способ контроля параметров оптико-электронных систем в рабочем диапазоне температур

Формула изобретения

Способ контроля параметров оптико-электронных систем (ОЭС), в рабочем диапазоне температур, основанный на формировании действительного изображения калиброванных источников излучения (мир), в картинной плоскости, т.е. в плоскости матричного фотоприемного устройства (МФПУ), воспроизведении получаемой видеоинформации в одном из телевизионных стандартов и измерении параметров сигналов на выходе ОЭС

отличается тем, что с целью повышения точности измерения параметров ОЭС в диапазоне рабочих температур:

- создают калиброванный по интенсивности и пространственной частоте поток энергии в азимутальном измерении при постоянной комнатной температуре;

- ОЭС (или партию ОЭС) крепят к турникету с электроприводом, угловое положение турникета и, соответственно, линии визирования (ЛВ) каналов ОЭС, в первой из плоскостей (например, в вертикальной плоскости) точно определяют; всю систему «ОЭС-турникет» размещают в термокамере, оборудованной окном, прозрачным в диапазоне чувствительности ОЭС, для входа калиброванного излучения; при этом система «мира-коллиматор» имеет возможность точного калиброванного поворота во второй плоскости, перпендикулярной первой (в горизонтальной плоскости); шаг изображения штрихов миры в плоскости МФПУ рассчитывают так, чтобы он отличался от шага пары пикселов МФПУ на 2-10%; при этом:

- число штрихов миры устанавливают достаточно большим (n₀ 50);

- мира содержит пару штрихов с низкой пространственной частотой;

- изображение миры перемещают по плоскости МФПУ как за счет пространственного наклона ЛВ ОЭС в вертикальной плоскости, так и за счет поворота системы "мира-коллиматор" в горизонтальной плоскости;

- пространственное разрешение ОЭС по полю зрения определяют путем сравнения амплитуд импульсов на низкой и высокой пространственных частотах.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области измерений и может быть использовано при измерении параметров оптико-электронных систем (ОЭС), использующих матричные фотоприемные устройства (МФПУ) в диапазоне температурных воздействий.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

И ЕГО НЕДОСТАТКИ

В известном способе параметры ОЭС с МФПУ контролируются с помощью универсальной миры, содержащей несколько групп штрихов (4 штриха в группе) с различной пространственной частотой.

Объективом ОЭС создается на поверхности МФПУ уменьшенное (увеличенное) в k=f₀/f_k раз изображение миры. Здесь:

f_k - фокусное расстояние объектива коллиматора;

f₀ - фокусное расстояние объектива ОЭС.

Отметим, что до появления МФПУ стандартная мира, содержащая 4 штриха, была вполне достаточной для панорамных ОЭС, с одиночными ФПУ или их линейками, поскольку необходимой принадлежностью таких ОЭС являлось устройство строчной развертки, плавно прописывающей все возможные сочетания положения изображения миры и ФПУ.

С появлением МФПУ отпала необходимость в устройстве развертки, но одновременно появились специфические трудности и ошибки настройки ОЭС вследствие дискретных геометрических параметров МФПУ и стандартных дискретных мир с ограниченным числом штрихов, геометрические параметры которых не связаны жестко с параметрами ОЭС, их объективами и МФПУ.

На фиг.1А показана типичная блок-схема установки для контроля параметров ОЭС известным способом.

На фиг.1Б представлен типичный сигнал, образующийся на выходе ОЭС, для случая, когда просматривается строка, в которой содержится изображение миры с 4 штрихами в плоскости МФПУ, создающей как высокую, так и низкую (ВЧ и НЧ) пространственную частоту.

При изучении результатов измерения, приведенных на фиг.1Б, обращают на себя внимание следующие обстоятельства:

- постепенное вертикальное смещение как ВЧ, так и НЧ сигналов от штриха к штриху;

- смещение верхних и нижних границ, а также изменение амплитуды сигнала от НЧ миры, особенно от последнего, четвертого штриха.

