ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к оптико-электронным приборам, в частности к приборам для обнаружения и селекции объекта по сигналам бортового источника излучения, анализа принятого излучения, определения угловых координат обнаруженного объекта.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является оптико-электронная система определения координат движущихся объектов [1], включающая в себя канал широкого поля зрения, состоящий из оптически связанных первого объектива и расположенного в его фокальной плоскости первого матричного приемника оптического излучения, канал узкого поля зрения, состоящий из оптически связанных второго объектива и расположенного в его фокальной плоскости второго матричного приемника оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных коллиматора и призмы БкР-180°, причем коллиматор содержит третий объектив, расположенную в его фокальной плоскости сетку с выверочной маркой и источник излучения, а призма БкР-180°, центр входного зрачка которой совпадает с осью коллиматора, установлена с возможность поворота вокруг оси коллиматора с установкой в заданные положения так, чтобы выходной зрачок призмы из нерабочего положения поочередно устанавливался в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения, причем оси канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора параллельны между собой. В этой оптико-электронной системе юстировка параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения производится путем наклона корпуса канала широкого поля зрения. Юстировка параллельности осей коллиматора и канала узкого поля зрения производится также путем наклона корпуса коллиматора.
Такой наклон обеспечивается либо подбором прокладок под местами крепления, либо путем шабрения специально предусмотренных площадок в местах крепления. Подбор прокладок не позволяет обеспечить высокую точность из-за дискретного изменения толщины прокладок, кроме того, наличие большого количества прокладок снижает надежность. Шабрение является очень трудоемкой технологией, при которой отсутствует непрерывный контроль за убираемым слоем металла. Чувствительность такой юстировки зависит от расстояния между местами крепления. Например, чтобы изменить наклон коллиматора на 1 угловую минуту при расстоянии между местами крепления 50 мм потребуется прокладка величиной 50tgl'=0,015 мм, причем направление наклона зависит от расположения мест крепления. Необходимость соблюдения габаритов может потребовать уменьшения расстояния между местами крепления, что сделает регулировку прокладками еще более чувствительной, а, значит, и более трудоемкой.
Задачей полезной модели является снижение трудоемкости изготовления, повышение точности и надежности прибора в эксплуатации.
Для решения этой задачи оптико-электронная система, включающая в себя канал широкого поля зрения, состоящий из оптически связанных первого объектива и расположенного в его фокальной плоскости первого матричного приемника оптического излучения, канал узкого поля зрения, состоящий из оптически связанных второго объектива и расположенного в его фокальной плоскости второго матричного приемника оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных коллиматора и призмы БкР-180°, причем коллиматор содержит третий объектив, расположенную в его фокальной плоскости сетку с выверочной маркой и источник излучения, а призма БкР-180°, центр входного зрачка которой совпадает с осью коллиматора, установлена с возможность поворота вокруг оси коллиматора с установкой в заданные положения так, чтобы выходной зрачок призмы из нерабочего положения поочередно устанавливался в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения,
причем оси канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора параллельны между собой, в отличие от прототипа, дополнительно снабжена первым оптическим компенсатором, расположенным перед первым объективом, и/или вторым оптическим компенсатором, расположенным между третьим объективом и призмой БкР-180°.
Каждый оптический компенсатор может быть выполнен в виде пары оптических клиньев, причем клинья первого оптического компенсатора установлены с возможностью вращения вокруг оси канала широкого поля зрения и с возможностью фиксации в выбранном положении, а клинья второго оптического компенсатора установлены с возможностью вращения вокруг оси коллиматора и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Возможен вариант исполнения, когда каждый оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, причем линзы первого оптического компенсатора установлены с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси канала широкого поля зрения и с возможностью фиксации в выбранном положении, а линзы второго оптического компенсатора установлены с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси коллиматора и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Возможен также вариант исполнения, когда один из оптических компенсаторов выполнен в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении, а другой оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Введение первого оптического компенсатора, расположенного перед первым объективом позволяет быстро и легко выбрать такое положение, при
котором ось канала широкого поля зрения будет с высокой точностью параллельна оси канала узкого поля зрения. Регулировка с помощью компенсатора позволяет делать контролируемую регулировку положения оси, при которой точность параллельности ограничивается только точностью контроля. Введение второго оптического компенсатора, расположенного между третьим объективом и призмой БкР-180°, позволяет быстро и легко выбрать такое положение, при котором ось коллиматора будет с высокой точностью параллельна оси канала узкого поля зрения. Повышение точности параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения обеспечивает уменьшение скачка координат объекта при передаче определения координат от канала широкого поля зрения к каналу узкого поля зрения, повышение точности параллельности осей канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора обеспечивает повышение точности контроля параллельности осей системой выверки и позволяет учесть фактическую непараллельность каналов, например, путем введения электронных поправок координат объекта. Это приводит к повышению точности и надежности работы прибора. Наличие хотя бы одного из компенсаторов позволяет получить требуемый положительный эффект. Выбор варианта исполнения оптического компенсатора производится из конструктивных соображений и обеспечивает одинаковый технический результат.
