Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения с зеркально-линзовым объективом

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к приборам ночного видения (ПНВ).
Известен принятый за аналог активно-импульсный прибор ночного видения (АИ ПНВ) - активно-импульсный (АИ) ночной бинокль (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера, 2019, в двух книгах, книга 2, с. 48, рис. 1.3.2, АИ ночной бинокль «Импульс-1»). АИ ПНВ содержит импульсный лазерный осветитель (ИЛО), блок наблюдения и блок стробирования. ИЛО состоит из блока накачки, подключенному к импульсному лазерному полупроводниковому излучателю (ИЛПИ), на излучающую поверхность которого сфокусирован объектив формирования излучения (ОФИ). Блок наблюдения состоит из последовательно установленных на оптической оси линзового объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с микроканальной пластиной (МКП) и окулярной системы. Блок стробирования содержит последовательно соединенные задающий генератор импульсов (ЗГИ), блок регулируемой задержки (БРЗ) и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ), выход которого подключен к МКП. Первый выход ЗГИ подключен к блоку накачки, а второй его выход - ко входу БРЗ. Недостатками устройства являются сравнительно низкое качество изображения, обусловленное применением линзового ночного объектива, невозможность электронной обработки изображения в реальном масштабе времени, невозможность дублирования изображения и дистанционной его передачи, невозможность поиска и обнаружения объекта наблюдения при работе устройства в АИ режиме, быстрая утомляемость оператора из-за необходимости наблюдения через окулярную систему, отсутствие ввода цифрового значения дальности в окулярную систему.
Известен принятый за прототип АИ ТВ ПНВ (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: Техносфера, 2019, в двух книгах, книга 1, с. 52, рис. 1.3.11, АИ ТВ ПНВ «Беркут»). АИ ТВ ПНВ содержит ИЛО, блок наблюдения и блок стробирования. ИЛО состоит из блока накачки, подключенному к ИЛПИ, на излучающую поверхность которого сфокусирован ОФИ. Блок наблюдения состоит из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, ЭОП с МКП, оптики переноса, содержащей первый и второй линзовые компоненты, и ТВ камеру, подключенную к ТВ монитору. При этом первый линзовый компонент оптики переноса сфокусирован на экран ЭОП, а второй ее линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС ТВ камеры. Блок стробирования содержит последовательно соединенные задающий генератор импульсов (ЗГИ), блок регулируемой задержки (БРЗ) и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ), выход которого подключен к МКП. Первый выход ЗГИ подключен к блоку накачки, а второй его выход - ко входу БРЗ. Благодаря использованию в блоке наблюдения зеркально-линзового объектива данное устройство по сравнению с устройством-аналогом имеет более высокое качество изображения. За счет применения ТВ канала создается возможность электронной обработки изображения в реальном масштабе времени, возможность дублирования изображения и дистанционной его передачи, снижение утомляемости оператора за счет наблюдения изображения с экрана ТВ монитора вместо наблюдения изображения через окулярную систему. Однако устройство-прототип по-прежнему не обеспечивает поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе устройства в АИ режиме. Кроме того, устройство-прототип не допускает ввод цифрового значения дальности до объекта наблюдения в ТВ канал с последующим его видением с экрана ТВ монитора.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение поиска и обнаружения объекта наблюдения при работе устройства в АИ режиме с возможностью ввода цифрового значения дальности до объекта наблюдения в ТВ канал с последующим видением с экрана ТВ монитора.
