БИФОКАЛЬНЫЙ ПРИЦЕЛ С ДВУМЯ ПОЛЯМИ ЗРЕНИЯ
BIFOCAL SIGHT WITH TWO FIELDS OF VISION

Область техники
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических прицелах с целью увеличения скорости и точности прицельной стрельбы. Технический результат достигается использованием прицела с двумя каналами и двумя полями зрения и прицеливания. Один канал выполнен коллиматорным без оптического увеличения, второй - оптико-электронным с возможностью увеличения наблюдаемого поля зрения электронным способом.
Уровень техники
Осуществить точный выстрел с помощью целика и мушки чрезвычайно сложно, так как глаза не имеют собственной линии визирования. Для решения этой задачи были разработаны телескопические прицелы с объективами и окулярами. В фокальной плоскости объектива или окуляра устанавливается прицельная марка, при наведении которой на цель, производится точное наведение прицела и оружия на цель по оптической оси. При этом увеличение такого прицела равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра, и, как правило, не меняется. Дальнейший принципиальный шаг в развитии прицелов -появление прицелов переменной кратности - панкратических прицелов. Фокусное расстояние, или фокальный отрезок объектива или окуляра у этих прицелов меняется, что приводит к изменению увеличения всего прицела.
При всех достоинствах панкратических прицелов перед прицелами с постоянной кратностью выявилось и основное неудобство в их использовании. При малом увеличении прицела наблюдатель видит большую часть сцены, но в мелком формате, а при большом увеличении - более детально видит только ограниченную часть поля зрения, видимого при малом увеличении. При этом быстро перемещающаяся цель исчезает из ограниченного поля зрения прицела с увеличением. Для захвата цели прицелом при ее потере в узком поле зрения прицела с увеличением приходится осуществлять поиск ее по пространству, что не всегда бывает удачно и успешно в ограниченное время.
Исходя из этого, возникает потребность в получении возможности обозревать большое пространство в районе цели даже при малом увеличении, а центральную часть поля зрения желательно видеть одновременно с большим увеличением для более детального рассматривания и прицеливания по выбранной цели, не теряя из вида обстановку, окружающую цель.
С точки зрения оптики такой прицел должен иметь два фокусных расстояния (два увеличения) одновременно, то есть необходим бифокальный прицел. Эти прицелы обладают двумя увеличениями одновременно. Учитывая, что самое широкое поле зрения у коллиматорного прицела без увеличения, на базе именно этого прицела происходила разработка заявляемого бифокального прицела.
Излучение от источника света в коллиматорном прицеле преобразуется линзой коллиматора в параллельный пучок и через полупрозрачное зеркало или призму направляется в глаз наблюдателя вместе с изображением реальной сцены. Другой разновидностью коллиматорной схемы прицела может быть специальное полупрозрачное зеркало в форме, близкой к сферической, которое отражает излучение точечного источника света в зрачок наблюдателя. При поперечных перемещениях глаза прицельная марка с точки зрения наблюдателя также перемещается по полю зрения прицела, оставаясь на точке прицеливания вне зависимости от положения глаза наблюдателя относительно прицела. Коллиматорный прицел обеспечивает очень высокую скорость прицеливания - примерно в 2-3 раза выше, чем традиционные. При использовании коллиматорного прицела нет необходимости совмещать три точки - мушку, целик и цель. При прицеливании необходимо навести прицельную марку, сколлимированную на бесконечность, на цель. Коллиматорные прицелы имеют большие поля зрения и возможность наблюдать за сценой и вести прицельную стрельбу двумя глазами на любом удалении от прицела. Разновидностью коллиматорных прицелов являются голографические прицелы, в которых мнимое изображение прицельной марки на бесконечности формируется предварительно записанной или синтезированной голограммой этой марки.
Все коллиматорные прицелы не имеют увеличения для реализации достоинств их конструкции. Однако прицеливание на дальние дистанции выше 300 метров при отсутствии оптического увеличения становится сложным, скорость и точность стрельбы значительно уменьшается. Для прицеливания на эти дистанции используются телескопические прицелы с изменяемой кратностью увеличения или прицелы с постоянным увеличением. Увеличение в прицелах, как и в телескопических системах, формируется на основе соотношения фокального отрезка объектива к фокальному отрезку окуляра. В фокусе объектива или окуляра устанавливается прицельная марка. Прицелы, которые имеют одновременно два разных увеличения, должны иметь и два разных фокальных отрезка объектива или окуляра. Поэтому такие прицелы называют бифокальными. В зависимости от увеличения прицел имеет поле зрения. Наиболее широкое поле зрения при одних и тех же оптических параметрах (диаметр входного зрачка, апертура и т.д.) имеют прицелы без увеличения, с кратностью увеличения 1х. При увеличении поле зрения становится более узким. Поэтому бифокальные прицелы имеют еще и два разных поля зрения, которые должны быть видны одновременно.
