СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ И БИНОКУЛЯРНОЕ УСТРОЙСТВО
METHOD OF VIEWING OBJECTS AND BINOCULAR DEVICE

Группа изобретений относится к оптоэлектронике, а именно к электронно-оптическим приборам ночного видения и способам наблюдения объектов с применением этих приборов, которые имеют широкую сферу применения: ночное наблюдение, охота, фото- и видеосъемка, охрана объектов и патрулирование.
Наиболее близкими к заявленной группе изобретений являются принятые за прототипы известные (RU, патент №2410734, C2) технические решения: способ наблюдения объектов и бинокулярное устройство для осуществления способа.
Известный способ наблюдения объектов включает направление наблюдателем объектива или объективов наблюдательного прибора на объект, создающий оптическое излучение в видимой и/или невидимой части спектра; формирование двух оптических каналов для передачи полученного от объекта оптического излучения, преобразование оптического излучения в два потока электронов; преобразование первого потока электронов в световое излучение синего спектрального диапазона, а второго потока - в световое излучение красного спектрального диапазона; направление синего светового излучения на фоторецепторы первого глаза наблюдателя, направление красного светового излучения на фоторецепторы второго глаза наблюдателя.
Известное бинокулярное устройство для осуществления способа содержит средства собирания, фокусирования, преобразования и усиления оптического излучения объекта в видимой и/или невидимой части спектра; средства направления преобразованного излучения объекта на фоторецепторы глаз наблюдателя, причем в качестве средства преобразования и усиления оптического излучения объекта использованы электронно-оптические преобразователи, первый из которых создает изображение в диапазоне синего спектрального свечения, направляемого в первый глаз наблюдателя, а второй - в диапазоне красного спектрального свечения, направляемого во второй глаз наблюдателя.
Недостатками известного способа наблюдения объектов являются недостаточная яркость изображения объекта при естественной ночной освещенности, не позволяющая реализовать возможности повышенного контраста псевдоцветного изображения, и снижение контраста изображения объектов, имеющих максимальную спектральную плотность излучения в диапазоне 0,7-0,95 мкм, что, соответственно, является следствием недостатков используемого при осуществлении способа бинокулярного устройства.
Задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений заключается в совершенствовании способов наблюдения объектов в условиях пониженной освещенности с помощью приборов ночного видения.
Единый технический результат, достигаемый при осуществлении группы изобретений, состоит в увеличении дальности наблюдения объектов за счет улучшения технических характеристик устройства наблюдения: увеличения яркости и повышения контраста изображения объектов, излучающих в диапазоне спектра 07,-0,95 мкм.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту «устройство» достигается за счет того, что в бинокулярном устройстве, содержащем средства собирания и фокусирования в двух оптических каналах создаваемого объектом в видимой и/или невидимой части спектра оптического излучения; средства преобразования оптического излучения в два потока электронов, усиления и преобразования потоков электронов в световое излучение; средства направления светового излучения на фоторецепторы глаз наблюдателя, где в качестве средств преобразования и усиления использованы электронно-оптические преобразователи (ЭПО), первый из которых создает направляемое в первый глаз наблюдателя изображение в диапазоне синего спектрального свечения, а второй - направляемое во второй глаз наблюдателя изображение в диапазоне красного спектрального свечения, величина спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм первого ЭОП составляет не более 0,1 от величины спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм второго ЭОП, при этом первый ЭОП содержит катодолюминесцентный экран со смесью люминофоров К-71 и Р31 со средним размером зерна смеси не более 3,0 мкм, а второй ЭПО содержит катодолюминесцентный экран с люминофором P45REDENP со средним размером зерна не более 4,8 мкм.
