УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА (ВАРИАНТЫ)

5
Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована при регулировании величины и спектрального состава принимаемого оптического изображения в обзорно-визирных телевизионных системах, работающих в условиях изменения освещенности на местности в широких пределах от ~ 0,1 лк до ~ 10 лк.
Известна телекамера на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, включающая объектив, в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы подключен блок усиления и обработки видеосигнала, к выходу которого подключен вход блока управления ПЗС-матрицей. Выход блока управления ПЗС-матрицей подключен к управляющим шинам фотоприемной ПЗС-матрицы. Перед объективом расположен оптический фильтр, изменяющий коэффициент пропускания в зависимости от интенсивности падающего на него потока излучения в силу проходящих в нем физических процессов (Россия, полезная модель, свидетельство №32347, публ. 2003.09.10).
Известное устройство характеризуется признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения и содержит: объектив, в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала, подключенный к выходу фотоприемной ПЗС-матрицы, оптический фильтр, расположенный на оптической оси.
Расположение оптического фильтра в известном устройстве перед объективом увеличивает габариты. Кроме того, выполнение оптического фильтра в виде оптического фильтра переменной плотности изменяющего
коэффициент пропускания зависит в силу проходящих в нем физических процессов не только от интенсивности падающего потока излучения, но и от температуры, при климатических воздействиях на регулятор светового потока. Применение данного оптического фильтра не позволяет управлять спектральным составом принимаемого оптического изображения.
Известна телекамера на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, включающая объектив в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы подключены последовательно соединенные блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления матрицей выход которого соединен с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы. Вышеперечисленные блоки образуют контур автоматической регулировки экспозиции, а перед ПЗС-матрицей дополнительно расположен оптический фильтр, положение которого (либо на оптической оси, либо со смещением относительно оптической оси) определяется контуром автоматической регулировки потока излучения. Контур автоматической регулировки потока излучения выполнен в виде последовательно соединенных фотоприемника с формирующей оптической системой, усилителя, компаратора, выход которого соединен с исполнительным устройством (Россия, патент №2264047, публ. 10.11.2005 г.).
Известное устройство характеризуется признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства. Устройство содержит: объектив, в фокальной плоскости которого расположена ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала, подключенный к управляющим шинам ПЗС-матрицы, оптический фильтр, который может по команде располагаться на оптической оси перед фоточувствительной поверхностью или со смещением относительно оптической оси посредством исполнительного механизма. Следует отметить, что вывод оптического фильтра с оптической оси, связывающей объектив и фотоприемную ПЗС-матрицу, приводит к
расфокусировке изображения (см. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М. Машиностроение. 1966 с.36) на величину:
,
где t - толщина фильтра;
n - показатель преломления стекла;
Δ - величина рас фокусировки.
Например, для стекла марки К8, К 108, при n=1,516, t=1,5 мм, величина расфокусировки составит Δ=0,56 мм. Допустимая величина расфокусировки для объективов обзорно-визирных ТВ-систем с полями зрения от 1° до 3° составляет ~ 0,05 мм. Количественно величину расфокусировки определяет уменьшение коэффициента передачи контраста не превышающее ~ 10%. Уменьшение коэффициента передачи контраста в тракте формирования оптического изображения приводит к уменьшению коэффициента модуляции в видеосигнале и, следовательно, ухудшению таких характеристик, как дальность обнаружения и распознавания малоразмерных объектов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство для регулирования светового потока, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси объектив, два оптических спектральных фильтра (в дальнейшем светофильтры), преобразователь свет-сигнал. Светофильтры расположены на одной оси вращения, смещенной относительно оптической оси, и связаны с приводами исполнительных механизмов, обеспечивающих возможность их встречного синхронного вращения. С преобразователем свет-сигнал последовательно соединен усилитель, детектор и исполнительные механизмы. (Россия, патент №1591742, публ. 08.13.1993 г.).
К недостаткам близкого аналога можно отнести: большие габариты устройства, обусловленные использованием громоздких электромеханических приводов светофильтров и сложная схема управления.
Задачей заявляемой полезной модели является создание компактного устройства с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и схемы управления приводом светофильтров, а также в повышении контрастной чувствительности телевизионного канала.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для регулирования светового потока содержит объектив, по меньшей мере, один светофильтр, преобразователь свет-сигнал и, по меньшей мере, один исполнительный механизм. Выход преобразователя свет-сигнал через усилитель подключен к входу детектора. Объектив и преобразователь свет-сигнал расположены на одной оптической оси.