Для устранения недостатка коллиматорных прицелов, вызванных отсутствием увеличения, разрабатываются оптические системы для одновременного выведения как изображения без увеличения с широким полем зрения, так и с увеличением и узким полем зрения. По патенту RU 2484508 оптический бифокальный прицел имеет поле зрения, наблюдаемое через окуляр, разделенное на два сегмента. Благодаря специальной конструкции прицела в одном сегменте выводится изображение без увеличения с широким обзором, а во втором сегменте - увеличенная центральная часть поля зрения. В сегменте без увеличения поле зрения прицела равно 24-м градусам, а во втором сегменте с увеличением в 3,5 раза поле зрения равно 3-м градусам. Недостатком данного прицела является невозможность наблюдения цели двумя глазами; наблюдение и прицельная стрельба производится через окуляр. Это значительно уменьшает удобство использования прицела по этому патенту в сравнении с коллиматорными. Прицел по данному изобретению (коллиматорный прицел) является бифокальным, так как глаз наблюдателя видит одновременно изображение с разной кратностью увеличения.
Известен бифокальный прицел по патенту US 9,303,952 (April, 5, 2016), содержащий телескопический канал с увеличением и оптический канал без увеличения. Переключение каналов производится механическим перемещением зеркала. Недостатком этого решения также является невозможность наблюдения двумя глазами как изображения без увеличения, так и изображение с увеличением. Это также вызвано необходимостью смотреть в прицел через окуляр. Этот прицел не является бифокальным.
Известны прицелы по патентам US 7,869,125 и US 8,432,610 фирмы Raytheon Canada Limited, реализованные в прицелах марки Elcan Specter с возможностью быстрой смены увеличения поворотом рычага на прицеле. Смена увеличения производится поворотом группы линз. В одном положении прицел не имеет увеличения и имеет широкий угол обзора, при другом положении группы линз внутри оптической системы прицела, увеличение может быть 4 раза или 6 раз. Недостатком этой конструкции является также невозможность одновременного наблюдения двумя глазами изображения с увеличением и необходимость производить механические перемещения, которые могут приводить к потере из узкого поля зрения прицела в режиме увеличения цели. Прицелы по этим патентам являются прицелами со сменной кратностью увеличения, но не являются бифокальными.
Известен также прицел по патенту на полезную модель RU 150 577 -комбинированный прицел, содержащий коллиматорный канал и телескопический канал с увеличением. Оба канала оптические. Полезная модель прицела по этому патенту обладает всеми преимуществами коллиматорного прицела для наблюдения цели двумя глазами и быстрой точной стрельбы. Однако при необходимости прицельной стрельбы на дистанции свыше 300 метров эти преимущества исчезают, так как необходимо осуществлять наблюдение через окуляр телескопического прицела. Для смены положения наблюдения в коллиматорный канал двумя глазами на наблюдение одним глазом с удалением от окуляра не более 50 мм необходимо некоторое время и движение рук и тела. Во время смены положения наблюдения цель может выйти из узкого поля зрения телескопического канала и будет потеряна. Для поиска цели необходимо произвести обратное движение для наблюдения в коллиматорный канал с широким полем зрения, произвести поиск цели, предварительное наведение и перемену наблюдения для более точной стрельбы через телескопический канал. По данному патенту производится «Прицел комбинированный COD2» Унитарным предприятием «НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО». Прицел также не является бифокальным, так как невозможно одновременно наблюдать изображение с увеличением и без увеличения в коллиматорный канал.
