ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НОЧНОГО/ДНЕВНОГО НАБЛЮДЕНИЯ И ПРИЦЕЛИВАНИЯ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для наблюдения, измерения дальности и автосопровождения объектов в ночных и дневных условиях.
Известен визир-дальномер (см. патент РФ на изобретение №2444701, М. кл. G01C 3/08, G02B 23/10, опубл. 10.03.2012 г.), содержащий дальномер с приемным каналом, визирный канал, входной объектив, общий для приемного канала дальномера и визирного канала, спектроделитель, разделяющий лазерный и визирный световые потоки, и опорную марку с подсветкой, при этом согласно изобретению светоделитель выполнен в виде спектроделительной призмы, на одной грани которой нанесена полевая диафрагма приемного канала дальномера и опорная марка, а на другой грани приклеено сферическое зеркало, причем радиус сферического зеркала и его положение на призме выполнены из условия оптического сопряжения полевой диафрагмы и опорной марки.
В данном визире-дальномере оптическая ось фотоприемника (ФП) остается стабильной при изменении температуры и сохраняет стабильность настройки, однако это не исключает смещения фотоприемника на величину, соизмеримую с размерами приемной площадки ФП (0,05-0,1) мм при климатических и механических воздействиях, что приводит к снижению точности измерения дальности до объекта, кроме этого в указанном устройстве исключена возможность оперативной выверки осей лазерного и визирного каналов.
Известен дальномер (см. патент РФ на изобретение №2135954, М. кл. G01C 3/08, G01S 17/08, G02B 23/08, опубл. 27.08.1999 г.), содержащий лазерный излучатель, светоделитель, выполненный в виде склейки двух прямоугольных призм по гипотенузным граням, на одной из которых нанесено спектроделительное покрытие, работающее на пропускание излучения видимого диапазона и на отражение излучения с длиной волны излучающего канала, фотоприемное устройство, оптически сопряженное со светоделителем, оптический аттенюатор (управляемая шторка), расположенный между светоделителем и фотоприемным устройством, оптический визир, включающий широкополосный канал и канал большого увеличения, устройство союстировки каналов, установленное в излучающем канале на телескопе, при этом согласно изобретению устройство союстировки излучающего и визирного каналов выполнено в виде двух оптических клиньев с возможностью поворота вокруг оси телескопа.
Однако в данном устройстве не предусмотрена возможность оперативной выверки осей приемного и визирного каналов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели, выбранным за прототип, является оптическое устройство для ночного/дневного наблюдения и прицеливания (см. патент РФ на изобретение №2187138, М. кл. G02B 23/12, F41G 1/40, опубл. 10.08.2002 г.), состоящее из головного качающегося зеркала, двух телевизионных каналов, имеющих общий головной объектив, один из каналов - ночной содержит оптический фильтр, электронно-оптический преобразователь и сопряженную с ним первую ПЗС-матрицу, другой - дневной канал содержит оптическую оборачивающую систему, при этом согласно изобретению в устройстве имеется дополнительное зеркало, расположенное на оптической оси головного объектива и составляющее совместно с головным качающимся зеркалом, расположенным на оси, перпендикулярной оси головного объектива, зеркальную головку, выполненную с возможностью поворота вокруг оптической оси головного объектива, в качестве которого использован объектив с вынесенным входным зрачком, размещенным на поверхности дополнительного зеркала, согласно изобретению в него введен канал лазерного дальномера, включающий передающий тракт, содержащий лазерный излучатель, оптически связанный с зеркальной головкой, и приемный тракт, содержащий приемный объектив, призменный блок со спектроделительным покрытием, согласующий объектив и фотоприемник, при этом призменный блок со спектроделительным покрытием расположен на оси головного объектива, который выполняет роль приемного объектива, в ночной канал введено переключающее поворотное зеркало, расположенное за призменным блоком со спектроделительным покрытием, дневной канал дополнен сменной оборачивающей системой, причем каждая оборачивающая система выполнена в виде объектива с вынесенным входным зрачком, кроме того, в дневной канал введена апертурная диафрагма, расположенная перед оборачивающей системой и являющаяся единой для обоих сменных объективов, а в плоскости изображения дневного канала расположена вторая ПЗС-матрица.
