ПАНОРАМНЫЙ ПРИЦЕЛ СО ВСТРОЕННЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ
PANORAMIC SIGHT WITH BUILT-IN LASER RANGEFINDER

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено в системе управления огнем бронетанковой техники.
Известна оптическая схема автоматизированного панорамного прицела (патент на полезную модель RU №152098 U1, опубл. 10.05.2015), представляющая собой перископическую телескопическую систему с призменно-линзовой оборачивающей системой, содержащей последовательно установленные защитное стекло, головную призму АР-90°, объектив, две линзы для согласования масштаба изображения и защитное стекло, две линзы оборачивающей системы, призму АР-0° (призму Дове), предназначенную для устранения наклона изображения при вращении головной призмы АР-90° в горизонтальной плоскости, призму АкР-90°, сетку, установленную в фокальной плоскости объектива, и окуляр
Призма АР-0° (призма Дове) установлена между компонентами линзовой оборачивающей системы в параллельном ходе лучей и устраняет наклон изображения при вращении синхронно с головной призмой АР-90° в горизонтальной плоскости, но с меньшим в 2 раза углом поворота.
Недостатками этой оптической схемы являются отсутствие телевизионного и тепловизионного каналов для ночного наблюдения, а также отсутствие излучающего и приемного каналов лазерного дальномера. Наличие призмы Дове для компенсации наклона изображения при вращении головной призмы в горизонтальной плоскости дает повышенные габариты при большом диаметре входного зрачка устройства.
Известна оптическая схема командирского панорамического прибора-прицела PERI-R17 в варианте для дневных условий - PERI-RTA (Л.И. Абрамов, С.М. Гарнов, В.И. Самойленко, В.Е. Тютина, П.С. Чернец. «Испытания западногерманского дневного командирского панорамического прибора-прицела», Вестник бронетанковой техники, №11, 1990 г.), представляющая собой телескопическую систему, содержащую защитное стекло, отражающую призму, галилеевскую трубку, объектив, прицельную сетку и сетку ориентации прицела, окуляр, ромбическую призму, линзы оборачивающей системы, светофильтры, призму Пехана и отражающую призму. Командирский панорамический прибор-прицел PERI-R17 в варианте для дневных и ночных условий - PERI-RTW содержит дополнительно тепловизионный канал.
Призма Пехана П-0° установлена в визуальном канале и применяется для компенсации наклона изображения при вращении синхронно с головной призмой, но с меньшим в 2 раза углом поворота.
Недостатками этой оптической схемы являются отсутствие высокоинформативного телевизионного канала для дневного и ночного наблюдения, а также отсутствие излучающего и приемного каналов лазерного дальномера. Компенсация наклона изображения при вращении головной призмы в горизонтальной плоскости обеспечивается только для визуального канала, что обусловлено наличием только в нем призмы Пехана. Для тепловизионного канала требуется введение блока электронной компенсации наклона изображения, обладающего в свою очередь рядом недостатков, снижающих эффективность работы (Л.И. Горелик, А.К. Петров. «Цифровая компенсация поворота изображения в системе кругового обзора на основе матричного фотоприемного устройства», Прикладная физика, №2, 2007 г.).
Известно устройство для кругового сканирования (патент RU №2355005 С1, опубл. 10.05.2009), содержащее поворотное зеркало, объектив, узел оборачивания изображений и многоэлементный фоточувствительный приемник. Узел оборачивания изображения содержит первое, второе и третье зеркала, жестко закрепленные во вращающемся корпусе таким образом, что второе зеркало расположено параллельно оси вращения корпуса узла оборачивания изображений, а первое и третье зеркала расположены под равными углами к оси вращения корпуса и ко второму зеркалу, при этом прямая пересечения плоскостей первого и третьего зеркал параллельна второму зеркалу и перпендикулярна оси вращения корпуса, проходящей через центры первого и третьего зеркал и совпадающей с осью вращения первого зеркала и главной оптической осью объектива. Поворотное зеркало и узел оборачивания изображений вращаются с передаточным отношением минус 2:1, чем обеспечивается сканирование пространства до 360° при обеспечении неподвижности фотоприемника.
Недостатками этого устройства являются отсутствие визуального канала, а также отсутствие излучающего и приемного каналов лазерного дальномера. Кроме того, узел оборачивания изображений для компенсации наклона изображения на многоэлементном фоточувствительном приемнике, которое возникает при вращении поворотного зеркала в горизонтальной плоскости, имеет повышенные габариты вдоль оптической оси устройства.