Указанная задача решается благодаря тому, что активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения, в состав которого входит импульсный лазерный осветитель, блок наблюдения и блок стробирования, причем импульсный лазерный осветитель содержит блок накачки, импульсный лазерный полупроводниковый излучатель и объектив формирования излучения, сфокусированный на излучающую поверхность импульсного лазерного полупроводникового излучателя, к которому подключен выход блока накачки, блок наблюдения состоит из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива, узкополосного фильтра с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину, электронно-оптический преобразователь с микроканальной пластиной, оптики переноса, содержащей первый и второй линзовые компоненты, телевизионной камеры, подключенной к телевизионному монитору, причем первый линзовый компонент сфокусирован на экран электронно-оптического преобразователя, а второй линзовый компонент сфокусирован на матрицу ПЗС телевизионной камеры, зеркально-линзовый объектив состоит из последовательно установленных на оптической оси линзы-зеркала, на вторую по ходу луча плоскую оптическую поверхность которой нанесено концентрическое кольцевое зеркально отражающее покрытие, зеркала Манжена, линзового компенсатора полевых аберраций, оптически сопряженного с фотокатодом электронно-оптического преобразователя, при этом зеркало Манжена оптически сопряжено с линзовым компенсатором полевых аберраций через концентрическое кольцевое зеркально отражающее покрытие плоской оптической поверхности, блок стробирования содержит последовательно соединенные задающий генератор импульсов, блок регулируемой задержки и формирователь стробирующих импульсов, выход которого подключен к микроканальной пластине, причем первый выход задающего генератора импульсов подключен ко входу блока накачки, а второй выход подключен ко входу блока регулируемой задержки, отличающийся тем, что импульсный лазерный полупроводниковый излучатель оптически сопряжен через дополнительно введенное дихроичное плоское зеркало с объективом формирования излучения, выполненного в виде центральной части линзы-зеркала, на выходе которой дополнительно установлен первый линзовый элемент, и через это же зеркало объектив формирования излучения оптически сопряжен через дополнительно введенный второй линзовый элемент с дополнительно введенным вторым импульсным лазерным полупроводниковым излучателем, вход которого подключен к выходу дополнительно введенного второго блока накачки, импульсный лазерный осветитель содержит дополнительно введенный двухпозиционный переключатель, первый неподвижный контакт которого подключен ко входу первого блока накачки, второй неподвижный контакт подключен ко входу второго блока накачки, подвижный контакт подключен к первому выходу задающего генератора импульсов, второй выход блока регулируемой задержки подключен через дополнительно введенный измеритель временных интервалов, выход которого подключен к дополнительно введенному светодиодному индикатору дальности, на который сфокусирован дополнительно введенный проекционный объектив, оптически сопряженный через дополнительно введенное светоделительное плоское зеркало, установленное между первым и вторым линзовыми компонентами, и второй линзовый компонент с матрицей ПЗС телевизионной камеры.
Данное устройство обеспечивает поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе устройства в АИ режиме по бликам зондирующего лазерного излучения, отраженного от оптических или оптико-электронных средств объекта наблюдения, а также возможность наблюдения цифрового значения дальности с экрана ТВ монитора благодаря вводу этого значения в ТВ канал при условии использования дополнительных электронных блоков и оптики.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на чертеже фиг. 1. Устройство содержит блок наблюдения 1. Он состоит из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива 2, узкополосного фильтра 3 с возможностью его замены на компенсирующую плоскопараллельную пластину 4, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 5 с микроканальной пластиной (МКП) 6, оптики переноса 7, содержащей первый 8 и второй 9 линзовые компоненты, между которыми установлено светоделительное плоское зеркало 10, телевизионной (ТВ) камеры 11, подключенной к ТВ монитору 12. Зеркально-линзовый объектив 2 состоит из последовательно установленных на оптической оси линзы-зеркала 13, на вторую по ходу луча плоскую оптическую поверхность 14 которой нанесено концентрическое кольцевое зеркально отражающее покрытие 15, зеркала Манжена 16, линзового компенсатора полевых аберраций 17, сфокусированного на фотокатод ЭОП 5. В состав устройства входит импульсный лазерный осветитель (ИЛО) 18. Он содержит первый блок накачки 19, подключенный ко входу первого импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) 20. Он оптически сопряжен через дихроичное плоское зеркало 21 с объективом формирования излучения (ОФИ 22). Он выполнен в виде центральной части линзы-зеркала 23, на выходе которой установлен первый линзовый элемент (положительный мениск) 24. ИЛО 18 содержит второй блок накачки 25, подключенный ко входу второго ИЛПИ 26. Он оптически сопряжен через второй линзовый элемент 27 и дихроичное плоское зеркало 21 с ОФИ 22. ИЛО 18 содержит также двухпозиционный переключатель 28. Его первый неподвижный контакт 29 подключен ко входу первого блока накачки 19, а второй неподвижный контакт 30 подключен ко входу второго блока накачки 25. Переключатель содержит также подвижный контакт 31. В состав устройства входит блок стробирования 32. Он содержит последовательно электрически соединенные задающий генератор импульсов (ЗГИ) 33, блок регулируемой задержки (БРЗ) 34 и формирователь стробирующих импульсов (ФСИ) 35, выход которого подключен к МКП 6. Первый выход ЗГИ 33 подключен к подвижному контакту 31 двухпозиционного переключателя 28, а второй выход ЗГИ 33 подключен ко входу БРЗ 34. Его второй выход через измеритель временных интервалов (ИВИ) 36 подключен ко светодиодному индикатору дальности (СИД) 37. На него сфокусирован проекционный объектив 38. Он оптически сопрягает СИД 37 через светоделительное зеркало 10 и второй линзовый компонент 9 с матрицей приборов с зарядовой связью (ПЗС) ТВ камеры 11.
