ОПТИЧЕСКАЯ ПАНОРАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL PANORAMIC SYSTEM

Настоящее изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может найти применение при создании бинокулярных приборов панорамного наблюдения, ориентирования, обнаружения, разведки местности и распознавания целей, топографических и астронавигационных измерений.
Известны оптические панорамические системы оптических приборов, например зенитных визиров, которые позволяют наблюдать все пространство вокруг наблюдателя при неизменном положении окуляра (см., например, В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 год, стр.334, 335, рис.IV. 19 6 [1], Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора. М.В.Савостьяновой. Изд. 3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 год, стр.36-37, рис.26 [2]). Идеологической основой их является панорамическая система Герца, включающая отражатель с компенсатором наклона в виде выпрямляющей призмы, оборачивающую систему и окулярную часть из объектива, крышеобразной призмы и окуляра. Указанная возможность панорамического наблюдения достигается тем, что верхняя, головная, часть прибора, содержащая отражатель, например, в виде прямоугольной призмы или призмы-куб с отражательной гранью, может поворачиваться на 360° вокруг вертикальной оптической оси прибора, формируя панорамный оптический сигнал. Чтобы изображение предмета на окуляре при этом все время оставалось прямым, вслед за указанной призмой до объектива зрительной трубы или между линзами оборачивающей системы в параллельном пучке лучей устанавливается трапецеидальная выпрямляющая призма Дове, которая, поворачиваясь одновременно с первым, головным, отражателем в ту же сторону, но со скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя, будет компенсировать поворот изображения, возникающий от поворота головного отражателя.
Недостатком приведенных выше систем является их монокулярность, которая ограничивает возможности этих систем с точки зрения информативности, не позволяет получить информацию о рассматриваемой местности по глубине пространства, уменьшает разрешающую способность глаза наблюдателя. Также имеет меньшую обнаружительную, распознавательную способность, вызывает ускоренную утомляемость глаз наблюдателя, а потому менее эффективна при использовании по отношению к бинокулярным системам, что может привести к дополнительным потерям информации при наблюдении. Стереоскопическая разрешающая способность в шесть раз превосходит разрешающую способность глаза (см. [1] стр.418).
Радиус стереоскопического зрения человека равен 1,35 км. Бинокулярный прибор увеличивает радиус стереоскопического зрения пропорционально произведению увеличения прибора на базовое расстояние между его входными зрачками. Повышение увеличения прибора приводит к уменьшению поля зрения прибора, а следовательно, к снижению его обнаружительной способности целей (см. [2] стр.39-41).
В зависимости от назначения прибора и решаемых им задач необходимый радиус стереоскопического зрения может достигать нескольких сотен километров, например, при наблюдении объектов на поверхности Земли с борта пилотируемой космической станции (см. книгу «Битва за звезды: космическое противостояние» А. Первушин, М., ООО «Издательство АСТ», 2004 г., стр.601. [3]. Военно-историческая библиотека), а также при визуальной разведке местности и целей в горных условиях и с высокорасположенных наблюдательных пунктов.
Известна оптическая панорамическая система, которая обеспечивает панорамное стереоскопическое бинокулярное наблюдение. Смотри Г.Р.Пекки, М.И.Филатов. Патент на изобретение RU № 2290676, С1, МКП G02B 23/02(2006/01) [4].
Данная оптическая панорамическая система (ОПС) имеет недостатки
1. ОПС не обеспечивает трехосное взаимно перпендикулярное перемещение оптической оси визирования в полусфере обзора для пространственной трехосной стабилизации оптической оси визирования во время распознавания цели, прицеливания, астронавигационных и топографических измерениях аналогично конструкции пространственного оптического шарнира для монокулярного наблюдения. Смотри, например, «Справочник конструктора оптико-механических приборов». Под общ. ред. В.А.Панова, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980 г., стр.192, рис.4.28, 4.29 [5].
2. ОПС конструктивно не обеспечивает повышение радиуса стереоскопического зрения за счет увеличения базового расстояния между входными зрачками головных телескопических систем, что ограничивает области применения.
