СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, более конкретно - к телевизионным системам наблюдения, работающим в дневное время суток.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является телевизионная система наблюдения [1], содержащая установленные последовательно на одной оси объектив и расположенный в его фокальной плоскости матричный приемник оптического излучения на основе ПЗС-матрицы с электронным устройством формирования видеосигнала.
Основными недостатками известной системы наблюдения являются сложность получения высококачественного изображения удаленных объектов вследствие широкой области спектральной чувствительности ПЗС-матриц и других матричных приемников, обычно составляющей 350-1050 нм, что требует использования сложных высококачественных объективов, и пониженного контраста изображения в области спектра излучения менее 550 нм, что снижает дальность обнаружения и распознавания объектов, а также незащищенность ПЗС-матрицы от воздействия внешнего теплового излучения, что критично, например, при попадании солнца в поле зрения системы наблюдения, от воздействия внешнего электромагнитного излучения, что весьма критично при работе системы наблюдения в составе сложных оптико-электронных комплексов, от воздействия лазерных средств противника с целью «ослепления» или обнаружения данной системы наблюдения, и сложность организации обогрева входной поверхности объектива для устранения ее запотевания. Кроме того, не обеспечена возможность изменения спектрального или интегрального пропускания оптической системы для улучшения видения объектов в различных условиях освещения, например, в сумерках или при высокой освещенности местности, а также отсутствует защита объектива от механических повреждений.
Задачами полезной модели являются увеличение дальностей обнаружения и распознавания объектов наблюдения в реальных условиях эксплуатации, улучшение видимости объектов в различных условиях освещения, обеспечение защиты матричных приемников оптического излучения от воздействия внешнего теплового излучения, электромагнитного излучения и лазерных средств воздействия противника, а также упрощение организации обогрева входной поверхности оптического тракта системы наблюдения и обеспечение защиты объектива от механических повреждений.
min
Для решения указанных задач в систему наблюдения, содержащую установленные последовательно на одной оси объектив и расположенный в его фокальной плоскости матричный приемник оптического излучения с электронным устройством формирования видеосигнала, выход которого подключен к монитору, введен первый светофильтр, расположенный на оптической оси объектива перед матричным приемником оптического излучения, область спектрального пропускания которого ограничена, по меньшей мере, со стороны малых длин волн света значением λ≥0,55 мкм, и введено защитное стекло, установленное перед объективом так, что нормаль к его входной поверхности образует с оптической осью объектива угол, отличный от нуля. В данную систему наблюдения может быть введен, по меньшей мере, второй светофильтр, область спектрального пропускания которого отлична от области спектрального пропускания первого светофильтра, при этом каждый светофильтр установлен с возможностью введения в ход лучей света или выведения из него. Второй светофильтр может быть выполнен в виде прозрачной оптической пластины или в виде ослабителя мощности излучения, который, в частности, может быть выполнен в виде узкополосного светофильтра. В систему наблюдения может быть введена апертурная диафрагма, установленная на оптической оси объектива с возможностью ее вывода из хода лучей света, или с возможностью изменения ее диаметра для ограничения входящей в объектив световой энергии. Защитное стекло может быть выполнено из материала, пропускающего оптическое излучение рабочего диапазона, но не пропускающего
тепловое излучение, или одна из поверхностей защитного стекла может иметь покрытие, отражающее тепловое излучение, для защиты матричного приемника оптического излучения от перегрева внешним излучением. По меньшей мере, одна из поверхностей защитного стекла может иметь покрытие, отражающее часть спектра излучения, для защиты матричного приемника оптического излучения от воздействия лазерного излучения оружия противника, или токопроводящее покрытие, пропускающее оптическое излучение рабочего диапазона, для возможности обогрева защитного стекла, или покрытие с малым электрическим сопротивлением для защиты электронной части системы наблюдения от воздействия внешнего электромагнитного излучения.
min
min
Введение в систему наблюдения первого светофильтра, расположенного на оптической оси объектива перед матричным приемником оптического излучения, область спектрального пропускания которого ограничена, по меньшей мере, со стороны малых длин волн света значением λ≥0,55 мкм, обеспечивает увеличение дальностей обнаружения и распознавания объектов наблюдения в реальных условиях эксплуатации, так как в области спектра оптического излучения с длинами волн λ≥0,55 мкм повышается контраст объектов наблюдения [2].