На фигуре представлена схема полезной модели.
Оптико-электронная система включает в себя первый оптический компенсатор 1, канал широкого поля зрения, состоящий из оптически связанных первого объектива 2 и расположенного в его фокальной плоскости первого матричного приемника 3 оптического излучения, канал узкого поля зрения, состоящий из оптически связанных второго объектива 4 и расположенного в его фокальной плоскости второго матричного приемника 5 оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных коллиматора и призмы БкР-180° 6, причем коллиматор содержит третий объектив 7, расположенную в его фокальной плоскости сетку 8 с выверочной маркой и источник
излучения 9, между третьим объективом 7 и призмой БкР-180° 6 расположен второй оптический компенсатор 10, а призма БкР-180° 6, центр входного зрачка которой совпадает с осью коллиматора, установлена с возможность поворота вокруг оси коллиматора с установкой в заданные положения так, чтобы выходной зрачок призмы из нерабочего положения поочередно устанавливался в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения. На фигуре призма 6 показана в положении I, когда ее выходной зрачок находится в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения. Пунктиром показано другое положение II призмы, когда ее выходной зрачок находится в пределах входного зрачка канала узкого поля зрения.
Оптические компенсаторы могут быть выполнены, например, в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой установлен компенсатор, и с возможностью фиксации в выбранном положении. Например, круглые оптические клинья вклеены в круглых металлических оправах, которые установлены внутри корпуса в виде трубки. По диаметру оправ клиньев через, например, 30° сделаны углубления под шпильку, а в корпусе сделан секторный вырез величиной 40°, открывающий доступ к углублениям. В корпусе также имеются стопора для фиксации клиньев в выбранном положении. Шпильками поворачиваем клинья и находим нужное положение, в котором фиксируем клинья стопорами.
Возможен вариант исполнения, при котором каждый оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой он установлен, и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Например, оправы с линзами могут быть установлены в каретках, которые перемещаются в направляющих типа «ласточкин хвост», причем направляющие для положительной и отрицательной линз установлены взаимно ортогонально.
Подвижка каждой каретки может быть обеспечена винтовой парой, а фиксация дополнительными винтами.
Возможен также вариант исполнения, при котором один оптический компенсатор выполнен в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой установлен компенсатор, и с возможностью фиксации в выбранном положении, а другой оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой он установлен, и с возможностью фиксации в выбранном положении.
В качестве первого и второго матричных приемников 3,5 оптического излучения могут быть использованы, например, ПЗС-камеры, выполненные на базе ПЗС-матриц ICX429ALL фирмы SONY, которые являются цифровыми устройствами, преобразующими оптические сигналы в электрические. На выходе ПЗС-камеры выдают цифровой 12-разрядный код, пропорциональный уровню освещенности каждого пиксела матрицы. В качестве второго объектива 4 канала узкого поля может быть использован, например, зеркально-линзовый объектив, имеющий следующие характеристики:
Фокусное расстояние
332 мм
Диаметр входного зрачка
160 мм
Эффективное относительное отверстие D:f
1:2,3
Применение этого объектива, имеющего большой входной зрачок и большое относительное отверстие обеспечивает высокую чувствительность и возможность определения координат при удалении объекта на большое расстояние, а зеркально-линзовая схема позволяет уменьшить габариты объектива, и, соответственно, всей системы.
Фокусное расстояние первого объектива 2 канала широкого поля зрения должно быть небольшим, чтобы обеспечивать достаточное поле зрения для уверенного захвата объекта на начальном этапе, в то же время, для обеспечения
хороших энергетических характеристик канала для уверенного приема оптического сигнала от установленного на объекте импульсного источника объектив должен иметь большой входной зрачок и относительное отверстие. Параметры объектива выбираются, исходя из компромисса между этими противоречивыми требованиями.
Блок выверки предназначен для контроля параллельности каналов широкого и узкого полей зрения, использование призмы БкР-180° 6 обеспечивает независимость взаимного положения входного и выходного лучей от положения призмы относительно входного луча. Выверочная марка сетки 8 подсвечивается источником излучения 9. В качестве источника излучения 9 может быть использован светодиод. Для повышения равномерности подсветки выверочной марки может быть использован конденсор, а также конструктивно обеспечены регулировки положения источника излучения 9.
На фигуре представлена схема оптико-электронной системы, включающая два оптических компенсатора 1 и 10, введение которых наиболее эффективно при относительно малых полях зрения каналов узкого и широкого поля зрения. Однако, на практике возможны случаи, когда достаточно использование лишь одного оптического компенсатора. Например, при большом поле зрения канала широкого поля зрения (более 3°) достаточно введения лишь одного оптического компенсатора 10, а оптический компенсатор 1 можно исключить, что не приведет к существенному повышению трудоемкости юстировки и не отразится на надежности работы оптико-электронной системы, так как современная технология обеспечивает возможность достижения параллельности осей каналов узкого и широкого полей зрения с точностью, соизмеримой с допустимой величиной непараллельности осей каналов.