Известен прицел по заявке на патент US 2012/0033195, содержащий коллиматорный канал с широким полем зрения без увеличения и оптико-электронную телевизионную систему с выводом изображения в смотровое окно коллиматорного прицела через систему линз и призм. Недостатком прицела по этому патенту является необходимость закрывать смотровое окно коллиматорного прицела при необходимости вести прицельную стрельбу через оптико-электронный телевизионный канал. Необходимость этого может быть вызвана, в том числе большой разностью в освещенности между проходящим светом сцены наблюдения и потоком света от излучающего микродисплея с отражением от полупрозрачной призмы. Прицел содержит коллиматорный оптический канал прямого наблюдения без увеличения, оптико-электронный телевизионный канал, через который можно осуществлять наблюдение с любым увеличением. Поле зрения коллиматорного канала является наиболее широким и неизменным, поле зрения оптико-электронного телевизионного канала изменяется в зависимости от степени увеличения и составляет часть от поля зрения коллиматорного прицела. Наблюдение и поиск цели в прицеле по этому патенту производится как при использовании обычного коллиматорного прицела двумя глазами. При необходимости наблюдения и прицельной стрельбы с увеличением производится закрытие коллиматорного канала и отображение через систему линз и призм изображение с микродисплея телевизионного канала в окне коллиматорного канала. Изображение от микродисплея формирует прицельную марку в коллиматорном канале при его открытии створкой. Однако потребляемая мощность электронной схемы формирования изображения и микродисплея значительно больше мощности, потребляемой одним светодиодом, обычно используемом в оптических схемах коллиматорных прицелов. Это приводит к необходимости иметь большую мощность аккумуляторов в прицеле для постоянной работы всего оптико-электронного телевизионного канала, даже в том случае, когда он не используется для вывода всего изображения, а используется только для вывода изображения прицельной марки. Для прицелов и носимых приборов энергопотребление является существенным фактором. Ограниченное время работы прицела может привести к ситуации выключения прицельной марки в момент наибольшей необходимости - в момент прицеливания и стрельбы. Для оптико-электронных приборов достигнутый технический уровень работы от одного элемента аккумуляторов размера 14500 типа «АА» напряжением 1,2 В не превышает 4-х часов, в то время как длительность работы коллиматорного прицела типа «red dot» с формированием прицельной марки в виде одной точки, например, у прицелов фирмы «Aimpoint» достигает нескольких десятков тысяч часов.
Прицел по этому патенту также требует осуществлять механические движения для смены полей зрения и возможности наблюдения с увеличением через оптико-электронный телевизионный канал.
Прицел по заявке на патент US 2012/0033195 наиболее близок по конструктивному исполнению к заявляемому бифокальному прицелу, так как содержит коллиматорный канал. Однако, при конструктивной схожести прицел по заявке US 2012/0033195 имеет существенное отличие и не может быть прототипом, так как не является бифокальным прицелом с возможностью одновременного наблюдения сцены без увеличения и части сцены - с увеличением.
Из всех перечисленных патентов на наиболее близкие по конструкции прицелы прототипом является прицел по патенту RU 2484508. Он единственный является бифокальным прицелом и отвечает совокупности признаков заявляемого прицела. Однако, как показано выше, прототип имеет существенные недостатки, которые устранены в заявляемом прицеле, а именно: невозможность наблюдать сцену двумя глазами и невозможность наблюдать оба поля зрения (с увеличением и без увеличения) двумя глазами. Прототип выполнен по оригинальной, но классической телескопической схеме, содержащей объектив и окуляр, и соответственно имеет все минусы применения окуляра в сравнении с коллиматорной схемой. При наличии окуляра в оптической системе глаз наблюдателя должен занимать определенное положение по отношению к окуляру, на определенном удалении и отклоняться от оптической оси не более рассчитанного для окуляра угла. Кроме этого, необходима диоптрийная подстройка под особенности глаза наблюдателя с учетом возможных дефектов зрения, близорукости или дальнозоркости. Всех этих недостатков лишена коллиматорная схема, которая не имеет окуляров. Но изображение с увеличением во всех конструкциях предшествующего технического уровня получали с использованием окуляра, что исключало наблюдение сцены двумя глазами.
Раскрытие изобретения
Устранение недостатков бифокального прицела взятого в качестве прототипа достигается введением в прицел не только коллиматорного канала, но и оптико-электронного канала для получения увеличенного изображения наблюдаемой в коллиматорный канал сцены. Вывод изображения осуществляется непосредственно на дисплей, смонтированный на корпусе прицела в непосредственной близости от окна коллиматорного канала без использования окуляров. Для возможности одновременного наблюдения изображения в окне коллиматорного канала и на дисплее, последний должен иметь угол обзора не менее 10-ти градусов.