Эти эффекты возникают вследствие неопределенности как начального положения в изображении первого штриха миры относительно пиксела МФПУ, так и соотношения между шагами изображения миры и пикселов МФПУ, приводящие к неопределенности в измерении размаха сигнала. Ошибка измерения U_ВЧ в этом способе может достигать 50% и зависит от взаимной ориентации оптических осей коллиматора и ОЭС, от разности их шаговых расстояний и от величины начального смещения изображения первого по счету штриха миры на поверхности пиксела МФПУ.

Дополнительно, следует ожидать ряда эффектов, связанных с изменением рабочей температуры и обусловленных изменением базовых длин в конструкции объектив ОЭС - МФПУ, а также радиусов кривизны и коэффициентов преломления линз объектива, а также возможным смещением МФПУ относительно линии визирования объектива. Однако в способе-прототипе эффекты, связанные с изменением температуры, не рассматривались.

В целом, известным способом:

- с большой ошибкой измеряется фокусное расстояние объективов ОЭС, это не позволяет оценить его изменения в диапазоне рабочих температур и, соответственно, изменение границ поля зрения и дефокусировки ОЭС;

- с большой ошибкой измеряется соотношение полей зрения в многоканальных комбинированных ОЭС (КОЭС);

- не измеряется температурное разрешение ( Т_ВЧ) ОЭС на граничной частоте (частоте Найквиста) в различных участках поля зрения и зависимость Т_ВЧ от температуры;

- не измеряется нарушение симметрии поверхности изображения относительно линии визирования ОЭС.

Кроме того, известным способом не контролируются локальные параметры ОЭС:

- распределение пространственного разрешения по полю зрения;

- распределение фокусного расстояния по полю зрения и кривизна поля изображения;

- изменение названных параметров в диапазоне рабочих температур, поскольку такой контроль изначально требует изменения взаимной ориентации ЛВ ОЭС и коллиматора, что в известном методе приводит к большой ошибке.

Точное знание названных параметров необходимо либо для создания компенсирующих механизмов, либо для учета изменения названных параметров программным способом; это знание существенно повысило бы устойчивость ОЭС к изменяющимся условиям их эксплуатации.

Предлагается способ контроля параметров ОЭС в рабочем диапазоне температур при котором:

1. ОЭС (или партию ОЭС) крепят к турникету с электроприводом, угловое положение турникета и, соответственно, ЛВ в первой из плоскостей (например, в вертикальной плоскости) точно определяют; всю систему «ОЭС-турникет» размещают в термокамере, оборудованной окном для входа калиброванного излучения; выходной сигнал ОЭС анализируют известным способом.

2. Источник калиброванного излучения формируют при постоянной (комнатной) температуре с помощью системы «мира-коллиматор», при этом система «мира-коллиматор» имеет возможность точного калиброванного поворота во второй плоскости, перпендикулярной первой (в горизонтальной плоскости).

3. Шаг штрихов миры на поверхности изображения рассчитывается так, чтобы он отличался от шага пары пикселов МФПУ на 2-10%;

- число штрихов миры n₀ должно быть достаточно большим (n₀ 50);

- мира должна содержать пару штрихов с низкой пространственной частотой;

- изображение миры перемещается по плоскости МФПУ за счет соответствующего пространственного наклона ОЭС относительно оптической оси коллиматора;

- контраст изображения штрихов миры создается парой штрих-подложка, имеющих одинаковую температуру, но различный коэффициент серости; для изменения контраста изображения варьируется температура подложки.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА, РЕШАЕМАЯ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Целью предлагаемого изобретения являются измерения в диапазоне рабочих температур:

1. Изменения фокусного расстояния объективов ОЭС (ошибка не более 0,1%).

2. Искривления поверхности изображения и нарушения ее симметрии относительно центра матричного фотоприемного устройства (МФПУ).

3. Изменения размеров поля зрения ОЭС.

4. Изменения пространственного разрешения ОЭС по полю зрения.

5. Изменение температурного разрешения ОЭС в различных участках поля зрения.