Устройство работает следующим образом. При функционировании в пассивном режиме в блоке наблюдения 1 узкополосный фильтр 3 выведен из хода лучей, а на его место установлена компенсирующая плоскопараллельная пластина 4. Излучение звезд и Луны, определяющее уровень естественной ночной освещенности (ЕНО), отражается от объекта наблюдения, окружающего его фона и приходит в зеркально-линзовый объектив 2, проходит через линзу-зеркало 13, последовательно отражается от зеркала Манжена 16, концентрического кольцевого зеркально отражающего покрытия 15 плоской оптической поверхности 14 и приходит в линзовый компенсатор полевых аберраций 17, который создает изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 5. Он преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 6. Изображение с экрана ЭОП 5 с помощью оптики переноса 7 (ее первого 8 и второго 9 линзовых компонентов) передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 11. При этом излучение проходит через светоделительное зеркало 10. ТВ камера 11 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает в ТВ монитор 12. С его экрана оператор наблюдает изображение, осуществляя поиск и обнаружение объекта наблюдения в широком угле поля зрения блока наблюдения 1. Если при работе в пассивном режиме блока наблюдения 1 объект обнаруживается, то включается АИ режим работы устройства для распознавания объекта и измерения дальности до него.
Первый ИЛПИ 20 излучает на длине волны 0,85 мкм, второй ИЛПИ 26 излучает на длине волны 0,88 мкм. Дихроичное плоское зеркало 21 пропускает на длине волны 0,85 мкм и отражает на длине волны 0,88 мкм. Узкополосный фильтр 3 пропускает излучение на длинах волн 0,85 мкм и 0,88 мкм. Фотокатод ЭОП 5 работает в области спектра 0,4-0,9 мкм, а экран ЭОП 5 работает в области спектра 0,53-0,56 мкм. Светоделительное зеркало 10 пропускает 50% излучения в области спектра 0,53-0,56 мкм, отражает 50% излучения в той же области спектра, а также отражает излучение на длине волны 0,63 мкм, на которой работает цифровое табло СИД 37.