В данном устройстве не предусмотрены возможность работы ночного канала, в случае необходимости, и в дневных условиях, а также механизм взаимной юстировки каналов, затруднена работа устройства при больших апертурах лазерного луча, поскольку для осуществления оптимального режима работы в этих случаях требуется увеличение габаритов качающегося з зеркала, кроме этого, отсутствие телескопа на выходе лазерного излучателя, расширяющего лазерный луч, а, следовательно, улучшающего расходимость лазерного излучения, существенно уменьшает дальность действия дальномера.
Техническим результатом полезной модели является расширение его функциональных возможностей путем обеспечения работы ночного канала и в дневное время, повышение дальности обнаружения и точности автосопровождения при больших апертурах световых пучков при возможных разъюстировках оптических каналов в процессе его длительной эксплуатации в условиях повышенных климатических и механических воздействий.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом оптическом устройстве для ночного/дневного наблюдения и прицеливания, содержащем два телевизионных канала, один из которых дневной, а другой - ночной, при этом дневной канал содержит объектив и ПЗС-матрицу, а ночной содержит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), телевизионные каналы имеют общую головную оптическую систему, общую зеркальную головку, состоящую из неподвижного зеркала, расположенного на оптической оси головной оптической системы, и качающегося зеркала, расположенного на оси, перпендикулярной оси головной оптической системы, и систему переключения телевизионных каналов, канал лазерного дальномера, включающий передающий тракт, содержащий лазерный излучатель, оптически связанный с зеркальной головкой, и приемный тракт, содержащий фотоприемник (ФП) с фокусирующей системой, оптически сопряженный с призменным блоком со спектроделительным покрытием, отличающемся тем, что ночной телевизионный канал выполнен с возможностью работы и в дневное время - дневно-ночным, и в него введены объектив и цифровая передающая камера с расширенным динамическим диапазоном с усилителем яркости, ПЗС матрица которой сочленена с ЭОП, общая головная оптическая система выполнена в виде зеркально-линзовового телескопа, система переключения телевизионных каналов представляет собой пентапризму с крышей, установленную за призменным блоком и выполненную с возможностью поворота на угол ±90° относительно оси зеркально-линзового телескопа, перед которым установлен с возможностью ввода в зону входного зрачка световозвращатель для возврата части лазерного излучения в зеркально-линзовый телескоп, а в нерабочей («мертвой») зоне зеркально-линзового телескопа установлен оптический элемент, полностью отражающий лазерное излучение и направляющий его вдоль оси зеркально-линзового телескопа, призменный блок выполнен со спектроделительным покрытием на гипотенузной грани одной из двух образующих его прямоугольных призм и с зеркальным покрытием на противоположной от фотоприемника грани одной из его призм, в передающий тракт канала лазерного дальномера введен телескоп, оптически сопряженный с осью лазерного излучателя, с установленной на его выходе парой оптических клиньев, выполненных с возможностью взаимного поворота, а фотоприемник приемного тракта канала лазерного дальномера снабжен устройством подсветки его приемной площадки.
При этом предлагаемое устройство может быть снабжено исполнительными механизмами для поворота пентапризмы, световозвращателя, взаимного поворота оптических клиньев.
Оптический элемент, установленный в нерабочей («мертвой») зоне зеркально-линзового телескопа, может быть выполнен в виде цилиндра со скошенной под углом 45° гранью, на которую нанесено оптическое покрытие, полностью отражающее лазерное излучение и направляющее его вдоль оси зеркально-линзового телескопа.
Кроме того, приемный тракт канала лазерного дальномера может быть снабжен шторкой, вводимой в поле зрения фотоприемника с помощью исполнительного механизма.
Телескоп передающего тракта канала лазерного дальномера может быть снабжен поворотной призмой, если ось лазерного излучения неперпендикулярна оптической оси зеркально-линзового телескопа.
Достижение указанного выше технического результата введенными отличительными признаками можно пояснить следующим образом.