Известна оптическая панорамическая система, которая обеспечивает трехосное управление оптической осью визирования в любой точке полусферы обзора и обеспечивает повышение радиуса стереоскопического зрения и глубины анализируемого пространства. Смотри Г.Р.Пеки. Патент на изобретение RU №2348956 от 10.03.2009 года. МПК G02B 23/02, F41G 1/40 (2006/01) - Прототип [6].
Однако все бинокулярные оптические стереоскопические системы имеют существенный недостаток - недостаточную точность оценки дистанции до цели по глубине пространства, которая пропорциональна квадрату дистанции до цели и определяется формулой (см. [2] стр.39, 44, 207, 208)
2
dД=(Д/β×γ)×б, где
dД - точность оценки дистанции, м (метра);
Д - дистанция до цели, м;
β - базовое расстояние между входными зрачками, м;
γ - увеличение оптической системы, крат;
б - острота стереоскопического зрения 10 угловых секунд;
1 угловая секунда в радиальной мере измерения составляет 1/206.000.
х
Например, при наблюдении и распознавании наземных объектов с борта космической станции (см. [3] стр.601) с базовым расстоянием ОПС β=1 м, увеличением γ=20, дистанции до цели Д=200000 м точность оценки дистанции по глубине пространства составляет dД=100000 м, что не обеспечивает стереоскопическое изображение местности и объектов наблюдения по глубине пространства. При повышении точности оценки дистанции (разрешающей способности) по глубине пространства dД=5 м базовое расстояние составит β=20000 м, что конструктивно осуществить невозможно.
Задачей изобретения является создание оптической панорамической системы, которая позволит повысить точность оценки дистанции (разрешающую способность) по глубине пространства, информативность и эффективность наблюдений.
Задача решается конструкцией оптической панорамической системы, содержащей две идентичные между собой головные телескопические системы с головным отражателем для каждой, установленные соосно друг другу под прямым углом к вертикальной оптической оси в диаметрально-противоположных направлениях с возможностью синхронного поворота вокруг вертикальной оптической оси, на которой установлена с возможностью поворота выпрямляющая призма, совместно с установленными на ней двумя отражателями, выполненными в виде прямоугольной призмы и прямоугольной призмы с крышей, отражающие грани которых совмещены с выходными зрачками соответствующих им головных телескопических систем, а головные отражатели установлены с возможностью поворота в одном направлении вокруг горизонтальной оптической оси и вокруг перпендикулярных к горизонтальной оптической оси каждой телескопической системы осей поворота, лежащих в плоскостях отражающих граней головных отражателей, при этом угловая скорость поворота выпрямляющей призмы равняется алгебраической полусумме угловых скоростей поворота головных отражателей вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей, а за выпрямляющей призмой на вертикальной оптической оси последовательно установлены неподвижные окулярная двухлинзовая телескопическая система, два ромбических отражателя, линия пересечения входных отражающих граней которых пересекает оптическую ось под прямым углом, окулярные отражатели и бинокулярная часть с идентичными друг другу объективами и окулярами. При этом отличием предлагаемого решения от прототипа является то, что между линзами неподвижной окулярной телескопической системы установлен окулярный отражатель в виде пентапризмы БП-90° (см. [5] стр.173) возможностью выведения его с вертикальной оптической оси, за выходной гранью которого на оптической оси последовательно установлены вторая линза неподвижной окулярной телескопической системы, два ромбических отражателя, линия пересечения входных отражающих граней которых пересекает оптическую ось под прямым углом, выходная грань одного из них выполнена с двумя отражающими гранями в виде крыши, за выходными гранями которых установлены идентичные друг другу объективы и окуляры, а на вертикальной оптической оси за второй линзой окулярной телескопической системы установлены ромбический отражатель и прямоугольная призма с крышей (см. [5] стр.172, АКР - 90°, БС - 0°). Линия пересечения их входных граней пересекает под прямым углом вертикальную оптическую ось, за выходными гранями которых установлены идентичные друг другу цифровые оптико-электронные фотоаппараты с возможностью одновременной или последовательной с интервалом времени между ними фоторегистрации изображений и отображения информации с них на экране монитора, установленного в фокальной плоскости второй линзы бинокуляра при выведенном из его поля зрения окулярном отражателе с вертикальной оптической оси неподвижной окулярной телескопической системы. Интервал времени между фоторегистрацией правым и левым оптическими каналами для вышеуказанного примера при орбитальной скорости полета 7,8 км/сек и базовым расстоянии 20000 м составит 2,6 сек. Известный принцип увеличения базового расстояния применяется, например, при наблюдении воздушных подвижных целей или неподвижных наземных целей путем передвижения наблюдателя на местности. Интервал времени между фоторегистрацией правым и левым каналами наблюдения зависит от решаемых задач.
