Прибор ночного видения - дальномер с цветным изображением

Предлагаемая полезная модель относится к технике оптико-электронных приборов наблюдения, в частности, к приборам ночного видения (ПНВ).
Известен принятый за аналог ПНВ с цветным изображением (см. Волков В.Г., Гиндин П.Д. Достижения в технике видения. М.: 2019, книга 1, с. 233-234, рис. 3.7.2). ПНВ содержит объектив, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) окуляр и цветной модулятор в виде двух дисков с фильтрами. Один диск размещен перед фотокатодом ЭОП, а второй диск - на выходе экрана ЭОП. Диски жестко укреплены на оси двигателя. Диск цветного модулятора содержит секторы с R, G, В фильтрами в каждом из них. Фильтры одного цвета на обоих дисках расположены соосно, т.е. один за другим вдоль оптической оси. Вследствие вращения дисков цветного модулятора перед фотокатодом и за экраном ЭОП периодически оказываются фильтры зеленого, синего и красного цвета. В результате из светового потока на входе ЭОП фильтрами диска выделяются указанные цвета. Свет с такими же цветами выделяется вторым диском на выходе экрана ЭОП. Благодаря высокой скорости вращения дисков и инерционности зрительного аппарата человека происходит аддитивное смешение последовательно воспроизводимых синего, зеленого и красного цветов. В результате оператор наблюдает через окуляр изображение в цвете. По такому же принципу выполнен ПНВ CCNVD корпорации Tenebraex (США) (там же, с. 234-235, рис. 3.7.4, 3.7.5).
Недостатками такого устройства является наличие вращающихся элементов, невозможность дистанционной передачи изображения, его обработки в реальном масштабе времени, а также невозможность точного измерения дальности до объекта наблюдения.
Известен принятый за прототип ПНВ (там же, с. 237-238, рис. 3.7.8). ПНВ содержит последовательно установленные входной цветоделительный блок, блок ЭОП и выходной цветоделительный блок. Входной цветоделительный блок содержит два дихроичных плоских зеркала и зеркало с нейтральным отражающим покрытием. Блок ЭОП включает три канала, каждый из которых содержит ЭОП 1, ЭОП 2 и ЭОП 3 с различными люминофорами. Например, ЭОП 1 имеет люминофор со свечением в области R, ЭОП 2 - в области G, ЭОП 3 - в области В. Выходной цветоделительный блок совмещения изображений состоит из двух светоделительных зеркал с полупрозрачным отражающим покрытием и плоского зеркала. При этом на фотокатоде ЭОП 1 концентрируется световой поток спектральной области R, на фотокатоде ЭОП 2 - соответственно световой поток области G, на фото катоде ЭОП 3 - световой поток области В. Свет низкой интенсивности от звезд и Луны, отраженный от объекта наблюдения, приходит на объектив и попадает на входной цветоделительный блок, с помощью которого он разделяется на три составляющие потока, т.е. синюю, зеленую и красную в соответствии со спектральными характеристиками отражающей способности дихроичных зеркал. Каждый из каналов усиливает яркость изображения заданного спектрального диапазона (R, G, В). В результате аддитивного смешения изображений красного, синего и зеленого цветов посредством выходного цветоделительного блока в виде двух зеркал с полупрозрачным покрытием и плоского зеркала оператор через окуляр наблюдает цветное изображение объекта наблюдения.
Достоинством устройства - прототипа является отсутствие вращающихся элементов. Однако схема построения устройства обладает достаточно низкой светосилой объективов и соответственно обеспечивает низкую дальность действия. Кроме того, по-прежнему невозможны дистанционная передача изображения, его обработка в реальном масштабе времени, а также точное измерение дальности до объекта наблюдения.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение дальности действия с возможностью дистанционной передачи изображения, его обработки в реальном масштабе времени, и точного измерения дальности до объекта наблюдения.