Σ
При исследовании взятого за прототип бинокулярного устройства было установлено, что величина суммарной предельной разрешающей способности (N) при оптимальной настройке прибора ограничена предельными разрешающими способностями используемых в устройстве электронно-оптических преобразователей и может быть найдена по известному соотношению:
Σ
1
2
2
2
2
1/N =1/N +1/N ,
∑
где N - суммарная предельная разрешающая способность прибора,
1
N - предельная разрешающая способность первого ЭОП (ЭОП 1),
2
N - предельная разрешающая способность второго ЭОП (ЭОП 2).
Качество электронно-оптических преобразователей (ЭОП) характеризует обобщенный критерий качества - N×c/ш, где N - это разрешающая способность ЭОП, с/ш - величина отношения сигнал/шум.
«ЭОП 2+» поколения фирмы "Fotonis" класса XR-5 за счет отсутствия ионно-барьерной пленки по своим характеристикам не уступает «ЭОП 3-го поколения» производства США. Для них типичное значение обобщенного критерия качества составляет 2072 (74×28).
Были проведены сравнительные полевые испытания бинокулярного устройства с «ЭОП 2+», имеющего предельное разрешение - 50 штр/мм и с/ш - 18, с бинокулярным устройством, в котором использовались ЭОП со следующими характеристиками:
- ЭОП 1 с катодолюминесцентным экраном с люминофором КДЦ - 450 (синий) со средним размером зерна - 5,6 мкм,
- ЭОП 2 с катодолюминесцентным экраном с люминофором К-77-2 (красный) со средним размером зерна 5,6 мкм.
Предельная разрешающая способность преобразователей составляла:
- ЭОП 1 - 40 штр/мм, сигнал/шум 18;
- ЭОП 2 - - 48 штр/мм, сигнал/шум 20.
Исследуемые бинокулярные устройства имели одинаковые параметры объективов и окуляров.
-3
Выигрыш по дальности бинокулярного устройства с ЭПО 1 и ЭПО 2 составил (по ростовой фигуре человека) - 1,4÷1,5 раза при величине естественной ночной освещенности (ЕНО)≈5×10 ЛК. С учетом изменения дальности, это соответствует увеличению контраста за счет окрашивания в условные цвета ≈2,5 раза, что эквивалентно условному увеличению эффективного значения отношения сигнал/шум ЭОП примерно в 2,0 раза.
Таким образом, эффективное значение обобщенного критерия качества составило:
- для ЭОП 1: ~1440 (40×18×2,0),
- для ЭОП 2: ~1920 (48×20×2,0).
Для обеспечения конкурентных преимуществ используемых преобразователей по сравнению с «ЭОП 2+» фирмы "Fotonis" и с учетом влияния разрешения на величину отношения с/ш необходимо в первую очередь увеличить величину разрешающей способности ЭОП 1 до типичного значения ~60 (40×2072/1440) штр/мм, а ЭОП 2 ~55 (48×2072/1920) штр/мм. В этом случае средний размер зерна люминофора должен быть для ЭОП 1 не более 3,7 (5,6×40/50) мкм, для ЭОП 2 - не более 4,8 (5,6×48/55) мкм. Однако, если иметь в виду, что разрешающая способность ЭОП 1 при смещении максимума спектральной чувствительности фотокатода в коротковолновую область спектра либо при использовании фильтра, выделяющего коротковолновую область спектра, снижается ~ в 1,2 раза, то размер зерна для ЭОП 1 должен быть не более ~3 (3,7/1,2) мкм.
Кроме того, испытаниями в полевых условиях было установлено, что при использовании синего люминофора КДЦ-450 и красного люминофора К-77-2 коэффициент преобразования ЭОП 1 и ЭОП 2 не превышает 10000 для получения максимальных значений отношения с/ш. Яркости изображения минимум в 3-4 раза недостаточно для получения псевдоцветного изображения. Поэтому, исходя из требований по размеру зерен и необходимости обеспечения коэффициента преобразования ЭОП 1 и ЭОП 2 не менее 30000, экспериментальным путем были подобраны люминофоры и изготовлены экспериментальные образцы «ЭОП 2+поколения» со следующими характеристиками (см. таблицу):
Тип люминофора
Средний размер зерна
Цвет
Координаты цветности
Номер ЭОП
Разрешающая способность
X
Y
Смесь К-71 и Р31
2,3 мкм
голубой
0.18
0.200
21197
60,1 штр/мм
P45REDDENР
3,5 мкм
розовый
0.205
0.267
21034
60,1 штр/мм
20887
60,1 штр/мм
Полученные расчетные и экспериментальные данные достаточно хорошо согласуются.