Назначение головных отражателей обеспечить панорамный обзор окружающего пространства полем зрения головных телескопических систем, оптические оси которых параллельны между собой, путем их синхронного поворота в трех взаимно перпендикулярных направлениях (по углам горизонта, высоты и крена). Головные отражатели идентичны между собой и могут быть выполнены в виде плоских зеркал или прямоугольных призм (см. [5], стр.170, АР-90°) в зависимости от диаметров входных зрачков головных телескопических систем.
Назначение головных телескопических систем - формирование поля панорамического изображения на каждый глаз отдельно. Расстояние между параллельными ветвями головных отражателей головных телескопических оптических систем определяется необходимой глубиной анализируемого пространства при заданном увеличении системы и является чисто расчетной инженерной величиной. Лучшим вариантом построения головной оптической телескопической системы с точки зрения простоты, надежности и небольших габаритов будет телескопическая двухлинзовая оптическая система Кеплера (см., например, [2], стр.15, рис.11).
Прямоугольные отражатели предназначены для формирования изображений объектов наблюдения головными телескопическими системами перед выпрямляющей призмой в ее поле зрения. С этой целью выходные зрачки головных телескопических систем совмещены с отражающими гранями прямоугольных отражателей, установленными на горизонтальных оптических осях симметрично относительно вертикальной оптической оси в поле зрения выпрямляющей призмы. Один из прямоугольных отражателей выполнен с одной отражающей гранью, например в виде призмы АР-90°. Другой прямоугольный отражатель выполнен с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей АКР-90° (см. [5], стр.170, 172). Это позволяет направить параллельные пучки лучей от каждой головной телескопической системы на выпрямляющую призму симметрично относительно вертикальной оптической оси. При несоблюдении этих условий нарушится параллельность хода лучей входных и выходных зрачков, что может привести к потерям информативности всей системы в целом. В качестве выпрямляющей призмы могут быть использованы трапецеидальная призма Дове АР-0° ([5], стр.170), призма Пехана ([5], стр.179). В зависимости от типа используемой выпрямляющей призмы будет зависеть ее место расположения в оптической системе. Если использовать в качестве выпрямляющей призмы трапецеидальную призму Дове, последняя работает в параллельном пучке лучей, и для обеспечения ее работы ее можно расположить либо сразу за головными прямоугольными отражателями, формирующими на выходе параллельный пучок лучей, перед выпрямляющей призмой и окулярной двухлинзовой телескопической системой, либо между средними линзами окулярной четырехлинзовой телескопической системы. При использовании призмы Пехана в качестве выпрямляющей последняя будет работать в сходящемся пучке лучей и должна быть установлена между линзами окулярной двухлинзовой телескопической системы, обеспечивающей этот сходящийся пучок лучей на указанном участке. Однако призма Пехана более сложна в изготовлении, а потому менее предпочтительна.
