RU2623417C2 - Optical system of thermal imaging device - Google Patents
Optical system of thermal imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623417C2 RU2623417C2 RU2015153596A RU2015153596A RU2623417C2 RU 2623417 C2 RU2623417 C2 RU 2623417C2 RU 2015153596 A RU2015153596 A RU 2015153596A RU 2015153596 A RU2015153596 A RU 2015153596A RU 2623417 C2 RU2623417 C2 RU 2623417C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- component
- convex
- positive
- concave
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 238000001931 thermography Methods 0.000 title claims description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 101000623895 Bos taurus Mucin-15 Proteins 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
- G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
- G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
- G02B15/15—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective compensation by means of only one movement or by means of only linearly related movements, e.g. optical compensation
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
- H04N5/33—Transforming infrared radiation
Landscapes
- Lens Barrels (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к инфракрасным оптическим системам и может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными приемниками излучения.The invention relates to infrared optical systems and can be used to create thermal imaging devices with cooled matrix radiation detectors.
Известна оптическая система для тепловизионных приборов (см. патент RU 2449328 А1, МПК7 G02B 13/14, 23/12, публ. 27.04.2012 г.), содержащая входной и проекционный объективы, между которыми формируется промежуточное изображение, и матричный приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. Система имеет следующие характеристики: спектральный диапазон работы 3…5 мкм, фокусное расстояние 60 мм, длина от первой линзы до плоскости изображения 150 мм. Система содержит расфокусирующий элемент, установленный с возможностью ввода-вывода его в оптический тракт. С помощью этого элемента осуществляется необходимая при работе инфракрасных систем коррекция неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения (калибровка).A known optical system for thermal imaging devices (see patent RU 2449328 A1, IPC 7 G02B 13/14, 23/12, publ. 04/27/2012), containing the input and projection lenses between which an intermediate image is formed, and a radiation matrix receiver with a cooled diaphragm. The system has the following characteristics: a spectral range of 3 ... 5 microns, a focal length of 60 mm, a length from the first lens to the image plane of 150 mm. The system contains a defocusing element mounted with the possibility of input-output it into the optical path. With the help of this element, the correction of the heterogeneity of the parameters of the photosensitive elements of the radiation receiver (calibration) is necessary for the operation of infrared systems.
Недостатками являются небольшое фокусное расстояние и большая длина оптической системы.The disadvantages are the small focal length and the large length of the optical system.
Также известно оптическое устройство формирования изображения с ИК-калибровкой (см. патент FR 2928462 А1, МПК7 G02B 13/14, 15/16, H04N 5/235 публ. 11.09.2009 г.), содержащее входной объектив, проекционный объектив, приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой, блок обработки информации, блок позиционирования и блок калибровки. Фокусное расстояние системы изменяемое, причем максимальное фокусное расстояние f'max=135 мм, минимальное - f'min=25 мм. Устройство работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм, формат матрицы приемника излучения 384×288 элементов с шагом 15 мкм. Длина оптической системы устройства от первой линзы до плоскости изображения не менее 170 мм. В описанном устройстве предусмотрена калибровка, которая осуществляется перемещением двух линз, устанавливаемых в положении, обеспечивающем полную расфокусировку изображения от бесконечно удаленного объекта.An optical imaging device with IR calibration is also known (see patent FR 2928462 A1, IPC 7 G02B 13/14, 15/16,
Недостатками описанного устройства являются большая длина оптической системы, небольшое линейное поле зрения, а также осуществление калибровки в результате перемещения двух оптических элементов.The disadvantages of the described device are the large length of the optical system, a small linear field of view, and the calibration as a result of the movement of two optical elements.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе, выбранной в качестве прототипа, является оптическая система для инфракрасной камеры (см. патент US 5909307 А, МПК7 G02B 13/14, публ. 01.06.1999 г.), содержащая объектив и приемник излучения с охлаждаемой диафрагмой. Объектив работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм и состоит из двух компонентов, при этом первый компонент выполнен в виде отрицательной выпукло-вогнутой линзы, второй компонент в целом положительный и содержит первую положительную выпукло-вогнутую, вторую отрицательную выпукло-вогнутую и третью двояковыпуклую линзы; вблизи первой линзы второго компонента расположена апертурная диафрагма. Фокусное расстояние объектива f'=22,1 мм, длина L от первой поверхности первого компонента до плоскости изображения 80 мм. Для оптической силы объектива ϕ, оптических сил первого ϕ1 и второго ϕ2 компонентов, расстояния между ними d и длины второго компонента d2 выполнены соотношения:Closest to the technical nature of the claimed system, selected as a prototype, is an optical system for an infrared camera (see patent US 5909307 A, IPC 7 G02B 13/14, publ. 06/01/1999), containing a lens and a radiation receiver with cooled diaphragm. The lens operates in the spectral range of 3 ... 5 μm and consists of two components, with the first component made in the form of a negative convex-concave lens, the second component is generally positive and contains the first positive convex-concave, the second negative convex-concave and the third biconvex lens ; near the first lens of the second component is the aperture diaphragm. The focal length of the lens f '= 22.1 mm, the length L from the first surface of the first component to the image plane is 80 mm. For the optical power of the lens ϕ, the optical forces of the first ϕ 1 and second ϕ 2 components, the distance between them d and the length of the second component d 2 the following relations are fulfilled:
1) 0,5ϕ<-ϕ1<0,7ϕ;1) 0.5ϕ <-ϕ 1 <0.7ϕ;
2) 0,55ϕ<ϕ2<0,87ϕ;2) 0.55ϕ <ϕ 2 <0.87ϕ;
3) 1,55/ϕ<d<1,98/ϕ;3) 1.55 / ϕ <d <1.98 / ϕ;
4) d2<2,1/ϕ.4) d 2 <2.1 / ϕ.