При работе устройства в АИ режиме в ход лучей вводится узкополосный фильтр 3, а компенсирующая плоскопараллельная пластина 4 выводится из хода лучей. Второй неподвижный контакт 30 двухпозиционного переключателя 28 замкнут на его подвижный контакт 31. С первого выхода ЗГИ 33 синхроимпульсы поступают через двухпозиционный переключатель 28 на вход второго блока накачки 25. Он преобразует синхроимпульсы в импульсы тока накачки, которые поступают во второй ИЛПИ 26. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 0,88 мкм. Импульсы излучения коллимируются с помощью второго линзового элемента 27 и первого линзового элемента 24 ОФИ 22, отражаясь при этом от дихроичного плоского зеркала 21. Линзовые элементы 27 и 24 ОФИ 22 создают узкий пучок подсвета (например, угол подсвета не более 1x0,5°). Импульсы излучения направляются на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, поступают в зеркально-линзовый объектив блока наблюдения 1. Импульсы излучения проходят через линзу-зеркало 13, последовательно отражаются от зеркала Манжена 16, концентрического кольцевого зеркально отражающего покрытия 15 плоской оптической поверхности 14 и приходят в линзовый компенсатор полевых аберраций 17, который создает импульсное изображение объекта на фотокатоде ЭОП 5. При этом узкополосный фильтр 3 служит для спектральной селекции объекта наблюдения на фоне световых помех. До прихода импульса излучения на фотокатод ЭОП 5 его МКП 6 запирается напряжением постоянного смещения, подаваемого на МКП 6 с выхода ФСИ 35. Одновременно с выдачей синхроимпульсов с первого выхода ЗГИ 33 со второго его выхода подаются синхроимпульсы с той же частотой на вход БРЗ 34. В нем осуществляется плавная регулировка задержки синхроимпульсов со второго выхода ЗГИ 33 по отношению к синхроимпульсам с первого выхода ЗГИ 33. ФСИ 35 осуществляет преобразование сигналов с выхода БРЗ 34 в импульсы напряжения. Их амплитуда равна амплитуде напряжения постоянного смещения, но противоположна ему по знаку. Благодаря этому запирающее МКП 6 напряжение постоянного смещения сбрасывается, и МКП 6 отпирается на время, равное длительности отпирающего импульса напряжения (импульса строба). При этом ЭОП 5 преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости с помощью МКП 6. Далее устройство работает так, как это было описано выше. Для того, чтобы МКП 6 ЭОП 5 открывалась в момент прихода на фотокатод ЭОП 5 импульса излучения, необходимо, чтобы создаваемая в БРЗ 34 задержка была равна времени прохождения импульсом излучения подсвета расстояния от устройства до объекта наблюдения и обратно. При этом оператор увидит изображение объекта на экране ТВ монитора 12 и распознает его. Поскольку значение задержки пропорционально дальности до объекта наблюдения, то по нему можно определить дальность до объекта. Для этого значение задержки со второго выхода БРЗ 34 передается в ИВИ 36, который преобразует сигнал задержки в интервал, заполняемый последовательностью электрических импульсов, и измеряет этот интервал, представляя его в цифровой форме. Оцифрованный сигнал с выхода ИВИ 36 передается в СИД 37, на цифровом табло которого отображается значение дальности в метрах. Это изображение с помощью проекционного объектива 38, светоделительного зеркала 10 и второго линзового компонента 9 передается на матрицу ПЗС ТВ камеры 11, соответствующий сигнал с выхода которой передается в ТВ монитор 12. В результате оператор видит на экране ТВ монитора как изображение объекта, так и считывает значение дальности до него.
Если в пассивном режиме работы устройства обнаружение объекта наблюдения невозможно, то для его поиска и обнаружения используется АИ режим работы устройства в широком угле подсвета (например, 8×6°). При этом подвижный контакт 31 двухпозиционного переключателя 28 замыкается на неподвижном контакте 29 этого переключателя. В этом случае синхроимпульсы с первого выхода ЗГИ 33 подаются на вход первого блока накачки 19. Он преобразует синхроимпульсы в импульсы тока накачки, которые поступают в первый ИЛПИ 20. Он генерирует импульсы излучения, которые проходят через дихроичное плоское зеркало 21 и коллимируются с помощью ОФИ 22. При этом создается широкий угол подсвета. Если в его пределы попадет объект наблюдения, то импульсы излучения, отраженные от его оптических или оптико-электронных средств, создают блик, который наблюдается при работе устройства в АИ режиме так, как это было описано выше. По этому блику оператор осуществляет обнаружение объекта наблюдения. После этого оператор замыкает подвижный контакт 31 двухпозиционного переключателя 28 на неподвижный контакт 30. При этом в ИЛО 18 сужается угол подсвета, и устройство работает так, как это было описано выше, создавая изображение объекта, которое распознается оператором.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, благодаря использованию дополнительных электронных блоков и оптики, обеспечивается поиск и обнаружение объекта наблюдения при работе устройства в АИ режиме по бликам зондирующего лазерного излучения, отраженного от оптических или оптико-электронных средств объекта наблюдения, а также обеспечивается возможность наблюдения цифрового значения дальности с экрана ТВ монитора за счет ввода этого значения в ТВ канал.