Для формирования пучка лучей на каждую входную грань окулярных ромбических отражателей на вертикальной оптической оси неподвижно установлена окулярная телескопическая система, включающая входную первую и выходную вторую линзы. Входной зрачок окулярной телескопической системы совмещен с входными гранями окулярных ромбических отражателей или отражателей цифровых оптико-электронных фотоаппаратов. Между линзами окулярной телескопической системы установлен окулярный отражатель-пентапризма (см.[5] стр.173 БП-90), служащий для изменения направления оптической оси с целью удобства наблюдения. Окулярные ромбические отражатели предназначены для разделения пучков лучей, идущих через окулярную телескопическую систему от правого и левого оптических каналов наблюдения. Один отражатель выполнен в виде призмы ромб (см.[5] стр.172, БС-0, АкР-90) с двумя отражающими гранями, а другой - с тремя отражающими гранями, выходная грань которого выполнена в виде призмы с крышей. Аналогичную роль разделения пучка лучей и направления их на цифровые оптико-электронные фотоаппараты выполняют отражатели БС-0 и АкР-90, установленные на вертикальной оптической оси за окулярной телескопической системой. При выведенном с вертикальной оптической оси окулярном отражателе БП-90 бинокулярное наблюдение ведется с экрана монитора изображений, отображаемых цифровыми оптико-электронными фотоаппаратами. Фотографические изображения могут быть обработаны известными электронными системами, обеспечивающими улучшение телевизионных изображений. Смотри, (Оружие и технологии России). Энциклопедия XXI век. Том 11. Оптико-электронные системы и лазерная техника. Под общей редакцией Министра Обороны РФ С.Иванова. Издательский дом «Оружие и технологии». Москва 2005 г. стр.351-357 [7]. Кроме того, обеспечивается возможность дистанционной передачи стереоскопических снимков в реальном масштабе времени по радиотелевизионному каналу. Описываемая конструкция оптической панаромической системы позволит повысить точность оценки дистанции до цели по глубине анализируемого пространства, информативность и эффективность стереоскопического наблюдения.
На чертеже изображена оптическая схема оптической панорамической бинокулярной системы наблюдения. Она содержит два идентичных друг другу головных отражателя 1. Головной отражатель может быть выполнен как в виде зеркала, так и в виде прямоугольной призмы АР-90° (см. [5], стр.170). После головных отражателей 1 в их полях зрения размещены две идентичные друг другу головные телескопические системы, содержащие по две линзы 2 и 3 для формирования панорамного изображения местности для каждого глаза наблюдателя, установленные соосно друг другу в диаметрально-противоположных направлениях под прямым углом к вертикальной оптической оси системы. Выходные зрачки головных телескопических систем совмещены с отражающими гранями прямоугольных отражателей 4 и 5, установленных симметрично относительно вертикальной оптической оси перед выпрямляющей призмой 6 в ее поле зрения, что позволяет направить параллельные пучки лучей от наблюдаемого объекта отдельно на каждый глаз наблюдателя от головных отражателей 1, головными телескопическими системами 2-3 и прямоугольными отражателями 4 и 5 параллельно вертикальной оптической оси на выпрямляющую призму 6. Прямоугольный отражатель 4 выполнен с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей (см. [5] стр.172, призма АКР-90°). Прямоугольная призма 5 выполнена с одной отражающей гранью (см. [5] стр.170, призма АР-90°). За выпрямляющей призмой 6 на вертикальной оптической оси установлена окулярная телескопическая система из линз 7 и 8, между которыми установлен окулярный отражатель 9, выполненный в виде пентапризмы (см. [5], стр.173, БП-90). За выходной гранью окулярного отражателя 9 на оптической оси установлены линза 8, ромбические отражатели 10-11, объективы 12, окуляры 13 и окулярная сетка прицеливания 14 бинокулярной части оптической системы. В фокальной плоскости линзы 8 установлен экран монитора 17. На вертикальной оптической оси за выходной линзой 8 окулярной телескопической системы 7-8 установлены ромбический отражатель 10 и призма с крышей 4, линия пересечения входных граней которых пересекает оптическую ось под прямым углом. За выходными гранями которых уставлены идентичные друг другу цифровые оптико-электронные аппараты, включающие объектив 15 и электронные матрицы 16. Оптическая панорамическая система должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к бинокулярным стереоскопическим приборам. (См. [5] стр.623, табл.20.2).
