СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно, к приборам для измерения расстояний с применением лазерного луча в любое время суток, и может быть использована в системах видеонаблюдения, на наземном и водном транспорте, для противопожарной техники для измерения расстояния до очага пожара и определение его силы, а также в других областях техники.
При обнаружении цели желательно иметь ее изображение, а также точное расстояние или дистанцию между объектом и оператором.
Существуют оптические системы, которые обеспечивают либо визуальный образ (прямой или TV) либо тепловое изображение, а также определяют дистанцию между целью и оператором.
Известна двухканальная оптико-электронная система, первый оптико-электронный канал которой (канал узкого поля зрения) содержит объектив, выполненный в виде вогнутого зеркала с контр-рефлектором.
Второй оптико-электронный канал (канал широкого поля зрения) содержит линзовый объектив, установленный перед объективом первого оптико-электронного модуля, имея общую с ним оптическую ось.
Первый и второй оптико-электронные каналы имеют общую матрицу их фотоприемников (патент США №5161051, 1990 г.)
Обеспечивая получение изображения наблюдаемого объекта по двум каналам, известная оптико-электронная система:
- не позволяет осуществить одновременное наблюдение одного и того же объекта в разных спектральных диапазонах с помощью различных приемников изображения с различным масштабом изображения;
- не позволяет производить измерения дальности до цели.
Известна двухканальная оптико-электронная система, каждый из каналов которой содержит объектив и установленную в его фокальной плоскости на оптической оси матрицу фотоприемников, при этом объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием, а второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось (RU №2091834 по кл. G02B 17/08, 1995 г.).
Известная оптико-электронная система позволяет осуществлять одновременное наблюдение одного и того же объекта в разных спектральных диапазонах с помощью различных приемников с различным масштабом изображения.
Однако известная двухканальная оптико-электронная система обладает большим коэффициентом центрального экранирования. Это приводит не только к существенному уменьшению светового потока, проходящего через эту оптико-электронную систему, но и связано с существенным перераспределением энергии в плоскости фокусировки, что в конечном итоге снижает контрастность, а, следовательно, и качество изображения.
Известная двухканальная оптико-электронная система не позволяет проводить измерение дальности объекта в разных спектральных диапазонах, т.к. в ней отсутствует канал лазерного дальномера.
Известен лазерный дальномер, содержащий передающий модуль, включающий оптически связанные лазер и передающую оптическую систему, состоящую из телескопа и двух вращающихся клиньев, установленных на выходе телескопа, визирно-приемный модуль, включающий объектив, первый спектроделитель, расположенный на оптической оси объектива под углом к ней, устройство наблюдения изображения объектов с прицельной маркой, расположенной в фокальной плоскости объектива, и фотоприемное устройство, оптически сопряженное посредством первого спектроделителя с устройством наблюдения изображения объектов, коллиматор видимого света, установленный параллельно оси излучения лазера, жестко соединенный с ним и оптически связанный с передающей оптической системой посредством двух параллельных друг другу плоских зеркал, одно из которых выполнено в виде спектроделителя, и ретровозвращатель, установленный в пределах выходного зрачка передающего модуля и входного зрачка визирно-приемного модуль с возможностью вывода из хода лучей света модулей. (Евразийский патент №001581, кл. G01C 3/08, 2001 г.).
Известный лазерный дальномер обеспечивает возможность оперативного контроля параллельности осей передающего и визирного каналов.
Однако его недостатками являются:
- сложность конструкции, т.к. устройство содержит большое количество элементов, работу которых необходимо согласовывать, а это трудно обеспечить.
- невысокая точность измерения дальности до цели из-за невозможности оперативного контроля параллельности осей и выверки визирного и приемного модулей. Вероятность рассогласования визирного и приемного модулей в процессе эксплуатации дальномера довольно высока, поскольку угловое поле приемного модуля составляет обычно единицы угловых минут.
- визирный канал, предназначенный для наблюдения изображения объектов и визирования на них, не обеспечивает необходимое качество изображения в сложных погодных условиях, в частности - в сумерках, ночью, в тумане.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является система визуализации, включающая входное отверстие, предназначенное для приема излучения от объектов, и оптическую систему, состоящую из приемного канала видимого излучения, тепловизионного канала и канала лазерного дальномера, включающего источник лазерного излучения, фотоприемник и спектроделители, причем, все каналы оптически связаны друг с другом (WO 99/13355 по кл G01S 17/02, 18.03.99)
Недостатками известной системы являются:
- наличие большого количества спектроделителей, уменьшающих общий поток света, направляемый на каждый фотоприемник,
- сложность конструкции
- отсутствие специального оптического элемента, прозрачного во всем рабочем диапазоне прибора, и расположенного во входном отверстии (диафрагме), осуществляющего защиту от влияния внешней среды (атмосферы).