Известна оптическая система для панорамных изображений (М.Б. Цудиков. «Оптическая система для панорамных изображений», Приборы и медико-биологическое оборудование, Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9, ч. 2. 2013 г.), представляющая собой систему панорамного оптико-электронного наблюдения, содержащую головное зеркало или призму с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, призму Аббе для компенсации вращения изображения, объектив и матричное фотоприемное устройство. Призма Аббе имеет преимущество перед призмой Дове за счет меньшей длины по оптической оси.
Недостатками этой оптической системы являются отсутствие визуального канала, а также отсутствие излучающего и приемного каналов лазерного дальномера. Узел оборачивания изображений для компенсации наклона изображения на многоэлементном фоточувствительном приемнике также имеет повышенные габариты и массу при больших диаметрах входных зрачков объективов.
Известна комбинированная оптико-электронная система (патент RU 2541494, опубл. 20.02.2015), содержащее обтекатель, сканирующее зеркало, теплопеленгационный (ТП) канал с оптической системой и фотоприемным устройством, лазерный канал дальнометрирования с излучателем, приемной оптической системой и фотоприемным устройством, лазерный канал помехового излучения и телевизионный канал для получения изображения пространства объектов. Для сопряжения оптических осей каналов в системе содержатся три дихроических зеркала.
Недостатками этой оптико-электронной системы являются отсутствие визуального канала, а также отсутствие компенсатора наклона изображения для оптико-электронных каналов наблюдения.
Также известен комбинированный прицел командира в командирском прицельно-наблюдательном комплексе (патент RU 2613757, опубл. 21.03.2017), содержащий четыре взаимно параллельных канала - дневной визирный канал с оптическим увеличением, передающий канал лазерного дальномера, тепловизионный канал и дневной канал наблюдения без оптического увеличения. Приемный лазерный канал выполнен из первого линзового компонента визирного объектива, призмы со светоделительной плоскостью и приклеенным оптическим клином и второго линзового компонента приемного лазерного канала. Дневной визирный канал содержит оптически связанные объектив визирного канала, оборачивающую систему, светофильтр, сетки с прицельными марками и окуляр, оборачивающая система визирного канала выполнена в виде призмы со светоделительной плоскостью и расположена между двумя линзовыми компонентами визирного объектива. Тепловизионный канал включает оптически связанные тепловизионный объектив и фотоприемное матричное устройство. Дневной канал наблюдения без оптического увеличения выполнен в виде оптически связанных вращающегося зеркала, выводимого из оптического тракта при наблюдении через тепловизионный канал, и ромб призмы.
Оптическая ось входного зрачка приемного канала лазерного дальномера совмещена с оптической осью визирного канала с увеличением за счет использования дихроического элемента.
Недостатками этого комбинированного прицела являются сложность исполнения четырех раздельных оптико-электронных каналов, наличие ручного переключения при работе днем на канал с однократным увеличением. Невозможна одновременная работа канала с однократным увеличением и тепловизионного канала. Однократный канал не обеспечивает кругового обзора, а головная часть не обеспечивает возможность вращения в горизонтальной плоскости для кругового обзора и не имеет компенсатора наклона изображения, что требует установки комбинированного прицела командира во вращающуюся командирскую башенку, усложняя конструктивное исполнение объекта применения.
Наиболее близким по технической сущности является панорамный прицел со стабилизированным полем зрения MVS-580 («Прицел с высоким качеством изображения», Doug Richardson, inputs from Eric H. Biass Sight Seeing: The Clear Picture. ArmadaInternational, 1996, No 3, p. 6, 8, 10, 12, 14-16, 18, 20, 22 «http://btvt.info3attackdefensemobility/priceli_nato.htm»), который содержит вращающуюся в горизонтальной плоскости головную часть, содержащую защитное стекло, головное зеркало и компонент многоспектрального объектива Галлилея, и неподвижную часть прицела, в которой содержится второй компонент многоспектрального объектива Галлилея и дихроичный делитель, совмещающий два канала - визуальный и тепловизионный. Визуальный телескопический канал содержит наклонное зеркало, объектив, призму Пехана П-0°, вращение которой компенсирует наклон изображения при вращении головной части панорамного прицела, отражающий элемент и окуляр. Тепловизионный ИК канал содержит ИК объектив, состоящий из трех компонентов, фотоприемник, охлаждающее устройство и электронный блок управления. В неподвижной части прицела также содержится канал электронного микромонитора, изображение с которого коммутируется с визуальным изображением через отражающий элемент, расположенный перед окуляром визуального канала.