Использование зеркально-линзового телескопа, в нерабочей зоне которого соосно установлен оптический элемент (например, цилиндр, на скошенную под углом 45° грань которого нанесено оптическое покрытие, полностью отражающее лазерное излучение и направляющее его на неподвижное и головное качающее зеркала зеркальной головки, позволило минимизировать размеры зеркал.
Наличие механизма союстировки оси лазерного излучения с оптическими осями телевизионных каналов, состоящего из пары оптических клиньев с возможностью их взаимного разворота и световозвращателя, установленного перед общей головной оптической системой с возможностью введения его в зону входного зрачка, а также устройства подсветки приемной площадки фотоприемника, изображение которой посредством согласующего объектива, призменного блока со спектроделительным покрытием на одной из гипотенузных граней, и с дополнительно нанесенным на противоположную от фотоприемника грань зеркальным покрытием передается в один из телевизионных каналов, позволяет оперативно согласовывать оптические оси приемного, лазерного и телевизионных каналов оптического устройства для ночного/дневного наблюдения и прицеливания в случае их возможного рассогласования при воздействии механических и температурных нагрузок.
Выполнение элемента переключения телевизионных каналов в виде пентапризмы с крышей исключает рассогласование (не более 10 угл.сек) визирных осей телевизионных каналов при их переключениях.
Выполнение ночного канала дневно-ночным, т.е. с возможностью работы и в дневное время, расширяет функциональные возможности заявляемого устройства по сравнению с прототипом.
Предлагаемое устройство наблюдения и прицеливания поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема устройства (два проекционных вида: а) - вид спереди, б) - вид сбоку, в) - разрез А-А вида сбоку), на фиг.2 показано устройство формирования световой марки для осуществления взаимной выверки осей приемного и телевизионных каналов, на фиг.3 приведен вид поля зрения устройства в момент выверки оптических каналов.
Оптическое устройство содержит два телевизионных канала, один из них дневно-ночной, а другой - дневной, а также передающий и приемный тракты лазерного дальномера. Все каналы имеют один общий вход через зеркальную головку 1, состоящую из головного качающегося зеркала 2 и неподвижного зеркала 3, кроме того, устройство содержит световозвращатель 4, оптический элемент 5, закрепленный в «мертвой» (нерабочей) зоне зеркально - линзового телескопа 6, призменный блок 7, поворотную переключающую пентапризму 8, объектив 9, цифровую передающую камеру 10 с электронно-оптическим усилителем яркости, объектив 11, ПЗС матрицу 12, лазерный излучатель 13 с телескопом 14 и установленной на нем парой оптических клиньев 15 и поворотной призмой 16, объектив 17, фотоприемник 19, защитное стекло 20, исполнительные механизмы 21.
Дневно-ночной канал образуют зеркальная головка 1, зеркально-линзовый телескоп 6, призменный блок 7 со спектроделительным покрытием, нанесенным на гипотенузную грань одной из образующих его прямоугольных призм, поворотная переключающая пентапризма 8, объектив 9, цифровая передающая камера 10 с электронно-оптическим усилителем яркости.
Дневной канал образуют зеркальная головка 1, зеркально-линзовый телескоп 6, призменный блок 7 со спектроделительным покрытием на одной из образующих его прямоугольных призм, поворотная переключающая пентапризма 8, объектив 11 и ПЗС матрица 12.
Канал лазерного дальномера содержит передающий и приемный тракты. Передающий тракт образован лазерным излучателем 13, телескопом 14, с установленной на нем парой оптических клиньев 15 с исполнительным механизмом 21, поворотной призмой 16 (если ось лазерного излучения неперпендикулярна оптической оси зеркально-линзового телескопа 6), оптическим элементом 5, направляющим лазерное излучение вдоль оси зеркально - линзового телескопа 6, зеркальной головкой 1.
Приемный тракт образован зеркальной головкой 1, зеркально-линзовым телескопом 6, призменным блоком 7 со спектроделительным покрытием, объективом 17 и фото приемником 19, шторкой 18 для защиты фотоприемника от внешних засветок и от собственного излучения в режиме выверки.