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создания системы визуализации, позволяющей производить измерение расстояния до объекта, а также визирование, в дневное и ночное время за счет использования тепловизора, а также упростить конструкцию.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием системы визуализации, включающей входное отверстие, предназначенное для приема излучения от объектов, и оптическую систему, состоящую из приемного канала видимого излучения, тепловизионного канала и канала лазерного дальномера, включающего источник лазерного излучения, фотоприемник и спектроделители, причем все каналы оптически связаны друг с другом, которая, согласно полезной модели, снабжена оптическим элементом, выполненным из материала, пропускающего излучение в рабочем диапазоне фотоприемников, из селенида или сульфида цинка, установленным во входном отверстии, предназначенным для герметизации системы, например, а приемный канал видимого излучения и тепловизионный канал выполнены в виде многоканальной оптико-электронной системы, включающей, по крайней мере, два канала, оптические оси которых совпадают и находятся внутри входного отверстия.
Выполнение приемного канала видимого излучения и тепловизионного канала в виде многоканальной оптико-электронной системы позволяет уменьшить габариты системы и использовать один и тот же объектив для вывода лазерного луча и приема его.
Выполнение оптического элемента из селенида или сульфида цинка обеспечивает широкий диапазон прозрачности, низкий коэффициент рассеивания, высокие механические свойства, низкую стоимость оптического элемента.
Установка приемного канала видимого излучения перед тепловизионным каналом, и совпадение их оптических осей дает возможность улучшить качество изображения, повысить дальность обнаружения и распознавания объекта.
Расположение оптической оси источника лазерного излучения на расстоянии от оптической оси многоканальной оптико-электронной системы параллельно ей, и проходящей через оптический элемент позволяет разделить высокоинтенсивное лазерное излучение, подаваемого из прибора на объект, и приемной оптико-электронной системы.
Для увеличения дальности действия дальномера и точность визирования оптический элемент выполнен с отверстием, предназначенным для выхода лазерного излучения.
Замена в системе визуализации приемного канала видимого излучения и тепловизионного канала на двуканальную оптико-электронную систему обеспечивает необходимое качество изображения в сложных погодных условиях, в частности - в сумерках, ночью, в тумане, а также обеспечивает дистанционную наводку на объект измерения.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков в аналогичных системах визуализации, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемой системы визуализации поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг.1. показана схема системы визуализации, в которой приемный канал видимого излучения и тепловизионный канал выполнены в виде многоканальной оптико-электронной системы, включающей, по крайней мере, два канала, оптические оси которых совпадают и находятся внутри (в пределах) входного отверстия, причем канал видимого излучения расположен перед тепловизионным каналом;
На фиг.2 показана система визуализации, где оптические системы приемных каналов видимого и тепловизионного излучения совмещены и находятся на одной оптической оси;
На фиг.3 показана схема системы визуализации,, в которой оптическая ось источника лазерного излучения расположена на расстоянии от оптической оси многоканальной оптико-электронной системы и параллельна ей, а выходной луч лазера также проходит через оптический элемент.
Рассмотрим вариант конструкции на фиг.1.
Система визуализации состоит из корпуса 1 с входным отверстием 2, предназначенным для приема излучения от объектов, оптического элемента 3, установленного во входном отверстии, и оптическую систему, состоящую из приемного канала видимого излучения 4, тепловизионного канала 5 и канала лазерного дальномера 6, включающего источник лазерного излучения 14, фотоприемник 7, спектроделители 8, 9, причем, все каналы оптически связаны друг с другом.
Приемный канал видимого излучения 4 и тепловизионный канал 5 выполнены в виде многоканальной оптико-электронной системы, включающей, по крайней мере, два канала, оптические оси (на черт. не показаны) которых совпадают и находятся внутри входного отверстия 2. При этом каналы работают одновременно.
Оптический элемент 3 выполнен из материала, пропускающего излучение в рабочем диапазоне фотоприемников, предназначенного для герметизации системы. Он также может быть использован для коррекции спектрального состава входящего излучения.
В зависимости от технологических возможностей в качестве материала, пропускающего излучение в рабочем диапазоне фотоприемников комплекса, может быть использовать, например, селенид или сульфид цинка, которые обеспечивают широкий диапазон прозрачности, низкий коэффициент рассеивания, высокие механические свойства, низкую стоимость оптического элемента, а также высокую стойкость к атмосферным воздействиям.