Недостатками этого панорамного прицела являются отсутствие высокоинформативного телевизионного канала и каналов лазерного дальномера - излучающего и приемного, а также отсутствие компенсатора наклона изображения для тепловизионного канала.
Задачей настоящего изобретения является введение дополнительных каналов - телевизионного канала и каналов лазерного дальномера, а также сопряжение оптических осей четырех каналов - визуального, телевизионного, тепловизионного и приемного канала лазерного дальномера, размещение оптической оси излучающего канала азерного дальномера параллельно общей оптической оси каналов панорамного прицела без увеличения габаритных размеров общего головного зеркала, а также обеспечение вращения головного зеркала в горизонтальной плоскости с оптической компенсацией наклона изображения для всех каналов наблюдения при одновременной работе всех существующих каналов с минимизацией габаритных размеров оптического компенсатора.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в панорамном прицеле со встроенным лазерным дальномером, содержащем головную часть, состоящую из защитного стекла и головного зеркала; дихроический элемент, отражающий видимый RGB спектральный диапазон и пропускающий MWIR и LWIR спектральный диапазон излучения, причем в отраженном от первого дихроического элемента направлении расположен визуальный оптический канал, содержащий объектив, оборачивающую систему, состоящую из полупентапризмы БУ-45° и призмы БР-45°, и окуляр; а в прошедшем через дихроический элемент направлении расположен тепловизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив, состоящий из трех компонентов, и матричный тепловизионный фотоприемник; также содержащем микродисплей, в отличие от известного, дихроический элемент дополнительно отражает NIR спектральный диапазон b дополнительно пропускает SWIR диапазон, оборачивающая система визуального канала содержит полупентапризму БУ-45°, зеркальная плоскость которой выполнена в виде второго дихроического элемента и склеена с оптическим клином, отражающего видимую RGB часть спектра и пропускающего NIR диапазон, и склеена с оптическим клином, причем в отраженном направлении установлены плоскопараллельная пластинка, корректирующий компонент, состоящий из двояковогнутой линзы, подвижная и неподвижная сетки, а в прошедшем направлении расположен телевизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив, состоящий из четырех компонентов, первый из которых положительная выпукловогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, второй - склейка из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий - положительная выпукловогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, четвертый - положительная выпукловогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, и матричный телевизионный фотоприемник, при этом в прошедшем через первый дихроический элемент направлении расположен третий дихроический элемент, отражающий SWIR и пропускающий MWIR и LWIR диапазоны, причем в отраженном от третьего дихроического элемента направлении расположен приемный канал лазерного дальномера, состоящий из выпукловогнутой линзы и фотоприемного устройства, а в прошедшем через третий дихроический элемент направлении расположен тепловизионный канал, причем оптическая ось излучателя лазерного дальномера параллельна вертикальной оси прицела, перед микродисплеем установлен второй окуляр, а перед первым дихроическим элементом установлен мультипризменный оптический компенсатор, содержащий несколько малых призм АР-0°, попарно ориентированных в горизонтальной плоскости, при этом выполняются следующие соотношения:
m
a
x
L=(1,0÷1,5)⋅D,
2≤N≤30,
где h - размер между большим и малым основаниями призмы АР-0°;
L - ширина призм АР-0° на оптической оси;
m
a
x
D - максимальное значение диаметра входного зрачка каналов;
N- число призм АР-0°.
Такой панорамный прицел со встроенным лазерным дальномером обеспечивает наличие дополнительных каналов - телевизионного канала и каналов лазерного дальномера, а также сопряжение оптических осей четырех каналов - визуального, телевизионного, тепловизионного и приемного канала лазерного дальномера, размещение оптической оси излучающего канала лазерного дальномера параллельно общей оптической оси каналов панорамного прицела без увеличения габаритных размеров общего головного зеркала, а также обеспечение вращения головного зеркала в горизонтальной плоскости с оптической компенсацией наклона изображения для всех каналов наблюдения при одновременной работе всех существующих каналов с минимизацией габаритных размеров оптического компенсатора.
Схема панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером показана на фигурах 1, 2, 3 и 4.