Для согласования (союстировки) передающего тракта канала лазерного дальномера с дневным и дневно-ночным телевизионными каналами перед зеркально-линзовым телескопом 6 установлен с возможностью ввода в зону входного зрачка световозвращатель 4 для возврата части лазерного излучения в зеркально-линзовый телескоп 6.
В нерабочей («мертвой») зоне зеркально-линзового телескопа 6 закреплен оптический элемент 5, полностью отражающий лазерное излучение и направляющий его вдоль оси зеркально-линзового телескопа 6. Размеры нерабочей зоны зеркально-линзового телескопа 6 допускают увеличение светового диаметра расширенного с помощью телескопа 14 лазерного пучка до 20-25 мм, что, в конечном счете, позволяет увеличивать дальность действия дальномерного канала за счет улучшенной по сравнению с прототипом расходимости излучения.
Призменный блок 7 служит для разделения лучей, прошедших зеркально-линзовый объектив 6, на пучки, направляемые на фотоприемник и телевизионные каналы.
Призменный блок 7 состоит из двух склеенных прямоугольных призм с нанесенным на гипотенузную грань одной из них спектроделительного покрытия, максимально отражающего лазерное излучение и полностью пропускающего излучение в диапазоне 400-800 нм. На противоположную от фотоприемника грань (А) призменного блока 7, (см. фиг.2) нанесено зеркальное покрытие, отражающее излучение светодиода 19.1, установленного внутри фотоприемника 19, на любой из телевизионных каналов в зависимости от положения входной грани пентапризмы 7.
Пентапризма 8 при указанной на фиг.1 б) ориентации входной грани направляет параллельный пучок лучей, сформированный зеркально-линзовым телескопом 6, на объектив 11, который формирует изображение наблюдаемых объектов в плоскости ПЗС матрицы 12 дневного канала, а при повороте пентапризмы 7 на угол 90° относительно оси вращения, перпендикулярной плоскости рисунка, направляет его на цифровую передающую камеру 10 с усилителем яркости.
Работа устройства происходит следующим образом.
Расходящийся пучок излучения лазерного излучателя 13 с помощью телескопа 14 расширяется и коллимируется в высоконаправленный луч и направляется призмой 16 на оптический элемент 5, установленный в мертвой зоне зеркально-линзового телескопа 6, и далее через зеркальную головку 1 - на наблюдаемый объект. Если конструктивно лазерный излучатель расположен так, что его ось излучения неперпендикулярна к оси зеркально-линзового телескопа 6, то в устройство вводится призма 16.
Отраженный от наблюдаемого объекта лазерный луч проходит зеркальную головку 1, зеркально-линзовый телескоп 6, отражается спектроделительным покрытием, нанесенным на гипотенузную грань одной из призм призменного блока 7 и фокусируется согласующим объективом 17 на чувствительной площадке 19.2 фотоприемника (ФП) 19 (см. фиг.2).
В случае возможного рассогласования оптических осей приемного, передающего трактов и телевизионных каналов в условиях воздействия пониженной и повышенной температур и механических воздействий в предлагаемом устройстве предусмотрена их взаимная выверка перед началом работы в следующем порядке:
При подаче команды (например, «выверка ФП») светодиод 19.1 (см. фиг..2), смонтированный внутри фотоприемника 19, подсвечивает его чувствительную площадку 19.2, излучение подсветки, отразившись от площадки 19.2, проходя защитное стекло 19.3, собирается объективом 17 и отразившись от зеркального покрытия, нанесенного на противоположную от ФП грань (А) призменного блока 7, и частично - от спектроделительного покрытия призменного блока 7, направляется на объектив 9 или 11 (в зависимости от положения пентапризмы 8). Сфокусированное объективом 9 (или 11) изображение чувствительной площадки 19.2 фотоприемника 19 рассматривается оператором на мониторе (на фиг.1 не показан) с последующим контролем смещения его центра относительно прицельной марки (перекрестия). Если ось приемного тракта не параллельна одной из визирных осей дневного или дневно-ночного каналов (ТВ каналов), изображение центра площадки 22 не будет совпадать с центром прицельной марки 23, тогда прицельную марку 23 совмещают с центром изображения 22 чувствительной площадки ФП 19.