Устройство по настоящему изобретению содержит в одном корпусе оптический коллиматорный канал с собственной системой формирования прицельной марки и оптико-электронный канал с выводом изображения на дисплей с широким углом обзора. Применение дисплея без окуляра и оптических элементов позволяет полностью реализовать преимущества коллиматорного оптического прицела для быстрой стрельбы и не требует для наблюдения на дисплее сцены с увеличением осуществлять механические переключения или какие-либо управляющие действия руками. Благодаря тому, что дисплей смонтирован непосредственно на корпусе прицела в глаз наблюдателя попадает создаваемое им изображение некоторой части широкого поля зрения коллиматорного канала в зависимости от кратности увеличения. Оптическое увеличение оптико-электронного канала может быть заранее заложено в конструкцию выбором объектива оптико-электронного канала и в последующем не может быть изменено, если объектив оптико-электронного канала имеет фиксированное фокальное расстояние. Кратность увеличения всего оптико-электронного канала может широко изменяться применением электронного увеличения наблюдаемой сцены. Заявителю неизвестна конструкция бифокального прицела, содержащего в одном корпусе коллиматорный канал без оптического увеличения и оптико-электронный канал, производящий увеличение части наблюдаемой в коллиматорный канал сцены, с возможностью наблюдения одновременно двумя глазами изображения без увеличения и изображения с увеличением. Конструкция бифокального прицела представлена на чертеже: коллиматорный канал (А) содержит устройство формирования оптической прицельной марки (5) на основе светодиода, зеркало для направления изображения марки в глаз наблюдателя (6). Оптико-электронный канал с увеличением (Б) содержит объектив (1), фотоприемное устройство (2), блок обработки изображения и формирования электронной прицельной марки (3), дисплей с углом обзора не менее 10-ти градусов для наблюдения увеличенного изображения (4).
Порядок применения и использования бифокального прицела
Работа с бифокальным прицелом производится следующим образом. Перед использованием необходимо провести пристрелку и выверку коллиматорного оптического канала. Приведение к «нормальному бою» осуществляется в соответствии со стандартной процедурой и по широко известным методикам. По положению прицельного знака коллиматорного канала выставляется положение электронной марки оптико-электронного телевизионного канала, добиваясь максимального пространственного совпадения их проекций на цель. Наблюдение осуществляется двумя глазами в окно оптического коллиматорного канала, при этом в окне оптико-электронного канала отображается увеличенная часть широкого поля зрения коллиматорного канала. Расположение рядом окон коллиматорного и дисплея оптико-электронного канала позволяет максимально быстро и эффективно ориентироваться в наблюдаемой сцене без потери цели. Периферийное зрение наблюдателя воспринимает изображение на дисплее оптико-электронного канала при наблюдении в коллиматорный канал. При необходимости произвести более точное прицеливание наблюдатель переводит взгляд на дисплей оптико-электронного телевизионного канала, производит корректировку положения оружия в соответствии с положением электронной прицельной марки и производит прицельную стрельбу. Использование для формирования прицельной марки коллиматорного канала собственного светодиода и возможность отключения оптико-электронного канала позволяет значительно увеличить время работы всего прицела. При применении в конструкции прицела независимого питания каждого канала от собственного аккумулятора можно увеличить надежность прицела в целом. При отключении питания оптико-электронного канала останется работоспособным оптический коллиматорный канал без возможности наблюдения сцены с увеличением. Вместе с надежностью бифокального прицела увеличивается защищенность наблюдателя и исключается возможность остаться без прицела в ответственный момент.
Промышленная применимость
На предприятии-заявителе был изготовлен бифокальный прицел, содержащий корпус, прицельную марку с подсветкой светодиодом, специальное асферическое полупрозрачное зеркало, совмещающее изображение цели, и спроецированное на бесконечность изображение прицельной марки. На стороне, обращенной к наблюдаемой сцене, была установлена миниатюрная видеокамера Sony Super-HAD. В корпусе бифокального прицела расположен также электронный блок обработки изображения и формирования электронной прицельной марки оптико-электронного канала. В том же корпусе - на стороне, обращенной к наблюдателю, был установлен OLED дисплей Samsung размером 24 мм по диагонали. Коллиматорный канал ручками выверки положения прицельной марки был приведен к «нормальному бою», при котором средняя точка прицеливания совпадала с центром мишени. Одновременно наблюдая в окно коллиматорного канала и дисплей оптико-электронного канала, настройками добились совпадения положения электронной прицельной марки с положением прицельной марки коллиматорного канала. При наблюдении в окно коллиматорного канала периферическим зрением можно было видеть дисплей, благодаря широкому углу обзора выбранного дисплея. Для перехода к изображению с увеличением необходимо только перевести взгляд на дисплей, находящийся непосредственно на корпусе. Перевод взгляда занимает тысячные доли секунды и происходит без потери изображения цели в оптическом коллиматорном канале. Тестовые стрельбы по методике, учитывающей скорость и точность стрельбы, показали увеличение результативности стрельбы от 10 до 15% на дистанциях до 200 метров, и от 20 до 26% - на дистанциях до 400 метров. При этом на дисплее отображалась малая часть поля зрения коллиматорного канала с увеличением в 4 раза.