Полезная модель работает следующим образом.
Вначале производится диагностика состояния оптико-электронной системы. При этом призма БкР-180° 6 поворачивается приводом (на фигуре не показан) вокруг оси коллиматора, так что она из нерабочего положения поочередно
устанавливается в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения в положения, в которых происходит определение отклонения от параллельности оптических осей каналов. Объективы 2, 4 каждого канала строят изображение выверочной марки на матричных приемниках 3, 5 оптического излучения. Определение координат изображения выверочной марки в каждом канале дает информацию о параллельности осей каналов, которая учитывается путем введения электронных поправок в координаты объекта.
Канал широкого поля зрения работает на начальном этапе полета объекта. Импульсное излучение источника, установленного на объекте, попадает в поле зрения канала широкого поля зрения и фокусируется объективом 2 на матричном приемнике 3 оптического излучения. Изображение источника может занимать один или несколько фотоприемных элементов (пикселей) матрицы. Принимаемая матрицей оптическая информация оцифровывается и обрабатывается электронно-вычислительным устройством (на фигуре не показано) по заданной программе. При обработке идентифицируются оптические сигналы, принадлежащие импульсному источнику объекта, определяется их энергия и координаты изображения импульсного источника на матричном приемнике. Координаты определяются в системе координат, построенной на матричном приемнике, при этом в определенной зоне матрицы какой-то элемент разложения (пиксель, группа пикселей) принимается имеющим нулевые координаты, а строка и столбец, проходящие через него принимаются за оси координат. Оптическая ось канала проходит через главные точки объектива и центр координат. Измеренные координаты объекта передаются во внешнее управляющее устройство, которое формирует команды, заставляющие объект двигаться к оптической оси. В какой-то момент объект входит в поле зрения канала узкого поля зрения и с этого момента импульсный источник видят оба канала, но управление объектом идет по координатам, определенным каналом узкого поля зрения, т.к. он имеет объектив с большим фокусным расстоянием и входной апертурой,
апертурой, соответственно обладает способностью видеть излучение импульсного источника на большем расстоянии и определять его координаты с большей точностью.
Поэтому важно, чтобы оси каналов были параллельны, во-первых, чтобы повысить вероятность захвата объекта каналом узкого поля зрения, во-вторых, чтобы избежать скачка при передаче управления с канала широкого поля зрения на канал узкого поля зрения. Наличие первого оптического компенсатора 1, расположенного перед первым объективом 2, позволяет при сборке обеспечить высокую точность параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения и снизить трудоемкость этой регулировки. При сборке юстировочное оборудование позволяет видеть взаимное положение осей каналов узкого и широкого полей зрения. Поворотом клиньев первого оптического компенсатора 1, расположенного перед первым объективом 2, обеспечивается совмещение оси канала широкого поля зрения с осью канала узкого поля зрения, с последующей фиксацией клиньев в найденном положении. Призма БкР-180° 6 переносит, сохраняя параллельность входной и выходной осей, изображение выверочной марки сетки 8 в поле зрения канала широкого поля зрения (положение I), в поле зрения канала узкого поля зрения (положение II), при этом происходит определение отклонения от параллельности оптических осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения. Учитывая, что каналы имеют объективы с разными фокусными расстояниями и, соответственно, разные масштабы угловых отклонений, а также для устранения влияния аберраций объективов, оптическая ось коллиматора выверки должна быть параллельна оптической оси канала узкого поля зрения, как более чувствительного. Второй оптический компенсатор 10, расположенный между третьим объективом 7 и призмой БкР-180° 6 позволяет легко и точно обеспечить это требование. При сборке юстировочное оборудование позволяет видеть изображение выверочной марки сетки 8 в поле зрения канала узкого поля зрения при положении II призмы БкР-180° 6. Если ось коллиматора не
призмы БкР-180° 6. Если ось коллиматора не параллельна оси канала узкого поля зрения, то изображение выверенной марки не будет совпадать с осью канала узкого поля зрения. Поворотом клиньев второго оптического компенсатора 10, расположенного между объективом 7 коллиматора и призмой БкР-180° 6, обеспечивается совмещение изображения выверочной марки с осью канала узкого поля зрения, с последующей фиксацией клиньев в найденном положении. При этом обеспечивается параллельность оси коллиматора и оси канала узкого поля зрения.
Таким образом, использование заявляемой оптико-электронной системы обеспечивает снижение трудоемкости сборки и юстировки прибора с одновременным повышением точности параллельности осей и как следствие, повышение точности и надежности прибора в эксплуатации.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель BY 2885 U, опубл.30.06.2006, «Оптико-электронная система определения координат движущихся объектов» - прототип.