Отличие от близкого аналога состоит в следующем:
В первом варианте исполнения заявляемой полезной модели на оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал дополнительно установлен оптический компенсатор длины хода с возможностью замены светофильтром посредством исполнительного механизма, выполненного в виде моментного двигателя. Выход детектора подключен к входу компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего - к схеме управления моментным двигателем. Преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга. Причем, светофильтр выполнен в виде нейтрального или цветного, или склейки нейтрального и цветного светофильтра, оптический компенсатор длины хода оптических лучей и светофильтр выполнены одинаковой толщины и связаны между собой.
Кроме того, оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла.
Во втором варианте исполнения первый светофильтр выполнен в виде нейтрального светофильтра, а второй - в виде цветного светофильтра. На оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал
дополнительно установлены два оптических компенсатора длины хода оптических лучей с возможностью одновременной или последовательной замены светофильтров посредством исполнительных механизмов. Исполнительные механизмы выполнены в виде моментных двигателей. Каждый оптический компенсатор длины хода оптических лучей и светофильтр попарно связаны и выполнены одинаковой толщины. Выходы детектора подключены к входам компараторов с гистерезисной характеристикой, а выходы последних - к схемам управления соответствующих моментных двигателей. Преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга.
Кроме того, второй вариант исполнения устройства отличается тем, что:
- оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла;
- выход детектора подключен к входу первого компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего подключен к схеме управления первым моментным двигателем. При этом схема управления вторым моментным двигателем соединена с устройством формирования команд от оператора или с цифровым вычислительным устройством. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта устройства для регулирования светового потока с одним светофильтром;
На фиг.2 представлена структурная схема второго варианта устройства для регулирования светового потока с двумя светофильтрами.
По первому варианту исполнения устройство для регулирования светового потока содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, компенсатор длины хода оптических лучей 2, фотоприемную ПЗС-матрицу 3 с устройством аниблюминга, а также светофильтр (спектральный или нейтральный) 4, установленный вне хода оптических
лучей. Светофильтр 4 и компенсатор длины хода оптических лучей 2 закреплены на коромысле, поворот которого выполняет моментный двигатель 5 со схемой управления. Компенсатор 2 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из оптического стекла (марки К8 или К108), толщина которой равна толщине светофильтра 4. Устройство содержит подключенный к выходу ПЗС-матрицы 3 усилитель 6, к выходу которого последовательно включены детектор видеосигнала 7, компаратор 8 с гистерезисной характеристикой, выход которого подключен к ключевой схеме управления моментным двигателем.
м
средн
эт.1
средн
эт1
Устройство работает следующим образом. Изображение местности передается объективом 1 через компенсатор 2 на фотоприемную ПЗС-матрицу 3. Диапазон автоматического регулирования экспозиции в передающих камерах с ПЗС-матрицами изменяется от 1/50 сек. до 1/10000 сек., что позволяет обеспечить работу в линейной области световой характеристики ПЗС-матрицы при освещенностях на местности до ~30000 лк. С выхода фотоприемной ПЗС-матрицы 3 видеосигнал передается через усилитель 6 на вход детектора 7, в котором формируется усредненное значение видеосигнала, пропорциональное освещенности местности Е. Усредненное значение видеосигнала U пропорциональное освещенности на местности (например, когда освещенность на местности превышает ~30000 лк.) сравнивается компаратором 8 с опорным уровнем U и, полученный при превышении U>U управляющий сигнал, поступает на электронный ключ в обмотке управления моментного двигателя 5 (Столов Л.Н., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока М. Энергоатомиздат 1989). Моментный двигатель 5 поворачивает коромысло, выводит из хода лучей компенсатор 2 и устанавливает светофильтр 4. Если в качестве светофильтра применяется нейтральный светофильтр (например, из стекла марки НС-7), то происходит ослабление входного оптического изображения местности по интенсивности. Для усиления ослабления можно использовать склейку из нескольких нейтральных фильтров или фильтр с
средн
средн
эт1
напылением, обеспечивающим требуемое ослабление светового потока. Ослабление светового потока при установке перед ПЗС-матрицей светофильтра приводит к уменьшению усредненного значения видеосигнала U. В этом случае, при условии U>U, управляющий сигнал от компаратора 8 продолжает поступать на электронный ключ в обмотке управления моментного двигателя 5, а возврат компаратора 8 в исходное состояние определяется шириной его гистерезисной характеристики (см. В.Л. Шило Линейные интегральные схемы. М. Сов. Радио. 1979, с.208). Если в качестве светофильтра применяется красный светофильтр (например, из стекла марки КС-19), то спектральный коэффициент пропускания и спектральная характеристика приемника связаны соотношением:
,
λ
где τ - спектральный коэффициент пропускания;
S(λ) - спектральная характеристика приемника;
λ
S - спектральная характеристика фильтра.
