Прибор наблюдения-прицел с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером
SURVEILLANCE-SIGHTING DEVICE WITH COMBINED OPTICAL AXES OF INPUT PUPILS OF WORKING CHANNELS AND WITH BUILT-IN LASER RANGE FINDER

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено в системе управления огнем бронетанковой техники.
Известен прибор наблюдения-прицел ТКН-4ГА для работы на объектах бронетанковой техники днем и ночью по наземным и по воздушным объектам в двух спектральных диапазонах - в видимом от 0,48 до 0,65 мкм и в видимом и ИК-диапазонах от 0,40 до 0,90 мкм (А.В. Медведев, А.В. Гринкевич, С.Н. Князева. Практические достижения в технике ночного видения. ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2009 г., стр. 835, рис. 11.2.1.4), содержащий малогабаритную призменную головную часть, обеспечивающую углы наведения линии визирования от минус 10 до +70° и два отдельных вертикально расположенных канала: однократный оптический канал и многократный оптико-электронный канал, переключаемый с многократного оптического на ночной многократный канал с электронно-оптическим преобразователем. В поле зрения многократного канала расположена дальномерная шкала для измерения дальности методом «с базой на цели». Используемый в приборе наблюдения-прицеле ТКН-4ГА метод измерения дальности по дальномерной шкале обеспечивает ошибку измерения, повышающуюся с увеличением дистанции до цели и составляющую ~10% от измеряемой дистанции.
Недостатками прибора наблюдения-прицела ТКН-4ГА являются сложность исполнения раздельных оптических каналов - однократного и многократного, а также малая точность измерения дальности до цели.
Наиболее близким по технической сущности является прибор наблюдения-прицел со встроенным импульсным лазерным дальномером (патент RU 2526230 С1, опубл. 20.08.2014), содержащий три отдельных вертикально расположенных канала - однократный дневной канал, многократный дневно-ночной канал с переключением визуального наблюдения на электронно-оптический преобразователь, а также излучающий канал лазерного дальномера. Оптическая ось входного зрачка приемного канала лазерного дальномера совмещена с оптической осью входного зрачка дневного однократного канала за счет использования дихроического элемента.
Дневной однократный канал включает в себя защитные стекла, призму-куб, объектив, состоящий из трех компонентов, коллектив, наклонную плоскопараллельную дихроическую пластину, двухкомпонентную оборачивающую систему, прямоугольную призму, плоскопараллельную пластину, и окуляр, состоящий из четырех компонентов. Оптическая ось входного зрачка приемного канала лазерного дальномера включает объектив и коллектив однократного канала, дихроическую пластину, установленную между коллективом и оборачивающей системой однократного канала, пропускающую видимый спектральный диапазон и отражающую длину волны 1,54 мкм, согласующую оптическую систему, состоящую из трех компонентов, и фотоприемное устройство дальномера.
Многократный дневно-ночной канал включает в себя защитные стекла, вторую призму-куб, объектив, механизм ввода-вывода электронно-оптического преобразователя или согласующего оптического компонента, двухкомпонентную оборачивающую систему, две прямоугольные призмы, наклонное отражающее зеркало, плоскопараллельную пластину, подвижную и неподвижную сетки и окуляр, состоящий из трехкомпонентов, первый из которых - положительная вогнуто-выпуклая линза, обращенная вогнутостью к предмеру, второй - склейка из двояковыпуклой, двояковогнутой и двояковыпуклой линз, третий - положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету.
Излучающий канал лазерного дальномера содержит два отражающих зеркала, выводящие лазерное излучение через вторую призму-куб.
Недостатками этого устройства являются сложность исполнения трех раздельных оптико-электронных каналов, в одном из которых осуществляется ручное переключение с согласующего оптического компонента при работе днем на электронно-оптический преобразователь при работе ночью, что требует применения активной подсветки при недостаточной освещенности на местности и затрудняет применение тепловизионного фотоприемника вместо электронно-оптического преобразователя. Оптическая ось излучателя лазерного дальномера размещена в стороне от призм-кубов головной части, что требует наличия двух дополнительных отражающих зеркал в излучающем канале лазерного дальномера и усложняет оптический тракт излучающего канала.