После проведения согласования осей приемного тракта и ТВ каналов проводится согласование оси излучения передающего тракта следующим образом:
При подаче команды (например, «выверка ПК») в зону входного зрачка зеркально-линзового телескопа 6 и в пучок лазерного излучения с помощью исполнительного механизма 21 вводится световозвращатель 4, выполненный в виде прямоугольной призмы с крышей (БкР-180). Производится излучение лазерного излучателя 13, синхронизированное с началом кадровой развертки дневного или дневно-ночного каналов, часть излучения перехватывается световозвращателем 4 и направляется на зеркально-линзовый телескоп 6, далее на призменный блок 7. Для защиты фотоприемника 19 от лазерного излучения в процессе выверки применена малогабаритная шторка 18, которая защищает чувствительную площадку фотоприемника 19 от излучения. Частично прошедшее через призменный блок 7 лазерное излучение с помощью пентапризмы 8 и объективов 9 или 11 (в зависимости от положения одной из входных граней пентапризмы) попадает на приемную матрицу цифровой передающей камеры 10 дневно-ночного канала или ПЗС матрицу 12 дневного каналов и наблюдается оператором на мониторе (на фигурах не показан). Если центр пятна 24 (на фиг.3 показан пунктиром) смещен относительно прицельной марки, взаимным разворотом пары оптических клиньев 15 с помощью исполнительного механизма 21 добиваются его совпадения с центром прицельной марки 23.
В соответствии с предложенным решением была разработана оптическая схема предлагаемого устройства наблюдения с угловым полем зрения дневного канала 0,7°×0,9; дневно-ночного канала - 2,5°; приемного тракта - 5 угл.мин, расходимость лазерного излучения по уровню 0,86 не превышала 60 угл.сек, дальность действия лазерного дальномера не менее 20000 м при метеорологической дальности видимости (МДВ) не менее 25 км.
Встроенная выверка оптических осей позволяет делать взаимное согласование премного и передающего трактов и телевизионных каналов с точностью не хуже 15 угл.сек при возможном их взаимном рассогласовании до 10 угл.мин.
Пример конкретного исполнения элементов предлагаемого устройства:
5
-4
В качестве дневно-ночного канала, позволяющего проводить наблюдения в широком диапазоне освещенностей от 10 лк (солнечный день) до 10 (ночь), применена цифровая передающая камера с усилителем яркости второго поколения, сопряженным с ПЗС матрицей (см. Техническое описание, версия 2.01 «Цифровая передающая камера с усилителем яркости S4X-1450» ОАО НПО «Силар» г.С-Петербург),
В качестве дневного канала - ТВ камера с матрицей 1/3” типа Sony Super HAD CCD.
В качестве фотоприемника был выбран pin-ФД на основе гетероструктур InGaAs/Inp с размером чувствительной площадки 0,2 мм с установленным внутри перед защитным стеклом бескорпусным светодиодом.
3+
Лазерный излучатель выполнен в виде твердотельного импульсного лазера с активным элементом из кристалла калий гадолиниевого граната, активированного неодимом (KGW: ND) размером 3×50 мм, лампа накачки типа ИНП2-3/35.
Пентапризма с крышей выполнена в виде призмы БкП-90°, световозвращатель выполнен в виде прямоугольной призмы с крышей БкР-180.
Телескоп передающего тракта канала лазерного дальномера выполнен с оптическим увеличением Г=6 крат и диаметром выходного зрачка 24 мм, зеркально-линзовый телескоп выполнен с оптическим увеличением Г=4 крат и световым диаметром входного зрачка 80 мм, величина преломляющего угла при вершине оптического клина 20 угл.мин, фокусное расстояние объектива дневно-ночного канала 80 мм.
В качестве исполнительного механизма, приводящего в движение световозвращатель, оптические клинья и пентапризму, использован электродвигатель постоянного тока типа ДПР-2, в качестве исполнительного механизма, приводящего в движение шторку, использована серийная малогабаритная катушка индуктивности.