Прием входного оптического изображения в таком случае выполняется только в ближней ИК-области спектра, где пропускание атмосферы лучше.
Пропускание атмосферы в зависимости от используемого спектрального диапазона приведено в ряде источников (например, Щербаков Я.Е. «Расчет и конструирование аэрофотоаппаратов», М. Машиностроение 1974 с.24 или Чапурский Л.И. «Отражательные свойства природных объектов» Часть 1, М.О. 1986 с.108.). Коэффициент пропускания атмосферы и контрастная чувствительность телевизионного канала связаны соотношением:
вх
о
а,
С=С×τ
вх
где: С - контраст элементов оптического изображения на входном зрачке объектива;
о
С - исходный контраст элементов изображения на местности;
а
τ - коэффициент пропускание атмосферы в используемом диапазоне длин волн.
Для увеличения ослабления светового потока можно использовать склейку спектрального фильтра с нейтральным фильтром.
По второму варианту исполнения устройство для регулирования светового потока содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, два компенсатора длины хода оптических лучей 2-1, 2-2 фотоприемную ПЗС-матрицу 3 с устройством антиблюминга. Помимо этого устройство содержит два светофильтра 4-1, 4-2, установленных вне оптической оси, и два моментных двигателя 5-1, 5-2. Каждый из светофильтров 4-1, 4-2 и компенсаторы 2-1, 2-2 попарно закреплены на коромыслах, поворот которых выполняют моментные двигатели 5-1, 5-2. Компенсаторы 2-1, 2-2 выполнены в виде плоскопараллельной пластинки из оптического стекла, например, из стекла марок К8 или К108. Толщина каждого компенсатора 2-1, 2-2 равна толщине механически связанных с ними светофильтров 4-1, 4-2. Устройство содержит, подключенный к выходу ПЗС-матрицы 3, усилитель 6, к выходу которого последовательно включен детектор видеосигнала 7. Выход детектора видеосигнала 7 подключен к компараторам с гистерезисной характеристикой 8-1, 8-2, выходы которых подключены к соответствующим схемам управления в обмотке управления моментных двигателей 5-1, 5-2.
Работа устройства регулирования светового потока, выполненного по второму варианту, исполнения происходит следующим образом.
средн.1
местн1
средн1.
эт1
средн1
'эт2
эт1
'эт2
При увеличении освещенности на местности усредненный сигнал с детектора 7 U пропорциональный освещенности на местности Е поступает на компараторы 8-1, 8-2 управляющий сигнал от компараторов 8-1, 8-2 при U>U и U>U (в частном случае U=U) поступает на схемы управления моментных двигателей 5-1, 5-2. По управляющим сигналам, принятым от компараторов с гистерезисными характеристиками 8-1 и 8-2, моментные двигатели 5-1 и 5-2 выполняют
поворот коромысел. При этом компенсаторы 2-1 и 2-2 выводятся из хода лучей и на оптическую ось устанавливают светофильтры 4-1 и 4-2. Если в качестве светофильтра 4-1 применяется красный фильтр (например, из стекла марки КС-19), а в качестве светофильтра 4-2 нейтральный светофильтр (например, из стекла марки НС-7), то прием оптического изображения местности осуществляется в ближней ПК-области > 0.7 мкм, где пропускание атмосферы лучше. Для дополнительного ослабления светового потока одновременно с цветным светофильтром устанавливается нейтральный фильтр из стекла марки НС-7 или нейтральный светофильтр с напылением, обеспечивающим требуемое ослабление.
Управление одним из светофильтров может происходить по команде оператора с оценкой контраста воспроизводимых элементов изображения на экране индикатора. При измерении контраста информативных элементов изображения управление светофильтром возможно от цифрового измерительного устройства.
Конструктивно все варианты исполнения заявляемой полезной модели проще, чем у прототипа, т.к. в них отсутствуют сложные кинематические связи. Упрощенная схема управления положением оптических фильтров способствует уменьшению массы устройства, повышает надежность работы, особенно, при температурных воздействиях. Применение ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга повышает быстродействие, так как регулирование светового потока выполняется электронным затвором, а не механическим разворотами колец аттенюатора, как это делается в близком аналоге.
Повышение контрастной чувствительности телевизионного канала происходит при увеличении освещенности на местности за счет того, что оптическое изображение принимается только в длинноволновой области спектра, где пропускание атмосферы лучше.