Введение защитного стекла, установленного перед объективом так, что нормаль к его входной поверхности образует с оптической осью объектива угол, отличный от нуля, обеспечивает возможность защиты матричного приемника оптического излучения от внешних воздействий различного происхождения и от механического повреждения объектива, а также исключает возможность обнаружения системы наблюдения противником с помощью лазерных средств по блику от защитного стекла.
Введение, по меньшей мере, второго светофильтра, область спектрального пропускания которого отлична от области спектрального пропускания первого светофильтра, при этом каждый светофильтр установлен с возможностью введения в ход лучей света или выведения из него, обеспечивает улучшение видимости объектов наблюдения в различных условиях освещения,
так как путем смены светофильтров достигается изменение коэффициента светопропускания оптического тракта системы наблюдения или спектрального состава оптического излучения, взаимодействующего с матричным приемником оптического излучения.
В частном случае выполнение второго светофильтра в виде прозрачной оптической пластины обеспечивает улучшение видимости объектов в условиях глубоких сумерек, так как введение такой пластины вместо первого светофильтра увеличивает мощность падающего на матричный приемник оптического излучения, а, следовательно, и отношение сигнал/шум в изображении, наблюдаемом оператором на экране монитора.
В другом частном случае, когда второй светофильтр выполнен в виде ослабителя мощности излучения, его введение в ход лучей в условиях высокой освещенности наблюдаемой сцены исключает искажения изображения, вызванные избытком фотоэлектронов в матричном приемнике оптического излучения, и обеспечивает возможность нормальной работы системы наблюдения.
Введение в систему наблюдения апертурной диафрагмы, установленной на оптической оси объектива с возможностью ее вывода из хода лучей света, или с возможностью изменения ее диаметра для ограничения входящей в объектив световой энергии приводит к такому же эффекту.
Выполнение второго светофильтра в виде ослабителя мощности излучения, представляющего собой полосовой светофильтр, обеспечивает улучшение видимости объектов наблюдения не только за счет устранения избыточной освещенности матричного приемника оптического излучения, но и за счет увеличения контраста изображения благодаря сужению рабочей области спектра, особенно при выборе светофильтра со смещенной в инфракрасную область спектра полосой пропускания.
Выполнение защитного стекла из материала, пропускающего оптическое излучение рабочего диапазона, но не пропускающего тепловое излучение, или нанесение на одну из поверхностей защитного стекла покрытия,
отражающего тепловое излучение, обеспечивает защиту матричного приемника оптического излучения от перегрева внешним излучением.
Выполнение одной из поверхностей защитного стекла с покрытием, отражающим часть спектра излучения, обеспечивает защиту матричного приемника оптического излучения от воздействия лазерного оружия противника. Эта же задача решается в случае выполнения второго светофильтра в виде ослабителя мощности излучения, в случае его выполнения из материала, не пропускающего излучение лазера, например, при генерации на длине волны 0,92 мкм.
Выполнение защитного стекла с токопроводящим покрытием, пропускающим оптическое излучение рабочего диапазона, обеспечивает возможность обогрева защитного стекла, а с покрытием, имеющим малое электрическое сопротивление, обеспечивает защиту электронной части системы наблюдения от воздействия внешнего электромагнитного излучения через объектив системы наблюдения.
На фиг.1 изображена принципиальная схема системы наблюдения, на фиг.2 показан пример выполнения защитного стекла системы наблюдения.
Система наблюдения включает (фиг.1) объектив 1, матричный приемник 2 оптического излучения, например, ПЗС-матрицу, размещенную совместно с электронным устройством 3 формирования видеосигнала на печатной плате 4, выход которого подключен к монитору 5, на экране 6 которого наблюдается видеоизображение, первый и второй светофильтры 7 и 8 соответственно, апертурную диафрагму 9, расположенную в данной реализации между объективом 1 и ПЗС-матрицей 2 на оптической оси объектива с возможностью вывода за пределы хода лучей света, формирующего оптическое изображение, а также защитное стекло 10, установленное так, что нормаль к его входной поверхности образует угол α=7° с оптической осью объектива 1.
Чувствительная площадка ПЗС-матрицы установлена в фокальной плоскости объектива 1. Первый светофильтр 7 пропускает оптическое излучение в области спектра 600...850 нм и может быть выполнен
из цветного стекла КС 13 и блокирующего фильтра типа БД[(88ИЭх41ИЭ)хn][(88ИЭх41ИЭ)х7]х88ИЭ.41ИЭхn по ОСТ 3-854-88.