Панорамный прицел со встроенным лазерным дальномером содержит защитное стекло 1, головное зеркало 2, мультипризменный блок 3, состоящий из призм 3-01, 3-02, 3-03, 3-04, 3-05 и 3-06, первый дихроический элемент 4, объектив оптического канала 5, полупентапризму 6 с дихроической зеркальной поверхностью, склеенную с оптическим клином 13, призму Шмидта с крышей 7, плоскопараллельную пластинку 8, корректирующую линзу 9, подвижную 10 и неподвижную 11 сетки, первый окуляр 12, объектив телевизионного канала 14, 15, 16, 17 и 18, матричный телевизионный фотоприемник 19, третий дихроический элемент 20, объектив 21 приемного канала лазерного дальномера, фотоприемное устройство 22, тепловизионный объектив 23, матричный тепловизионный фотоприемник 24, излучатель 25 излучающего канала лазерного дальномера, микродисплей 26 и второй окуляр 27.
Конструктивные параметры панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения визуального канала приведены в таблице 1.
Конструктивные параметры панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения телевизионного канала приведены в таблице 2.
Конструктивные параметры панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения приемного канала лазерного дальномера приведены в таблице 3.
Конструктивные параметры панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения тепловизионного канала приведены в таблице 4.
Конструктивные параметры панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения второго окуляра с микродисплеем приведены в таблице 5.
Технические параметры каналов с совмещенными оптическими осями входных зрачков для варианта исполнения панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером приведены в таблице 6.
Принцип действия панорамного прицела со встроенным лазерным дальномером заключается в следующем.
Излучение от предмета проходит через защитное стекло 1 и головное зеркало 2, формируя оптическую ось «I», на которой далее расположены мультипризменный блок 3 и первый дихроический элемент 4, который осуществляет разделение светового потока по оптической оси «I» по спектру, отражая диапазон видимого света RGB и ближнего инфракрасного NIR диапазона излучения и пропуская коротковолновый инфракрасный диапазон SWIR, средний инфракрасный диапазон MWIR и длинноволновый инфракрасный диапазон LWIR в соответствии с общепринятой классификацией условного разделения диапазонов (А.Г. Зотин, М.В. Дамов, Е.И. Савчина. «Улучшение визуального качества изображений на основе инфракрасных данных в системах видеонаблюдения», Программные продукты, системы и алгоритмы, №2, 2016 г.).
В отраженном от первого дихроического элемента 4 направлении расположен визуальный RGB оптический канал, содержащий объектив 5 и оборачивающую систему, содержит полупентапризму БУ-45° поз. 6, зеркальная плоскость выполнена в виде второго дихроического элемента и склеена с оптическим клином 13, отражая видимую RGB часть спектра и пропуская NIR диапазон спектра. Визуальный канал продолжается по ходу луча в отраженном направлении, где последовательно установлены призма БР-45° поз. 7, плоскопараллельная пластинка 8, корректирующий компонент, состоящий из двояковогнутой линзы 9, подвижная 10 и неподвижная 11 сетки и окуляр 12. Корректирующий компонент 9 исправляет кривизну поля объектива 5.
В прошедшем через второй дихроический элемент направлении расположен телевизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив, первый компонент которого - положительная выпукловогнутая линза 14, обращенная выпуклостью к предмету, второй - склейка из двояковыпуклой и двояковогнутой линз 15 и 16, третий - положительная выпукловогнутая линза 17, обращенная вогнутостью к предмету, четвертый - положительная выпукловогнутая линза 18, обращенная выпуклостью к предмету, Объектив 14, 15, 16 17 и 18 фокусирует изображение объекта в NIR диапазоне спектра на матричный телевизионный фотоприемник 19.
В прошедшем через первый дихроический элемент 4 направлении расположен третий дихроический элемент 20, отражающий SWIR спектральный диапазон и пропускающий MWIR и LWIR спектральные диапазоны. В отраженном от третьего дихроического элемента 20 направлении расположен приемный канал лазерного дальномера, состоящий из выпукловогнутой линзы 21, фокусирующей принимаемое лазерное излучение, отраженное от объекта, на фотоприемное устройство 22.
В прошедшем через третий дихроический элемент 20 направлении расположен тепловизионный канал, содержащий последовательно установленные трехкомпонентный объектив 23, фокусирующий изображение на матричный тепловизионный фотоприемник 24.
Каждый из дихроических элементов 3, 6 и 20 выполнены с наиболее эффективной реализацией спектрального разделения потоков - высокое отражение в коротковолновом диапазоне и высокое пропускание в длинноволновом диапазоне спектра, что более предпочтительно технологически (Е.Н. Котликов, Е.В. Хонинева, В.Н. Прокашев, А.Н. Тропин. «Спектроделительные покрытия в лазерных системах для видимой и инфракрасной областей спектра». Санкт-Петербург, Оптический журнал, 76, 11, 2009 г.).
