ambient temperature, contrasting, with a certain level of contrasting radiation, the IR radiation flux, which is formed by the lens 1 and is directed to the entrance pupil of the thermal imaging device 13. In the thermal imaging device 13, the contrast IR radiation is converted into brightness contrast in the visible region, the magnitude of which is proportional to the contrast level radiation.

Поддержание заданного постоянного уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды (миры 2) обеспечивается за счет изменения по закону ΔT=F(Т_м, ΔM) разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и осуществляется следующим образом.Maintaining a given constant level of contrast radiation when the ambient temperature changes (worlds 2) is ensured by changing according to the law ΔT = F (T _m , ΔM) the temperature difference between the background emitter 3 and world 2 and is carried out as follows.

Напряжение с выхода измерителя 5 температуры миры 2 поступает на первый вход процессора 8. Это напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем (на чертежах не показан), входящим в состав процессора 8 (микросхемы MSC1211), в код, по которому процессор 8, используя предварительно введенную и хранящуюся в его постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) (на чертежах не показано) в виде уравнения или системы уравнений зависимость ΔT=F(Т_м, ΔM), где ΔM может иметь различные значения, находящиеся в пределах рабочего дипазона, рассчитывает для требуемого значения ΔM требуемое значение (код) ΔT, соответствующее измереному значению температуры миры.The voltage from the output of temperature measuring device 5 of Worlds 2 is supplied to the first input of processor 8. This voltage is converted by an analog-to-digital converter (not shown in the drawings), which is part of processor 8 (microcircuit MSC1211), into the code according to which processor 8, using the previously entered and stored in its read-only memory (ROM) (not shown in the drawings) in the form of an equation or a system of equations, the dependence ΔT = F (T _m , ΔM), where ΔM can have different values within the operating range, calculates for ΔM value, the required value (code) ΔT, corresponding to the measured temperature value of the worlds.

С выхода измерителя 9 разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 напряжение, соответствующее измеренному значению ΔT, поступает на третий вход процессора 8, преобразуется входящим в его состав аналого-цифровым преобразователем в код, который затем сравнивается с кодом, соответствующим требуемому значению ΔT. Вычисленный процессором 8 код, соответствующий разности требуемого и измеренного значений ΔT, преобразуется процессором 8 в соответствующий, например, широтно-импульсно-модулированный сигнал, который через выходной каскад 10 поступает на исполнительный элемент 4 фонового излучателя 3, чем обеспечивается поддержание требуемого уровня ΔМ. Предварительный до начала работы в режиме поддержания заданного уровня контрастного излучения ввод зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) в ПЗУ процессора 8 осуществляется задатчиком 12, подключенным через устройство 11 интерфейса ко второму входу процессора 8, и самим процессором 8, обеспечивающим необходимый порядок ввода зависимости в свое ПЗУ. Специального оборудования при вводе зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) в процессор 8 не требуется.From the output of the temperature difference meter 9 between the background emitter 3 and the world 2, the voltage corresponding to the measured ΔT value is supplied to the third input of the processor 8, converted by the analog-to-digital converter included in it, into a code, which is then compared with a code corresponding to the required ΔT value. The code calculated by the processor 8 corresponding to the difference between the required and measured ΔT values is converted by the processor 8 into a corresponding, for example, pulse-width-modulated signal, which, through the output stage 10, is supplied to the actuator 4 of the background emitter 3, which ensures the maintenance of the required level ΔM. Prior to starting work in the mode of maintaining a given level of contrast radiation, the input of the dependence ΔТ = F (T _m , ΔM) in the ROM of the processor 8 is carried out by the controller 12 connected via the interface device 11 to the second input of the processor 8 and by the processor 8 itself, which provides the necessary input order dependencies in your ROM. Special equipment when you enter the dependence ΔТ = F (T _m , ΔM) in the processor 8 is not required.