Оптический элемент 3, в зависимости от технических задач и технологических возможностей, может иметь форму окружности или ее частей, овала, прямоугольника или их комбинации.
Каждый канал многоканальной оптико-электронной системы содержит соответствующую фокусирующую систему 10 и 11 и фотоприемники 12 и 13, необходимые для приема и передачи изображения на дисплей (возможно использование устройства промежуточной обработки изображения).
В качестве фотоприемника 12 видимого (оптического) канала 4 обычно используют фотоприемную телевизионную матрицу, а в качестве фотоприемника 13 тепловизионного канала 5 используют, например, неохлаждаемую болометрическую матрицу.
В качестве источника лазерного излучения 14 может быть использован любой источник когерентного импульсного излучения в диапазоне видимого и инфракрасного света, в пределах полосы пропускания многоканальной оптико-электронной системы, например, полупроводниковый лазер, твердотельный лазер на основе YAG, активированного Nd, или газовый He-Ne лазер.
В канале лазерного дальномера могут быть установлены светоделители, выполненные в виде светоделительной пластины 8 и/или 9 и расположенные между фотоприемником канала лазерного дальномера 7 и фотоприемником 12 канала видимого излучения 4.
В случае, когда луч лазера параллелен оптической оси многоканальной оптико-электронной системы (фиг.3) используют только одну светоделительную пластину 8.
Когда луч источника лазерного излучения 14 совпадает с оптической осью многоканальной оптико-электронной системы (фиг.2), используют две светоделительные пластины 8 и 9, т.к. необходимо совместить исходящий луч источника с главной оптической осью системы визуализации.
В качестве приемника лазерного излучения канала 6 используют любой датчик излучения 7, чувствительный к спектру излучения лазера.
Если используют конструкцию по фиг.3, оптический элемент 3 выполнен с отверстием 15, предназначенным для выхода лазерного излучения. Этим достигают разделение высокоинтенсивного лазерного излучения, подаваемого из прибора на объект, и приемной оптико-электронной системы.
В зависимости от технологических задач и возможностей производства могут быть три варианта выполнения системы визуализации, принципиальные схемы которых раскрыты на фиг.1-3.
Работу предлагаемой системы визуализации осуществляют следующим образом (фиг.1, 2).
Световой поток от объекта попадает во входное отверстие 2, предназначенное для приема излучения, и расположенный в ней оптический элемент 3, затем передается на вход многоканальной оптической системы, состоящей из приемных каналов видимого 4 и тепловизионного излучения 5, и попадает на фотоприемник 12 видимого (оптического) канала 4 и фотоприемник 13 тепловизионного канала 5.
Поскольку направление видимого и теплового потоков совпадает, а оптические оси фотоприемников 12, 13 находятся на одной оптической оси, совпадающей со входным отверстием 2 системы, достигается высокое качество изображения, как теплового, так и видимого, и высокая селективность системы визуализации.
После обработки сигнала соответствующими электронными схемами, выходной сигнал подается на дисплей (на схемах не указаны).
Визирование (определение направления на объект) осуществляют по изображению объекта, сформированному по данным видимого и теплового каналов, на дисплее (на черт. не показан).
Работа лазерного дальномера осуществляют следующим образом.
Лазерный луч, источника лазерного излучения 14, направляют на объект через спектроделители 8 и/или 9, оптическую систему канала видимого излучения 4 и оптический элемент 3.
Отражение лазерного луча от объекта, попадает во входное отверстие 2, предназначенное для приема излучения, и расположенный в ней оптический элемент 3, затем передается на вход оптической системы, состоящей из приемного канала видимого излучения 4 и канала лазерного дальномера, и попадает на соответствующие фотоприемники 7 и 12.
Далее, сигналы обрабатывают вычислительным устройством, (на чертеже не показан) и полученный результат фиксируют и отображают на дисплее.
В случае выполнения оптического элемента 3 по схеме (фиг.3), выходное излучение лазера 14 направляют параллельно оптической оси многоканальной оптико-электронной системы, непосредственно на объект через отверстие 15 в оптическом элементе 3, что уменьшает общее рассеивание излучения в оптических элементах системы визуализации и снижает шумы. Поток лазерного излучения, отраженный от объекта, попадает во входное отверстие 2 и далее обрабатывается по тому же принципу, как и в ранее описанных вариантах (фиг.1-2).
Испытания, проведенные в дневное и ночное время, показали, что предлагаемая система визуализации позволяет наблюдать объекты и измерять расстояния до них в пределах до 2,5 км.