Оптическая панорамическая бинокулярная система работает следующим образом. После установки оптической панорамической бинокулярной системы на местности включают двигатели (не показано) и начинается обзор окружающего пространства путем синхронного поворота головных отражателей 1 для наведения оптических осей головных телескопических систем 2-3 на объект наблюдения. При повороте головных отражателей 1 по часовой стрелке по ходу лучей (см. [1], стр.19) на угол β знак поворота правого отражателя 1 - положительный + β, а левого отражателя 1 - отрицательный -β. После головных отражателей 1 параллельные пучки лучей от наблюдаемого объекта (зеркального изображения) направляются в телескопические системы 2-3, оборачивающие эти изображения на 180°, и далее следуют на отражающие грани прямоугольных отражателей 4 и 5. Прямоугольный отражатель 4, выполненный с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей (см. [5] стр.172, призма АКР-90°), дает полное оборачивание изображения и направляет параллельные пучки лучей выходного зрачка телескопической системы 2-3 параллельно вертикальной оптической оси на выпрямляющую призму 6. При этом изображение наблюдаемого объекта в оптическом канале 1-2-3-4 перед выпрямляющей призмой 6 будет прямое и зеркальное (два оборачивания изображения 2-3-4 и нечетное число отражающих граней 1-4).
Прямоугольный отражатель 5, выполненный с одной отражающей гранью, направляет параллельные пучки лучей выходного зрачка телескопической системы 2-3, повернутого на 180° телескопической системой зеркального изображения после головного отражателя 1, параллельно вертикальной оптической системы на выпрямляющую призму 6. При этом изображение объекта наблюдения перед выпрямляющей призмой 6 в этом оптическом канале 1-2-3-5 будет повернутым на 180° телескопической системой 2-3 и прямым после отражателей 1-5 (четное число отражающих граней). Таким образом, левый оптический канал 1-2-3-4 является зеркальным отображением правого оптического канала, и благодаря этому при вращении головного отражателя 1 по часовой стрелке на угол +β изображения объекта перед выпрямляющей призмой 6 в обоих оптических каналах вращаются в одном направлении по часовой стрелке на угол +β, что требует поворота выпрямляющей призмы 6 в том же направлении на половинный угол +β/2, т.е. с угловой скоростью, вдвое меньшей угловой скорости поворота головных отражателей, компенсируя наклон изображений в обоих оптических каналах перед окулярной телескопической системой 7-8, оборачивающей изображения на угол 180° (см. [2] стр.15, рис.11) и проектирующей изображения объекта обоих каналов наблюдения через окулярный отражатель 9 на соответствующие им входные отражающие грани ромбических отражателей 10-11 (см. [5] призма БС-0°, стр.172). Поэтому выпрямляющая призма 6 установлена при юстировке оптической системы в положение, компенсирующее оборачивание изображений телескопической системы 7-8, путем поворота выпрямляющей призмы 6 вокруг вертикальной оптической оси системы на угол 90°.
Далее параллельные пучки лучей обоих оптических каналов направляются выходными отражающими гранями ромбических отражателей 10-11, выполненных в виде прямого изображения 10 и зеркального изображения, за выходными гранями которых изображения в обоих каналах будут прямыми и повернутыми на 180°. Далее параллельные пучки лучей направляются в идентичные между собой объективы 12 бинокуляра, которыми они оборачиваются на 180°, и формируют прямые изображения наблюдаемого объекта в выходных зрачках идентичных окуляров 13, так как количество отражающих граней оборачивания изображений равно соответственно 8 и 4.
