3.1. Проектирование оптической системы.
В литературе представлены широко распространенные оптические схемы тепловизоров. Принципиальное отличие этих и многих других подобных схем связано с особенностями построения систем сканирования.
В большинстве современных тепловизоров сканирование по кадру осуществляется качающимся плоским зеркалом, а по строке - вращающимися зеркальными призмами или пирамидами. В связи с этим для уменьшения габаритов сканирующих элементов осуществляют оптическое сопряжение положения их рабочих плоскостей. Эта задача решается с помощью дополнительных оптических систем, формирующих промежуточное изображение. Типовая оптическая схема тепловизора сканирующего типа, включающего в свой состав телескопическую систему и дополнительную систему изображена на рис. 3.
3 Типовая оптическая схема сканирующего тепловизора: 1 - коллиматор; 2 - кадровое зеркало; 3 - плоское зеркало; 4 - дополнительная оптическая система; 5 - строчное сканирующее зеркало; 6 - проекционный объектив; 7 - ПИ.
Эквивалентное фокусное расстояние такой системы определяется по формуле f = f \ b о Г , (8)
где f \ - фокусное расстояние дополнительной оптической системы;
Гт - видимое увеличение телескопической системы;
Ьo - линейное увеличение проекционного объектива.
Требования на качество ОС формулируются при оптимизации значения целевой функции (6).
Особенностью оптических схем тепловизоров, подобных рассмотренной, является возможность появления холодного блика, так называемого, эффекта Нарцисса. Этот эффекта проявляется в формировании изображения холодной полости, находящейся в окрестности чувствительного элемента охлаждаемого ПИ, в плоскости анализа тепловизора. Сам же эффект Нарцисса возникает в результате
отражения излучения холодной полости от поверхностей линзовых компонент телескопической и дополнительной оптических систем.
Для устранения этого крайне нежелательного эффекта требуется проектировать оптическую систему с как можно меньшим обратным отражением.
3.2. Методика проектирования систем оптико-механического сканирования.
Как отмечалось ранее, существует великое множество схем систем оптико- механического сканирования. Некоторые из них приведены в [1,2,3].
Основными показателями качества систем сканирования являются:
коэффициент использования развертки;
геометрические искажения;
габариты.
Коэффициент использования развертки при условии отсутствия виньетирования пучка в процессе сканирования и заданных габаритах сканирующего барабана определяется по формуле, которую можно вывести на основе простых геометрических соображений (см. рис.4),
(9)
где na - количество граней зеркального сканирующего барабана; an - сечение пучка лучей;
r - радиус окружности, вписанной в зеркальный сканирующий барабан. Формулу (9) можно также использовать для расчета габаритов зеркального сканирующего барабана при заданном коэффициенте использования.
Для анализа вида траектории сканирования используется математический аппарат векторной алгебры.
4 Система сканирования с зеркально-призменным барабаном:
а) Схема системы сканирования.
1 - зеркально-призменный барабан; 2 - объектив; 3 - ПИ.
б) Геометрическая интерпретация условия отсутствия виньетирования при сканировании зеркально-призменным барабаном (к выводу формулы (9)).
Если задан единичный вектор
Рис. 5 Пояснение к решению задачи анализа отражения луча от грани зеркально-призменного барабана
3.3. Обзор типов ПИ и систем охлаждения.
В тепловизионных системах используются ПИ на основе полупроводниковых материалов таких, как PbS, PbSe, InSb, InAs, Ge:Hg, HgCdTe, SiPt/Si, IrSi/Si, GeSi/Si, GaAs/AlGaAs и др. Параметры перечисленных одноэлементных и многоэлементных ПИ приведены в литературе.
В настоящее время большинство используемых в тепловизорах ПИ являются охлаждаемыми. Существуют следующие типы систем охлаждения:
заливные;
термоэлектрические холодильники;
холодильники Джоуля-Томсона;
холодильные машины, работающие в цикле Стирлинга.
Принципы действия перечисленных устройств достаточно подробно изложены.
Следует отметить, что наибольший интерес у разработчиков тепловизионных систем вызывают неохлаждаемые фокальные матрицы ПИ. Среди таких ПИ следует отметить появившиеся в последнее время фокальные матрицы микроболометров, матрицы термоэлектрических элементов, а также пироэлектрические матрицы.