К недостаткам описанной системы можно отнести следующее. При работе со стандартным приемником излучения, имеющим формат матрицы 640×512 с шагом элементов 15 мкм, элементарное поле зрения этой оптической системы составляет γ=15/f'=0,68 мрад, что не обеспечивает достаточного углового разрешения тепловизионного прибора. В описанной системе компенсация терморасфокусировки изображения осуществляется, предположительно, перемещением всего объектива, поскольку он имеет небольшие габаритные размеры, и при возрастании диаметров линз и длины (в случае увеличения фокусного расстояния системы) становится неприемлемой. Кроме того, в этой системе отсутствует возможность коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения.The disadvantages of the described system include the following. When working with a standard radiation detector having a matrix format of 640 × 512 with an element pitch of 15 μm, the elementary field of view of this optical system is γ = 15 / f '= 0.68 mrad, which does not provide sufficient angular resolution of the thermal imaging device. In the described system, the compensation of thermal defocusing of the image is carried out, presumably, by moving the entire lens, since it has small overall dimensions, and when the lens diameters and length increase (in the case of increasing the focal length of the system) it becomes unacceptable. In addition, in this system there is no possibility of correcting the heterogeneity of the parameters of the photosensitive elements of the radiation receiver.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение углового разрешения тепловизионного прибора при обеспечении компенсации терморасфокусировки изображения и коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения перемещением одного из элементов системы.The problem to which the invention is directed is to increase the angular resolution of a thermal imaging device while providing compensation for thermal defocusing of the image and correcting the heterogeneity of the parameters of the photosensitive elements of the radiation receiver by moving one of the elements of the system.
Поставленная задача решается за счет того, что в оптической системе тепловизионного прибора, состоящей из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первый компонент, первая линза которого выполнена выпукло-вогнутой, и второй компонент, выполненный в виде двух выпукло-вогнутых линз, и приемника излучения с охлаждаемой диафрагмой, выход которого соединен с входом блока обработки информации, введены датчик температуры и блок позиционирования, подключенные к входу и выходу блока обработки информации соответственно, в первом компоненте объектива первая линза выполнена положительной и дополнительно введена отрицательная выпукло-вогнутая линза, при этом оптическая сила первого компонента в целом положительная, во втором компоненте первая линза выполнена отрицательной и установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси под управлением блока позиционирования, вторая линза выполнена положительной, при этом оптическая сила второго компонента в целом отрицательная, а расстояния между первым и вторым компонентами d1 и между линзами второго компонента d2 удовлетворяют следующим условиям:The problem is solved due to the fact that in the optical system of a thermal imaging device consisting of a lens containing a first component successively arranged along the optical axis, the first lens of which is made convex-concave, and the second component, made in the form of two convex-concave lenses, and a receiver radiation with a cooled diaphragm, the output of which is connected to the input of the information processing unit, a temperature sensor and a positioning unit are introduced, connected to the input and output of the information processing unit, respectively Actually, in the first component of the lens, the first lens is positive and an additional negative convex-concave lens is introduced, while the optical power of the first component is generally positive, in the second component, the first lens is negative and mounted to move along the optical axis under the control of the positioning unit, the second positive lens is formed, the optical power of the second component generally negative, and the distance between the first and second components 1 and d between the lenses a second component d 2 satisfy the following conditions:
0,2f'<d1<0,4f'; 0,1f'<d2<0,2f', где f' - фокусное расстояние системы.0.2f '<d 1 <0.4f'; 0,1f '<d 2 <0,2f', where f 'is the focal length of the system.