Если ИК коллиматор предназначен для поддержания в процессе работы только одного уровня контрастного излучения, например, контроля в процессе эксплуатации характеристик серийно выпускаемых тепловизионных приборов одного типа, в ПЗУ процессора 8, предварительно, при настройке вводится помимо зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔM) одно значение (код) ΔМ, соответствующее требуемому уровню ΔМ, и в дальнейшем при контроле характеристик тепловизионных приборов задатчик 12 не требуется. При этом в состав устройства 7 управления входит только устройство 11 интерфейса, необходимое для подключения задатчика 12 в особых случаях, например, при замене контролируемых устаревших тепловизионных приборов на новые с более высокой чувствительностью, что требует установки на оптическом выходе ИК коллиматора нового, более низкого, значения ΔМ. Для его установки достаточно подключить к устройству 11 интерфейса любой персональный компьютер, ввести с помощью любого носителя, например установочного CD-диска, через устройство 11 интерфейса в устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения новое значение ΔМ и отключить компьютер, участие которого в дальнейшей работе не требуется.If the IR collimator is designed to maintain only one level of contrast radiation during operation, for example, to monitor during operation the characteristics of commercially available thermal imaging devices of the same type, in the ROM of processor 8, previously, in addition to setting, the dependence ΔТ = F (T _m , ΔM) is entered one value (code) ΔM corresponding to the required level ΔM, and further, when controlling the characteristics of thermal imaging devices, the setter 12 is not required. At the same time, the control device 7 includes only the interface device 11, which is necessary for connecting the setter 12 in special cases, for example, when replacing controlled obsolete thermal imaging devices with new ones with higher sensitivity, which requires installing a new, lower one on the optical output of the IR collimator, ΔM values. To install it, it is enough to connect any personal computer to the interface device 11, enter a new ΔМ value into the device 6 for stabilizing the contrast radiation level through the device 11 of the interface into the device 6 for stabilizing the contrast radiation, and turn off the computer, the participation of which is not required in future work .

Если ИК коллиматор предназначен для поддержания различных уровней ΔМ с возможностью оперативного выбора одного из них, используется устройство 7 управления, снабженное задатчиком 12, с помощью которого в процессор 8 через устройство 11 интерфейса вводится и может оперативно изменяться требуемое значение ΔМ, что позволяет использовать один ИК коллиматор для контроля тепловизионных приборов различного типа и измерять ряд их характеристик, таких как, например, минимально разрешаемая и минимально обнаруживаемая разности температур, требующих установки в определенном порядке различных значений ΔМ. Изменение поддерживаемых уровней ΔМ в процессе измерения характеристик может осуществляться автоматически в определенном порядке задатчиком 12 в соответствии с заложенной в нем программой. Кроме того, представление вводимой в устройство 6 стабилизации уровня контрастного излучения зависимости ΔТ=F(Т_м, ΔМ) в виде уравнения или системы уравнений значительно снижает (до ±0,03 К) погрешность поддержания требуемого уровня контрастного излучения при изменении температуры окружающей среды по сравнению с вариантом формирования этой зависимости аналоговым способом (погрешность до ±0,3 К), что позволяет повысить точность контроля основных параметров тепловизионных приборов.If the IR collimator is designed to maintain various levels of ΔM with the possibility of prompt selection of one of them, a control device 7 is used, equipped with a setter 12, with the help of which the required value ΔM can be input and can be changed quickly by the interface device 11, which allows using one IR a collimator for monitoring thermal imaging devices of various types and measuring a number of their characteristics, such as, for example, the minimum resolvable and minimally detectable temperature differences, requiring their installation in a certain order of different ΔM values. Changing the supported levels ΔM in the process of measuring characteristics can be carried out automatically in a certain order by the controller 12 in accordance with the program laid down in it. In addition, the representation of the dependence ΔТ = F (T _m , ΔМ) introduced into the device 6 for stabilizing the level of contrast radiation in the form of an equation or a system of equations significantly reduces (up to ± 0.03 K) the error in maintaining the required level of contrast radiation when the ambient temperature is changed according to compared with the option of forming this dependence in an analogous way (error up to ± 0.3 K), which allows to increase the accuracy of monitoring the main parameters of thermal imaging devices.

Claims

1. An infrared collimator containing a lens placed in the focal plane of the infrared collimator in front of a background emitter equipped with an actuator, a temperature meter of the worlds, the output of which is connected to the first input of the device for stabilizing the level of contrast radiation, the output of which is connected to the actuator of the background emitter, characterized the fact that an additional control device is introduced into it, the output of which is connected to the second input of the device for stabilizing the level of contrast about radiation, while the device for stabilizing the level of contrast radiation contains a processor, the first and second inputs of which are the first and second inputs of the device for stabilizing the level of contrast radiation, a temperature difference meter between the background radiator and the world, the output of which is connected to the third input of the processor, and the output stage, the input of which is connected to the processor output, and the output is the output of the device for stabilizing the level of contrast radiation.

2. The infrared collimator according to claim 1, characterized in that the control device is made in the form of an interface device, the output of which is the output of the control device.

3. The infrared collimator according to claim 1, characterized in that the control device is made in the form of series-connected master and interface device, the output of which is the output of the control device.