Второй светофильтр 8 пропускает оптическое излучение в области спектра 780...850 нм и может быть выполнен в виде подложки из цветного стекла, отрезающего область спектра менее 780 нм (стекло RG780), и интерференционного длинноволнового блокирующего фильтра типа БД[(88ИЭх41ИЭ)хn][(88ИЭх41ИЭ)х7]х88ИЭ.41ИЭхn по ОСТ 3-854-88. Он может быть выполнен также в виде ослабителя мощности излучения в широкой области спектра или в виде прозрачной оптической пластины, в зависимости от специфики применения системы наблюдения. Светофильтры 7 и 8 установлены с возможностью последовательного введения в ход лучей света, формирующего изображение в плоскости чувствительной площадки ПЗС-матрицы 2. В зависимости от конструктивного исполнения они могут быть размещены непосредственно около ПЗС-матрицы, перед объективом 1 или же внутри него, а также в качестве одного из светофильтров может быть использовано защитное стекло, выполненное из соответствующего оптического материала.
На входной поверхности защитного стекла 10 нанесено токопроводящее покрытие и к нему припаяны электроды (на фиг.1 не показаны) для подключения к источнику электрического напряжения. Защитное стекло 10 может быть изготовлено из кварцевого стекла, имеющего теплопроводность в 1,5 раза большую по сравнению с обычным оптическим стеклом, а также интенсивную полосу поглощения в интервале длин волн 2600...2800 нм, а на его выходной поверхности может быть нанесено многослойное диэлектрическое покрытие, отражающее излучение в области спектра 900...1100 нм, что исключает вхождение в систему наблюдения излучения от мощных лазерных источников, обеспечивающих генерацию на длинах волн 920 нм, 980 нм, 1060 нм, наиболее часто используемых для «ослепления» противника или для обнаружения оптических систем. Защитное стекло 10 может быть изготовлено также из обычного оптического стекла, а на его выходной поверхности может быть нанесено теплоотражающее покрытие 69/58ИЭ.41ИЭ по ОСТ 3-1901-95,
1
2
имеющее коэффициент отражения около 80% для области спектра излучения 2500...25000 нм. Защитное стекло 10 может быть составным, например, из двух плоскопараллельных пластин (фиг.2). В этом случае теплозащитное покрытие может быть нанесено на второй поверхности, а на третьей и четвертой поверхностях составного защитного стекла 10 могут быть нанесены покрытия, отражающие лазерное излучение различных длин волн λ и λ. Если система наблюдения предназначена для работы в условиях повышенного внешнего электромагнитного излучения, на одной из поверхностей защитного стекла может быть нанесено покрытие с малым электрическим сопротивлением, например, покрытие на основе золота. Второй светофильтр 8 в качестве ослабителя может быть также изготовлен из материала, не пропускающего мощное лазерное излучение, например, с длиной волны 1,06 мкм, для исключения разрушения матричного приемника лазерным оружием противника.
Система наблюдения работает следующим образом.
Оптическое излучение от объектов наблюдения проходит защитное стекло 10, затем объектив 1, первый светофильтр 7 и попадает на чувствительную площадку ПЗС-матрицы 2. Сформированное в плоскости чувствительной площадки ПЗС-матрицы 2 оптическое изображение объектов преобразуется ПЗС-матрицей 2 в электронное, которое в свою очередь электронным устройством 3 формирования видеосигнала преобразуется в видеосигнал, передаваемый на монитор 5, на экране 6 которого оператор наблюдает изображение объектов наблюдения. При средних уровнях освещенности наблюдаемой сцены, примерно 20-30000 люкс, благодаря тому, что первый светофильтр 7 имеет область пропускания оптического излучения 600...850 нм, смещенную в сторону больших длин волн, изображение отличается повышенным контрастом, что обеспечивает повышенные дальности обнаружения и распознавания объектов наблюдения.
При пониженной освещенности наблюдаемой сцены (менее 20 люкс) изображение теряет контраст и размывается из-за ослабления оптического сигнала в чувствительной плоскости матричного приемника 2 и резкого
уменьшения отношения сигнал/шум. В этом случае в ход лучей света вместо первого светофильтра 7 вводят второй светофильтр 8, выполненный в виде прозрачной оптической пластины или в виде светофильтра, имеющего расширенную полосу пропускания, например, 450...950 нм, по сравнению с полосой пропускания первого светофильтра. В обоих случаях вследствие увеличения мощности оптического излучения, поступающего на ПЗС-матрицу 2, отношение сигнал/шум увеличивается и качество изображения объектов наблюдения улучшается.