На фиг. 1 представлена оптическая схема тепловизионного прибора.In FIG. 1 shows an optical diagram of a thermal imaging device.
На фиг. 2 представлен ход лучей в системе с расположением элементов, соответствующим рабочему режиму (а) и режиму калибровки (б).In FIG. Figure 2 shows the ray path in the system with the arrangement of elements corresponding to the operating mode (a) and calibration mode (b).
На фиг. 3 представлены графики функции концентрации энергии (ФКЭ) системы для температур 20, 60 и минус 50°С.In FIG. Figure 3 presents graphs of the function of energy concentration (FFE) of the system for temperatures of 20, 60, and minus 50 ° С.
Оптическая система тепловизионного прибора состоит из объектива, содержащего последовательно расположенные вдоль оптической оси первый компонент I, включающий первую положительную 1 и вторую отрицательную 2 выпукло-вогнутые линзы, и второй компонент II, включающий подвижную первую отрицательную 3 и вторую положительную 4 выпукло-вогнутые линзы, при этом расстояния между первым и вторым компонентами d1 и между линзами второго компонента d2 удовлетворяют следующим условиям: 0,2f'<d1<0,4f'; 0,1f'<d2<0,2f' (f' - фокусное расстояние системы), приемника излучения 5 с охлаждаемой диафрагмой 6, выход которого соединен с входом блока обработки информации 7, датчика температуры 8, подключенного к входу блока обработки информации 7, и блока позиционирования 9, управляющего первой линзой 3 второго компонента II и подключенного к выходу блока обработки информации 7. Дополнительно показано устройство отображения информации (монитор) 10.The optical system of a thermal imaging device consists of a lens containing the first component I successively arranged along the optical axis, including the first positive 1 and second negative 2 convex-concave lenses, and the second component II, including the movable first negative 3 and the second positive 4 convex-concave lenses, the distances between the first and second components d 1 and between the lenses of the second component d 2 satisfy the following conditions: 0.2f '<d 1 <0.4f'; 0,1f '<d 2 <0,2f' (f 'is the focal length of the system),
Блок обработки информации 7 может быть выполнен на основе микропроцессоров типа цифрового сигнального процессора TMS320 DM642 или подобного и микросхем памяти, обеспечивающих осуществление связей с блоком позиционирования 9 и датчиком температуры 8, электронную обработку сигнала и вывод его на экран монитора 10. Блок позиционирования 9 может быть выполнен в виде шагового двигателя, осуществляющего перемещение линзы 3 вдоль оптической оси.The
В таблице 1 приведены технические характеристики системы.Table 1 shows the technical specifications of the system.
Конструктивные параметры конкретного примера исполнения объектива приведены в таблице 2.The design parameters of a specific example of the lens performance are shown in table 2.
В таблице 3 приведены значения перемещений линзы 3 в зависимости от температуры окружающей среды.Table 3 shows the values of the movements of the
Как следует из таблицы 1, элементарное поле зрения этой оптической системы составляет γ=15/f'=0,13 мрад, что в 5 раз меньше, чем в прототипе, при этом ее длина увеличена незначительно. Конструктивное исполнение, при котором линза 3 установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, позволяет осуществлять компенсацию расфокусировки изображения при изменении температуры (см. фиг. 3) и частичную расфокусировку изображения для выполнения коррекции неоднородности чувствительных элементов приемника излучения (см. фиг. 2б).As follows from table 1, the elementary field of view of this optical system is γ = 15 / f '= 0.13 mrad, which is 5 times less than in the prototype, while its length is slightly increased. The design, in which the
Оптическая система тепловизионного прибора работает следующим образом. Инфракрасное излучение от бесконечно удаленного объекта попадает в объектив, где проходит через линзы 1-4 первого I и второго II компонентов и фокусируется в плоскости чувствительных элементов приемника излучения 5, выходные сигналы с которого поступают в блок обработки информации 7, причем выходной зрачок системы совмещен с охлаждаемой диафрагмой 6.The optical system of a thermal imaging device operates as follows. Infrared radiation from an infinitely distant object enters the lens, where it passes through the lenses 1-4 of the first I and second II components and is focused in the plane of the sensitive elements of the
В рабочем режиме показания датчика температуры поступают в блок обработки информации 7, сигнал с которого поступает в блок позиционирования 9. В соответствии с этим сигналом осуществляется перемещение линзы 3 вдоль оптической оси в заданное положение (см. таблицу 2) и устраняется расфокусировка изображения при изменении температуры.In the operating mode, the temperature sensor reads into the
В режиме калибровки сигнал от блока обработки информации 7 поступает в блок позиционирования 9, и линза 3 перемещается вдоль оптической оси в положение, при котором осуществляется частичная расфокусировка системы. Затем выходные сигналы с приемника излучения 5 поступают в блок обработки информации 7, где вычисляются корректирующие поправки для каждого элемента приемника излучения 5, которые учитываются при формировании изображения в рабочем режиме, после чего скорректированное изображение выводится на экран монитора 10.In calibration mode, the signal from the