Коэффициент преобразования ЭОП 1 и ЭОП 2 при использовании люминофоров согласно таблице обеспечивается на уровне не менее 30000 при получении максимальных значений величин отношения с/ш ~22 (минимум). В этом случае обеспечивается обобщенный критерий качества бинокулярного устройства с эквивалентной величиной ~2640 (60×2,0×22), что превосходит уровень качества ЭОП фирмы "Fotonis" и обеспечивает превосходство по дальности действия бинокулярного устройства в ~1,20 (2640/2072) раза минимум (если бы использовались в бинокулярном устройстве ЭОП типа XR-5 фирмы "Fotonis").
В результате полевых испытаний было установлено также, что объекты, окрашенные преимущественно в красные тона, имеют недостаточно низкий контраст в изображении на экране ЭОП 1. Исследования показали, что это обусловлено недостаточной степенью подавления с помощью полосового фильтра 0,3÷0,7 мкм диапазона спектра 0,7÷0,95 мкм. Оказалось, что недостаточно использовать только полосовой фильтр, возникла необходимость ЭОП 1 изготавливать с фотокатодом и с максимумом спектральной чувствительности, смещенным в коротковолновую область спектра.
1
2
За основу была взята спектральная чувствительность на длине волны 0,8 мкм (используется как базовая в системе параметров «ЭОП 2+» поколения). Учитывая, что пороговый контраст глаза при измерениях разрешающей способности равен ~0,03 мкм (черно-белое изображение), а при окрашивании изображения он снижается до 0,01 мкм и ниже, то необходимо, чтобы отношение спектральных чувствительностей для ЭОП 1 (φλ) и ЭОП 2 (φλ) было на длине волны λ=0,8 мкм:
1
2
φ(λ=0,8)/φ(λ=0,8)×τф (λ=0,8)</=0,01,
где τф - светопропускание полосового фильтра 0,4-0,70 мкм на длине волны 0,8 мкм (составляет с учетом реальных условий применения, когда на него падают лучи света под различными углами ~0,1).
Т.е. ЭОП 1 должен иметь величину спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм не более 0,1 от величины спектральной чувствительности ЭОП 2 на длине волны 0,8 мкм.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту «способ» достигается за счет того, что в способе наблюдения объектов, включающем наведение наблюдателем объективов наблюдательного прибора на объект, собирание и фокусирование в двух оптических каналах создаваемого объектом в видимой и/или невидимой части спектра оптического излучения, преобразование оптического излучения в два потока электронов; усиление и преобразование первого потока электронов в световое излучение синего спектрального диапазона, а второго потока - в световое излучение красного спектрального диапазона; направление синего светового излучения на фоторецепторы первого глаза наблюдателя, а красного светового излучения - на фоторецепторы второго глаза наблюдателя, где преобразование и усиление оптического излучения осуществляют посредством электронно-оптических преобразователей (ЭОП), величина спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм первого ЭОП составляет не более 0,1 от величины спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм второго ЭОП, при этом первый ЭОП содержит катодолюминесцентный экран со смесью люминофоров К-71 и Р31 со средним размером зерна смеси не более 3,0 мкм, а второй ЭПО содержит катодолюминесцентный экран с люминофором P45REDENP со средним размером зерна не более 4,8 мкм.
Для пояснения сущности заявленного изобретения использованы следующие графические материалы:
- фиг.1 - схема, иллюстрирующая способ наблюдения объектов в условных цветах;
- фиг.2 - оптическая схема одного из каналов бинокулярного устройства;
- фиг.3 - схема электронно-оптического преобразователя, используемого в заявленном устройстве.