6. Изменение пространственной ориентации линии визирования (ЛВ) ОЭС.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настройку и объективный контроль параметров ОЭС, использующих МФПУ, осуществляют на установке, у которой:

- в азимутальном измерении создается калиброванный по интенсивности и пространственной частоте поток энергии; калиброванный поток энергии остается неизменным в процессе всех измерений;

- пространственная частота потока энергии создается соответствующим подбором шаговых расстояний штрихов миры и близка к частоте Найквиста для расчетных фокусных расстояний объектива ОЭС и коллиматора;

- пространственный угол потока энергии, формируемого коллиматором, существенно (в 3 6 раз) меньше поля зрения ОЭС по азимуту;

- азимутальное смещение потока энергии по всему полю зрения ОЭС осуществляется путем поворота объектива коллиматора и миры вокруг вертикальной оси, при этом взаимное расположение миры и объектива относительно оптической оси коллиматора остается неизменным;

- угломестное смещение (в вертикальной плоскости) положения изображения миры осуществляют путем калиброванного наклона оптической оси ОЭС;

- общее положение калиброванного потока энергии в поле зрения ОЭС определяется путем измерения местоположения изображения сигнала на экране монитора, либо измерением местоположения сигнала на строке с данным номером и калиброванной задержке сигнала относительно начала строки по цифровому осциллографу.

Предлагаемый способ позволяет путем измерения пространственного угла между оптическими осями коллиматора и ОЭС и повторения процедуры измерения для любого сектора поля зрения ОЭС определять с высокой точностью в любом секторе поля зрения ОЭС в диапазоне рабочих температур:

1. Фокусное расстояние объектива ОЭС.

2. Величину искривления поверхности изображения и нарушение ее симметрии относительно центра матричного фотоприемного устройства (МФПУ).

3. Размеры поля зрения ОЭС.

4. Пространственное разрешение ОЭС по полю зрения ОЭС.

5. Изменение NEDT ОЭС по полю зрения.

6. Изменение пространственной ориентации линии визирования (ЛВ) относительно базовых элементов конструкции ОЭС

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖА

На фиг.1А приведена известная оптическая схема системы «мира-коллиматор - объектив ОЭС - МФПУ» при измерениях по способу прототипа; известная система не предполагает оптических измерений в диапазоне рабочих температур ОЭС;

- на фиг.1Б показана форма ВЧ и НЧ сигналов на выходе ОЭС при измерении ее параметров известным способом (показан типичный сигнал на входе регистрирующего цифрового осциллографа).

На фиг.2 показана оптическая схема предлагаемой установки, позволяющей производить необходимые измерения параметров ОЭС в диапазоне температур. Здесь:

1 - блок излучателя (повернуто на 90° вокруг оптической оси зеркала)

2 - зеркало (линза) коллиматора

3 - мира

4 - термокамера

5 - турель термокамеры с ОЭС

6-i - i-я ОЭС

7-i - i-й МФПУ

8 - оптическое входное окно термокамеры.

На фиг.3 показаны контрольные местоположения четырех изображений миры в поле зрения ОЭС.

На фиг.4 показаны сигналы на выходе цифрового осциллографа, полученные на установке, работающей по заявляемому способу. Мира содержит контрастные штрихи на частоте, близкой к частоте Найквиста (отклонение не более 10%). Шаговое расстояние изображения штрихов миры в фокальной плоскости объектива ОЭС составляло х_ш=38,5 мкм (при f=100 мм и размере пиксела МФПУ =35 мкм).

Мира также содержит 2 штриха с пространственной частотой, в 5 раз меньшей, чем частота Найквиста, что позволяет производить сравнение размаха сигнала на высокочастотной (ВЧ) и низкочастотной (НЧ) компонентах сигнала.

Из фиг.4 видно, что в центре поля зрения и на его краю отношение компонент ВЧ к НЧ может существенно меняться, как правило, уменьшаясь при смещении положения изображения миры от центра к краям поля зрения. Из фиг.4 также видно, что фокусное расстояние в зависимости от направления измерения в пределах поля зрения f ( , ) изменяется более чем на ±1% от номинальной величины.