Таким образом, выполнение оптической системы тепловизионного прибора в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет повысить его угловое разрешение при обеспечении компенсации терморасфокусировки изображения и коррекции неоднородности параметров фоточувствительных элементов приемника излучения перемещением одного из элементов системы, что улучшает эксплуатационные характеристики прибора в целом.Thus, the implementation of the optical system of the thermal imaging device in accordance with the proposed technical solution allows to increase its angular resolution while providing compensation for thermal defocusing of the image and correcting the inhomogeneity of the parameters of the photosensitive elements of the radiation receiver by moving one of the elements of the system, which improves the operational characteristics of the device as a whole.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015153596A RU2623417C2 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Optical system of thermal imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015153596A RU2623417C2 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Optical system of thermal imaging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015153596A RU2015153596A (en) | 2017-06-19 |
RU2623417C2 true RU2623417C2 (en) | 2017-06-26 |
Family
ID=59067950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015153596A RU2623417C2 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Optical system of thermal imaging device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2623417C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5909307A (en) * | 1996-11-13 | 1999-06-01 | Nikon Corporation | Optical system for infrared camera |
RU2348955C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-03-10 | Институт физики полупроводников СО РАН | Infrared telescope with two magnifications for long-range ir-area of spectrum |
RU2365952C1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро точного приборостроения" | Infrared objective |
EP2919054A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-16 | Ricoh Company, Ltd. | Zoom lens unit, imaging device, and monitoring video camera |
-
2015
- 2015-12-14 RU RU2015153596A patent/RU2623417C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5909307A (en) * | 1996-11-13 | 1999-06-01 | Nikon Corporation | Optical system for infrared camera |
RU2348955C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-03-10 | Институт физики полупроводников СО РАН | Infrared telescope with two magnifications for long-range ir-area of spectrum |
RU2365952C1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро точного приборостроения" | Infrared objective |
EP2919054A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-16 | Ricoh Company, Ltd. | Zoom lens unit, imaging device, and monitoring video camera |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015153596A (en) | 2017-06-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103823294B (en) | There is the continuous vari-focus medium-wave infrared optical system of overlength focal length | |
RU2449328C1 (en) | Optical system for thermal imaging devices | |
JP2017515144A5 (en) | ||
US11146734B2 (en) | Image capturing apparatus and image monitoring system | |
RU2630195C1 (en) | Infrared telephoto lens with two vision fields | |
JP5935918B2 (en) | Zoom lens device | |
CN109677327A (en) | Method for detecting the EMS and the environment for detecting vehicle of the environment of vehicle | |
US20200166807A1 (en) | Image processing device, image capturing device, and image processing method | |
RU2567126C1 (en) | Infrared imaging device | |
JP5779910B2 (en) | Infrared camera and focus position correction method | |
RU2570062C1 (en) | Optical system for thermal imaging device having two viewing fields | |
RU2623417C2 (en) | Optical system of thermal imaging device | |
CN106657982B (en) | A kind of camera module image clarity calibration method and device | |
RU162014U1 (en) | OPTICAL SYSTEM OF THE THERMAL VISION DEVICE | |
RU2621366C1 (en) | Compact lens of mid-infrared range | |
KR20150098485A (en) | Automatic focuser of thermal imaging camera and method thereof | |
Scherr et al. | Narcissus considerations in optical designs for infrared staring arrays | |
KR101928363B1 (en) | Infrared optical system using variable focusing mirror | |
JP2014194502A (en) | Imaging apparatus and imaging system | |
RU2646401C1 (en) | Optical system of thermal imaging device with two fields of view | |
RU152545U1 (en) | DEVICE FOR FORMING INFRARED IMAGE | |
US20210203822A1 (en) | Actuated static masks for coded aperture imaging | |
SG11201903079YA (en) | Ir imaging system with continuous gc-pc zoom provided with a tpc configuration | |
CN219758574U (en) | Image shift compensation optical system and aerial remote sensing system | |
RU2538067C1 (en) | Variable field of view high-aperture lens for thermal imager (versions) |