Изображения, построенные телевизионным и тепловизионным каналами, выводятся на микродисплей 26, расположенный в передней фокальной плоскости второго окуляра 27.
Оптические оси первого и второго окуляров устанавливаются параллельно друг к другу, позволяя вести наблюдение одновременно двумя глазами, рассматривая визуальное и телевизионное/тепловизионное изображения. Телевизионное и тепловизионное изображения могут выводится на микродисплей как раздельно, так и одновременно с программным совмещением обоих изображений.
Оптическая ось «II» излучателя 25 лазерного дальномера размещена параллельно оптической оси «I», используя общую отражающую поверхность головного зеркала 2 для вывода лазерного излучения через защитное стекло 1.
Применение трех дихроических элементов 4, 6 и 20 в панорамном прицеле со встроенным лазерным дальномером позволяет совместить оптические оси входных зрачков визуального канала 5-12, телевизионного канала 13-19, приемного канала лазерного дальномера 21, 22 и тепловизионного канала 23, 24 на одной оптической оси «I», а оптическую ось «II» излучателя 25 канала лазерного дальномера расположить параллельно оси «I» непосредственно под отражающей поверхностью элемента 2 вертикального наведения головной части, обеспечивая одновременную работу всех каналов.
Защитное стекло 1 и мультипризменный блок 3 при этом выполняются из материала, прозрачного для RGB, NIR, SWIR, MWIR и LWIR спектральных диапазонов, например из ZnS или ZnSe.
Панорамный прицел со встроенным лазерным дальномером осуществляет обзор пространства в горизонтальном направлении за счет кругового вращения головного зеркала 2 с защитным стеклом 1 относительно вертикальной оптической оси «I».
Мультипризменный оптический компенсатор 3, содержащий несколько малых призм АР-0° (3-01, 3-02, 3-03, 3-04, 3-05 и 3-06), попарно ориентированных в горизонтальной плоскости, вращается относительно оптической оси «I» синхронно с головным зеркалом, но со скоростью, в 2 раза меньшей, аналогично как работает одна призма Дове АР-0°, т.е. при повороте головного зеркала на угол «β» мультипризменный блок поворачивается в ту же сторону, но на угол «β/2».
Габаритные размеры и масса мультипризменного блока уменьшаются пропорционально числу применяемых малых призм АР-0° относительно варианта использования одной призмы Дове АР-0°, при этом выполняются следующие соотношения:
m
a
x
L=(1,0÷1,5)⋅D,
2≤N≤30,
где h - размер между большим и малым основаниями призмы АР-0°;
L - ширина призм АР-0° на оптической оси;
m
a
x
D - максимальное значение диаметра входного зрачка каналов;
N- число призм АР-0°.
При применении такого мультипризменного блока призм АР-0° и при расположении его на оптической оси «/» перед совмещенными входными зрачками каналов панорамного прицела, форма круглого зрачка каждого из каналов приобретает вид, показанный на фигуре 4. Площадь зрачка при этом не меняется, светосила объективов сохраняется, обеспечивая первоначальные энергетические соотношения. Из технологических соображений максимальное число призм АР-0° ограничивается до 30-ти.
Разрешающая способность визуального RGB канала в центре поля зрения составляет ~7,5".
Качество изображения в телевизионном канале для частоты Найквиста, равной ~90 штр/мм (пиксель 5,5 мкм), характеризуется как отличное в центре поля зрения с коэффициентом передачи контраста ~50%.
Качество изображения в тепловизионном канале для частоты Найквиста, равной ~40 штр/мм (пиксель 12 мкм), характеризуется как хорошее в центре поля зрения с коэффициентом передачи контраста ~45%.
Качество изображения приемного канала лазерного дальномера характеризуется кружком рассеяния, равным 0,24 мм при размере чувствительной площадки фотоприемника, равном 0,35 мм.
Как видно из расчетов, панорамный прицел со встроенным лазерным дальномером обеспечивает наличие дополнительных каналов -телевизионного канала и каналов лазерного  дальномера, а также сопряжение оптических осей четырех каналов - визуального, телевизионного, тепловизионного и приемного канала лазерного дальномера, размещение оптической оси излучающего канала лазерного дальномера параллельно общей оптической оси каналов панорамного прицела без увеличения габаритных размеров общего головного зеркала, а также обеспечение вращения головного зеркала в горизонтальной плоскости с оптической компенсацией наклона изображения для всех каналов наблюдения при одновременной работе всех существующих каналов с минимизацией габаритных размеров оптического компенсатора.