Способ наблюдения объектов осуществляется в нижеуказанной последовательности (см. фиг.1).
Объектом 1 создается оптическое излучение 2 в видимой или невидимой части спектра, которое принимается (собирается) объективами 3 и 3' наведенного на объект наблюдательного прибора (бинокулярного устройства) и фокусируется на фотокатодах входных окон 4 и 4' электронно-оптических преобразователей 5 и 5' прибора, в каждом из которых оптическое излучение преобразуется в поток электронов, усиливается электронно-оптической системой ЭПО и переносится на катодолюминесцентный экран выходных окон 6 и 6' преобразователей в виде изображения (видимого светового излучения), которое при помощи окуляров 7 и 7' воспринимается соответствующим глазом наблюдателя, возбуждая на фоторецепторах глаз 8 и 8' электрический сигнал, поступающий в центральную нервную систему 9, формирующую зрительный образ наблюдаемого объекта 1.
Бинокулярное устройство для осуществления заявленного способа содержит (см. фиг.2) объектив 3 (средство собирания и фокусирования) и ЭОП (средство преобразования и усиления) 5 с фотокатодом 10 на поверхности входного окна 4 и катодолюминесцентным экраном 11 на поверхности выходного окна 6.
При помощи данного устройства оптическое изображение (оптическое излучение в видимой и/или невидимой части спектра) 2 объекта 1 собирается и фокусируется объективом 3 на фотокатоде 10 входного окна 4 ЭПО 5, при этом образуется поток электронов 12, создающий электронное изображение объекта, которое усиливается и преобразуется в видимое световое излучение на катодолюминесцентном экране 11 выходного окна 6 ЭПО. Видимое в одном из спектральных диапазонов изображение (преобразованное в световое излучение электронное изображение объекта) на катодолюминесцентном экране 11 направляется через окуляр (средство направления) 7 на фоторецепторы глаза 8 наблюдателя, возбуждая в фоторецепторах глаза 8 электрический сигнал, поступающий в центральную нервную систему, формирующую зрительный образ наблюдаемого объекта. Аналогично происходит формирование и преобразование изображения объекта в другом спектральном диапазоне - во втором оптическом канале.
На фиг.3 показана схема электронно-оптического преобразователя, предназначенного для использования в устройстве для осуществления способа наблюдения объектов.
Создаваемое объектом в видимой или невидимой части спектра оптическое излучение с помощью объективов (средства собирания и фокусирования) устройства создает на фотокатоде 10 входного окна 4 ЭПО 5 оптическое изображение объекта 1. На фотокатоде 10 ЭПО (средство преобразования и усиления) оптическое изображение объекта преобразуется в поток 12 электронов, создающих электронное изображение объекта, которое усиливается электронно-оптической системой 13 ЭПО и переносится на катодолюминесцентный экран 11 выходного окна 6 ЭПО. Энергия электронов потока преобразуется на катодолюминесцентном экране 42 в световое излучение, видимое в одном из спектральных диапазонов, соответствующего составу люминесцентного экрана 11.
Ниже приводятся характеристики конкретных ЭПО1 и ЭПО2, которые могут быть использованы в заявленном бинокулярном устройстве:
ЭПО1:
- величина спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм - 3 мА/Вт;
- катодолюминесцентный экран со смесью люминофоров К-71 и Р31 со средним размером зерна ~2,3 мкм;
- увеличение - 1,0;
- яркость - 10000 (коэффициент преобразования - π(3,14)×10000).
ЭПО2:
- величина спектральной чувствительности на длине волны 0,8 мкм - 35 мА/Вт;
- катодолюминесцентный экран с люминофором P45REDENP со средним размером зерна ~3,6 мкм;
- увеличение - 1,0;
- яркость - 10000 (коэффициент преобразования - π(3,14)×10000).