Задачей настоящего изобретения является совмещение оптических осей входных зрачков визуального канала, оптико-электронного канала, приемного канала лазерного дальномера, введение в состав оптико-электронного канала двух разнесенных каналов - телевизионного и тепловизионного канала для обеспечения ночного наблюдения без применения активной подсветки, а также одновременной работы всех каналов с исключением механических переключений и упрощением оптического тракта излучающего канала.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в приборе наблюдения-прицеле с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером, содержащем головную часть, состоящую из защитного стекла и оптического элемента с отражением для вертикального наведения, визуальный оптический канал, содержащий объектив,оборачивающую систему, плоскопараллельную пластину, подвижную и неподвижную сетки и два окуляра, один из которых состоит из трех компонентов, первый из которых - положительная вогнуто-выпуклая линза, обращенная вогнутостью к предмеру, второй - склейка из двояковыпуклой, двояковогнутой и двояковыпуклой линз, третий - положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, другой окуляр, состоит из четырех компонентов, излучающий канал лазерного дальномера и приемный канал лазерного дальномера с дихроическим элементом и согласующим оптическим компонентом, в отличие от известного, содержится три дихроических элемента, первый из которых установлен после головной части и отражает видимую и коротковолновую часть ближнего ИК-излучения, пропуская длинноволновую часть ближнего ИК-излучения и тепловой диапазон ИК-излучения, причем в отраженном от первого дихроического элемента направлении расположен визуальный оптический канал, состоящий из объектива, содержащего склеенные двояковыпуклую и выпукло-вогнутую отрицательную линзы, оборачивающей системы, содержащей полупентапризму БУ-45°, зеркальная поверхность которой выполнена в виде второго дихроического элемента, отражающего видимую часть спектра, и последовательно установленную призму Шмидта с крышей БкР-45°, а также плоскопараллельной пластинки, корректирующего компонента, выполненного в виде двояковогнутой линзы, подвижной и неподвижной сеток и окуляра, при этом зеркальная поверхность полупентапризмы БУ-45°, выполненная в виде второго дихроического элемента склеена с оптическим клином, и пропускает коротковолновую часть ближнего ИК-излучения, формируя в прошедшем направлении световой пучок телевизионного канала, который содержит последовательно установленные объектив, состоящий из четырех компонентов, первый из которых положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, второй - склейка из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, третий - положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, четвертый - положительнаявыпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, и матричный телевизионный фотоприемник, при этом в прошедшем через первый дихроический элемент направлении расположен третий дихроический элемент, отражающий длинноволновую часть ближнего ИК-излучения и пропускающий тепловой диапазон ИК-излучения, причем в отраженном от третьего дихроического элемента направлении расположен приемный канал лазерного дальномера, состоящий из выпукло-вогнутой линзы и фотоприемного устройства, а в прошедшем через третий дихроический элемент направлении расположен тепловизионный канал, содержащий последовательно установленные объектив, состоящий из трех компонентов, первый из которых положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, второй - отрицательная выпукло-вогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, третий - отрицательная выпукло-вогнутая линза, обращенная выпуклостью к предмету, и матричный тепловизионный фотоприемник, причем дополнительно введены микродисплей и второй окуляр, первый компонент которого - положительная выпукло-вогнутая линза, обращенная вогнутостью к предмету, второй - склейка из плосковогнутой и двояковыпуклой линз, третий - двояковыпуклая линза, четвертый - склейка из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, а оптическая ось излучателя лазерного дальномера размещена под отражающей поверхностью элемента вертикального наведения головной части, при этом выполняется следующее соотношение:
где В - расстояние между оптическими осями первого и второго окуляров;
max
b - максимальное значение базы глаз взрослого человека;
min
b - минимальное значение базы глаз взрослого человека.
Такой прибор наблюдения-прицел обеспечивает совмещение оптических осей входных зрачков визуального канала, оптико-электронного канала, приемного канала лазерного дальномера, наличие в составе оптико-электронного канала двух разнесенных каналов - телевизионного и тепловизионного, позволяющих вести ночное наблюдение без применения активной подсветки, а также одновременную работу всех каналов с исключением механических переключений и упрощением оптического тракта излучающего канала.
Схема прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером показана на фигурах 1, 2 и 3.
Прибор наблюдения-прицел с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером содержит защитное стекло 1, оптический элемент с отражением для вертикального наведения 2, первый дихроический элемент 3, объектив оптического канала 4 и 5, полупентапризму 6 со дихроической зеркальной поверхностью, оптический клин 17, призму Шмидта с крышей 7, плоскопараллельную пластинку 8, корректирующую линзу 9, подвижную 10 и неподвижную 11 сетки, первый окуляр 12, 13, 14, 15 и 16, объектив телевизионного канала 18, 19, 20, 21 и 22, матричный телевизионный фотоприемник 23, третий дихроический элемент 24, объектив 25 приемного канала лазерного дальномера, фотоприемное устройство 26, тепловизионный объектив 27, 28 и 29, матричный тепловизионный фотоприемник 30, излучатель 31 с телескопической системой излучающего канала лазерного дальномера, микродисплей 32, второй окуляр 33, 34, 35, 36, 37 и 38.
Конструктивные параметры прибора наблюдения-прицела со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения визуального канала приведены в таблице 1.
Диоптрийная наводка осуществляется подвижкой внутренних компонентов окуляра, т.е. изменением воздушных промежутков d18 и d24.
Конструктивные параметры прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения телевизионного канала приведены в таблице 2
Конструктивные параметры прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения приемного канала лазерного дальномера приведены в таблице 3.
Конструктивные параметры прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения тепловизионного канала приведены в таблице 4.
Конструктивные параметры прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером для варианта исполнения второго окуляра с микродисплеем приведены в таблице 5.