При повышенной освещенности наблюдаемой сцены (более 30000 люкс) в чувствительном слое элементарных площадок ПЗС-матрицы 2 образуется избыток фотоэлектронов, что отражается на качестве наблюдаемого на экране 6 монитора 5 изображения, в котором появляются зоны яркой засветки и существенное искажение многих элементов, вплоть до их исчезновения. В этом случае в ход лучей света вводят второй светофильтр 8, выполненный в виде ослабителя мощности оптического излучения в широком диапазоне длин волн или в виде полосового светофильтра, например, с полосой пропускания 780...850 нм. Второй вариант имеет предпочтение, так как вследствие малой спектральной полосы пропускания второго светофильтра 8 контраст изображения наиболее высок, что обеспечивает максимальную дальность обнаружения или распознавания объектов наблюдения.
Как пример выполнения система наблюдения может быть снабжена апертурной диафрагмой 9, ограничивающей входящую в систему наблюдения мощность излучения, которая может вводиться в ход лучей света при повышенной освещенности наблюдаемой сцены, или может быть использована апертурная диафрагма 9 с переменным диаметром входного отверстия. В этом случае ее действие эквивалентно введению второго светофильтра 8, выполненного в виде широкополосного ослабителя мощности оптического излучения, но имеет преимущество в том, что ее введение не ухудшает контраст наблюдаемого изображения, так как в ходе лучей света остается первый светофильтр 7, а, следовательно, не приводит к снижению контраста
изображения и уменьшению дальности обнаружения или распознавания объектов наблюдения.
Если система наблюдения предназначена для работы в условиях повышенного внешнего электромагнитного или теплового излучения, в ней используется защитное стекло 10, на одной из поверхностей которого нанесено покрытие с малым электрическим сопротивлением, например, покрытие на основе золота, или покрытие, отражающее тепловое излучение. При наличии на защитном стекле покрытия с малым электрическим сопротивлением внешнее электромагнитное излучение экранируется этим покрытием и не проникает внутрь системы наблюдения. Тепловое излучение значительно ослабляется, отражаясь от покрытия защитного стекла.
При работе в условиях значительных перепадов температур или в условиях повышенной влажности в системе наблюдения используется защитное стекло 10 с токопроводящим покрытием на его передней рабочей поверхности. При появлении на этой поверхности запотевания, что приводит к резкому ухудшению качества наблюдаемого изображения, оператор включает систему обогрева. Электрический ток, протекая по токопроводящему покрытию, нагревает его, и запотевание исчезает, а высокое качество изображения на экране монитора 5 восстанавливается.
При использовании системы наблюдения в условиях возможного применения противником лазерного оружия с целью обнаружения, ослепления или разрушения системы наблюдения используется защитное стекло 10, имеющее на одной из его поверхностей покрытие, отражающее оптическое излучение в области длины волны излучения соответствующего лазера. В этом случае излучение лазера отражается от покрытия защитного стекла, например, вниз благодаря его наклону к оптической оси объектива. Таким образом, это излучение не попадает в систему наблюдения и она не обнаруживается противником. В случае возможного использования противником лазерного оружия с излучением на различных длинах волн используется защитное стекло
10, имеющее различные покрытия на его различных рабочих поверхностях, от которого отражаются соответствующие лазерные лучи.
1
2
При необходимости использования большего количества покрытий на рабочих поверхностях защитного стекла используется составное защитное стекло 10, например, как показано на фиг.2. В этом случае на его первой поверхности может быть нанесено токопроводящее покрытие, на второй - покрытие, отражающее внешнее тепловое или электромагнитное излучение, на третьей и четвертой поверхностях - покрытие, отражающее лазерное излучение в области длин волн λ и λ.
Таким образом, предлагаемая система наблюдения обеспечивает не только увеличение дальностей обнаружения и распознавания объектов в реальных условиях эксплуатации, улучшение видимости в различных условиях освещения, но и обладает повышенной защищенностью от воздействия мощного внешнего теплового или электромагнитного излучения, лазерных средств противодействия противника, а также исключает запотевание защитного стекла при резких колебаниях температуры, что также обеспечивает улучшение видимости наблюдаемых объектов.
Источники информации
1. Телевизионные камеры. Каталог фирмы ЭВС. Санкт-Петербург, 2004 г., с.8 - прототип.
2. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы обзора пространства: системы телевидения. Ленинград, «Машиностроение» - Ленинградское отделение, 1988 г.