При повороте головных отражателей 1 с головными телескопическими системами 2-3 совместно с прямоугольными отражателями 4 и 5 вокруг вертикальной оптической оси на угол +α по часовой стрелке по ходу лучей изображения объекта наблюдения в обоих оптических каналах поворачиваются в том же направлении на угол +α. Для компенсации наклона изображений выпрямляющая призма 6 синхронно поворачивается в том же направлении с половинной угловой скоростью на угол +α/2. При одновременном повороте головных отражателей вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей в одном направлении, например, по часовой стрелке угловая скорость поворота выпрямляющей призмы 6 равна алгебраической полусумме угловых скоростей поворота вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей +β/2+α/2, а при повороте головных отражателей 1 в противоположных направлениях с одинаковыми угловыми скоростями, например, +β/2-α/2=0 выпрямляющая призма 6 неподвижна относительно вертикальной оптической оси. При повороте изображения вокруг оптической оси визирования на угол крена ω выпрямляющая призма 6 поворачивается в том же направлении с половинной угловой скоростью на угол ω/2, компенсируя наклон изображения.
Таким образом, угловая скорость поворота выпрямляющей призмы 6 равна алгебраической полусумме угловых скоростей поворота головных отражателей 1 вокруг горизонтальной, вертикальной оптических осей бинокулярной панорамической системы ±α/2±β/2±ω/2 и вокруг оптической оси визирования.
При синхронном повороте в одном направлении головных отражателей 1 вокруг осей, перпендикулярных к горизонтальным оптическим осям головных телескопических систем 2-3, лежащих в отражающих гранях головных отражателей 1 на угол +γ, оптические оси визирования за целью поворачиваются в том же направлении на удвоенный угол поворота головных отражателей +2γ (см. [1] стр.19). Конструктивно головные телескопические системы 2-3 могут быть установлены перед головными прямоугольными отражателями 1 соответствующих им оптических каналов головной части прибора с синхронным поворотом их с головными отражателями 1 в том же направлении с удвоенной угловой скоростью поворота головных отражателей. При выведенном с вертикальной оптической оси окулярном отражателе 9 панорамический сигнал проектируется оптической панорамической системой 7-8 на входные грани отражателей 10 и 4, которые направляют изображения в соответствующие им цифровые оптико-электронные аппараты, содержащие объективы 15 и матрицы 16, информация с которых отображается на экране монитора 17 и наблюдается через бинокуляр 8-10-11-12-13-14. При этом изображение на экране монитора 17 в правом оптическом канале прямое и зеркальное, а в левом оптическом канале повернуто на 180°. При наблюдении изображений с экрана монитора 17 через бинокуляр 8-10-11-12-13-14 изображение в правом и левом оптических каналах прямое, так как количество отражающих граней и оборачивания изображений на угол 180° равно соответственно 8 и 4. Для визуальных наблюдений, обнаружения, разведки и слежения за целью по трем взаимно перпендикулярным прямолинейным направлениям в любой точке полусферы обзора, топографических и астронавигационных измерений достаточно обеспечить углы поворота головных отражателей на углы α=±180°, β=±90°, γ=±30°, ω=±30°.
Оптическая панорамическая бинокулярная система обеспечивает выполнение обязательных требований, предъявленных к бинокулярным приборам, а именно количество отражающих граней и оборачивающих систем должно быть четным и равным соответственно 8 и 4 в каждом оптическом канале данной оптической панорамической бинокулярной системы.
Источники информации
1. В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 год, стр.334, 335, рис.IV. 19б.
2. Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора М.В.Савостьяновой. Изд.3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 год, стр.36-37, рис.26 - прототип.
3. А.Первушин. «Битва за звезды: космическое противостояние». М., OOO «Издательство АСТ», 2004 г., стр.601. Военно-историческая библиотека.
4. Г.Р.Пекки, М.И.Филатов. Патент на изобретение RU №2290676, С1, МКП, G02B 23/02.
5. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общей редакцией В.А.Панова, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980 г., стр.170-172.
6. Г.Р.Пекки. Патент на изобретение. PU №2348956 от 10 марта 2009 г. МКП G02B 23/02 F41G 1/40(2006 01).
7. Энциклопедия XXI век. Оружие и технология России под общей редакцией Министра Обороны РФ С.Иванова. Оптико-электронные системы и лазерная техника. Том XI. Издательский дом «Оружие и технологии» Москва. 2005 г. стр.351-359.