Технические параметры каналов с совмещенными оптическими осями входных зрачков приведены в таблице 6.
Принцип действия прибора наблюдения-прицела с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером заключается в следующем.
Излучение от предмета проходит через защитное стекло 1 и отражается головного зеркала 2, формируя оптическую ось «I». Первый дихроический элемент 3 осуществляет разделение светового потока по оптической оси «I» по спектру, отражая диапазон видимого и коротковолновую часть ближнего ИК-излучения и пропуская длинноволновую часть ближнего ИК-излучения и тепловой диапазон ИК-излучения.
Отраженный от первого дихроического элемента 3 поток излучения видимого и коротковолновая часть ближнего ИК-диапазонов проходит через объектив 4, 5, попадает на оборачивающую систему, состоящую из полупентапризмы БУ-45° поз. 6, видимая составляющая потока отражается от ее зеркальной грани, выполненной в виде второго дихроического элемента, проходит через вторую составляющую оборачивающей системы -призму Шмидта с крышей БкР-45° поз. 7, затем через плоскопараллельную пластинку 8, корректирующий компонент 9 и строит изображение в плоскости знаков подвижной и неподвижной сеток 10 и 11, которое рассматривается через окуляр 12, 13, 14, 15 и 16. Коротковолновая часть ближнего ИК-излучения, прошедшая через объектив 4, 5, попадает на полупентапризму БУ-45° поз. 6, проходит через дихроический элемент, нанесенный на ее зеркальную грань, оптический клин 17, склеенный с зеркальной гранью полупентапризмы БУ-45°, и попадает на объектив телевизионного канала 18, 19, 20, 21, 22, который строит изображение на фоточувствительной площадке матричного телевизионного фотоприемника 23.
Поток излучения длинноволновой части ближнего ИК-диапазона и теплового ИК-диапазона, прошедший через первый дихроический элемент 3, попадает на третий дихроический элемент 24, отражающий длинноволновую часть ближнего ИК-излучения и пропускающий тепловой диапазон ИК-излучения. Поток, отраженный от третьего дихроического элемента 24 попадает на объектив приемного канала лазерного дальномера, состоящий из выпукло-вогнутой линзы 25, фокусирующей принимаемое лазерное излучение, отраженное от объекта, на фотоприемном устройстве 26.
Прошедший через третий дихроический элемент 24 поток теплового ИК-диапазона попадает в тепловизионный объектив 27, 28, 29, который изображение в тепловом диапазоне ИК-спектра на матричный тепловизионный фотоприемник.
Изображения, построенные телевизионным и тепловизионным каналами, выводятся на микродисплей 32, расположенный в передней фокальной плоскости второго окуляра, 33, 34, 35, 36, 37, 38, с помощью которого производится визирование изображении, формируемого тепловизионным и телевизионным каналами.
Оптические оси первого и второго окуляров устанавливаются параллельно друг к другу, при этом выполняется следующее соотношение:
где В - расстояние между оптическими осями первого и второго окуляров;
max
b - максимальное значение базы глаз взрослого человека;
min
b - минимальное значение базы глаз взрослого человека.
Выполнение соотношения позволяет вести наблюдение одновременно двумя глазами, рассматривая визуальное и телевизионное/тепловизионное изображения одновременно.
Оптическая ось «II» излучателя 31 лазерного дальномера размещена под отражающей поверхностью элемента 2 вертикального наведения головной части, используя его общую отражающую поверхность для вывода лазерного излучения через защитное стекло 1.
Применение трех дихроических элементов 3, 6 и 24 в приборе наблюдения-прицеле позволяет совместить оптические оси входных зрачков визуального канала 4-16, телевизионного канала 4, 5, 6, 17-23, приемного канала лазерного дальномера 25-26 и тепловизионного канала 27-30 на одной оптической оси «I», а оптическую ось «II» излучателя 31 канала лазерного дальномера расположить параллельно оси «I» непосредственно под отражающей поверхностью элемента 2 вертикального наведения головной части, исключая какие-либо дополнительные отражающие элементы и обеспечивая одновременную работу всех каналов.
Защитное стекло 1 при этом выполняется из материала, прозрачного для видимого, ближнего ИК и теплового ИК-диапазонов, например из ZnS или ZnSe. Обеспечивается возможность ночного наблюдения в тепловой части спектра независимо от наличия внешней освещенности без применения активной подсветки.
Разрешающая способность визуального 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, прибор наблюдения-прицел с совмещенными оптическими осями входных зрачков рабочих каналов и со встроенным лазерным дальномером позволяет объединить оптические оси входных зрачков четырех каналов - визуального, телевизионного, приемного канала лазерного дальномера и тепловизионного канала - в одну оптическую ось с возможностью одновременной работы всех четырех каналов, обеспечивая ночное наблюдение при недостаточной внешней освещенности без применения активной подсветки, с сохранением качества оптического изображения и с возможностью размещения излучателя канала лазерного дальномера под одним головным элементов вертикального наведения.