Указанная задача решается тем, что прибор ночного видения с цветным изображением, содержащий последовательно установленные входной цветоделительный блок, блок электронно-оптических преобразователей, который содержит первый электронно-оптический преобразователь, второй электронно-оптический преобразователь и третий электронно-оптический преобразователь с различными люминофорами экранов и взаимно параллельными оптическими осями, на фотокатод каждого из которых сфокусирован соответственно первый объектив, второй объектив и третий объектив, и выходной цветоделительный блок, отличающийся тем, что в входном цветоделительном блоке на выходе первого объектива, второго объектива и третьего объектива с взаимно параллельными осями, дополнительно установлены соответственно первое, второе и третье дихроичные зеркала, выходной цветоделительный блок содержит первый, второй и третий выходные каналы со взаимно параллельными осями, каждый из которых содержит последовательно установленные на оптической оси соответственно первую, вторую и третью оптику переноса, каждая из которых состоит из первого и второго линзовых компонентов, между которыми для каждого из каналов установлены соответственно R, G, В фильтры, соответственно первая, вторая и третья телевизионные камеры, причем каждый первый линзовый компонент соответственно первой, второй и третьей оптики переноса сфокусирован на экран соответственно первого электронно-оптического преобразователя, второго электронно-оптического преобразователя и третьего электронно-оптического преобразователя, а каждый второй линзовый компонент соответственно первой, второй и третьей оптики переноса сфокусирован на матрицу ПЗС соответственно первой, второй и третьей телевизионной камеры, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока электронной обработки, первый выход которого подключен к телевизионному монитору, устройство дополнительно содержит лазерно-дальномерный канал, в состав которого входит задающий генератор импульсов, первый выход которого подключен к блоку накачки, выход которого подключен к подвижному контакту дополнительно введенного двухпозиционного переключателя, к первому неподвижному контакту которого подключен вход первого импульсного лазерного полупроводникового излучателя, ко второму неподвижному контакту которого - вход второго импульсного лазерного полупроводникового излучателя, первый импульсный лазерный полупроводниковый излучатель через первое дихроичное плоское зеркало оптически сопряжен с первым объективом, а второй импульсный лазерный полупроводниковый излучатель через второе дихроичное плоское зеркало оптически сопряжен со вторым объективом, третий объектив через третье дихроичное плоское зеркало и узкополосный фильтр оптически сопряжен с фотоприемным устройством, выход которого через усилитель подключен ко второму входу схемы сравнения, к первому входу которой подключен второй выход задающего генератора импульсов, выход схемы сравнения через измеритель временных интервалов подключен к четвертому входу блока электронной обработки, второй выход которого подключен к радиопередатчику со штыревой антенной.
Данная задача решается благодаря исполнению устройства в виде трех отдельных телевизионных (ТВ) каналов со светосильными объективами, за счет ввода блока электронной обработки с выводом видеосигнала в радиопередатчик со штыревой антенной и благодаря вводу в устройство лазерно-дальномерного канала.
Блок-схема предлагаемого устройства дана на чертеже фиг. 1. Устройство содержит входной цветоделительный блок 1, блок ЭОП электронно-оптических преобразователей (ЭОП) 2, выходной цветоделительный блок 3. Входной цветоделительный блок 1 содержит первый объектив 4, 2-й объектив 5, третий объектив 6 со взаимно параллельными оптическими осями. На выходе каждого объектива установлены соответственно первое 7, второе 8, третье 9 дихроичные плоские зеркала. Блок ЭОП 2 содержит первый ЭОП 10, второй ЭОП 11 и третий ЭОП 12 со взаимно параллельными оптическими осями. При этом первый объектив 4 сфокусирован на фотокатодпервого ЭОП 10, второй объектив 5 - на фотокатод второго ЭОП 11, третий объектив 6 - на фотокатод третьего ЭОП 12. Выходной цветоделительный блок 3 содержит первый 13, второй 14 и третий 15 выходные каналы со взаимно параллельными оптическими осями. Каждый из них содержит последовательно установленные на оптической оси соответственно первую 16, вторую 17 и третью 18 оптику переноса, состоящие из первого линзового компонента (соответственно 19, 20 и 21) и второго линзового компонента (соответственно 22, 23, 24). Между этими компонентами в каждом из каналов 13, 14, 15 установлены соответственно R фильтр 25, G фильтр 26 и В фильтр 27. На выходе вторых линзовых компонентов 22, 23 и 24 соответственно установлены первая ТВ камера 28, вторая ТВ камера 29 и третья ТВ камера 30. При этом первые линзовые компоненты 19, 20, 21 сфокусированы соответственно на экран первого ЭОП 10, второго ЭОП 11 и третьего ЭОП 12, а вторые линзовые компоненты 22, 23, 24 сфокусированы на матрицы ПЗС соответственно первой 28, второй 29 и третьей 30 ТВ камеры. Их выходы подключены соответственно к первому, второму и третьему входу блока электронной обработки (БЭО) 31, 1-й выход которого подключен к ТВ монитору 32. Таким образом, в состав устройства входят первый, второй и третий ТВ каналы. Первый ТВ канал содержит последовательно установленные на оптической оси элементы 4, 7, 10, 16, 28, второй ТВ канал - соответственно элементы 5, 8, 11, 17, 29, третий ТВ канал - соответственно элементы 6, 9, 12, 18, 30. В состав устройства входит лазерно-дальномерный канал. Он содержит задающий генератор импульсов (ЗГИ) 33, первый выход которого подключен к блоку накачки 34. На его выходе установлен двухпозиционный переключатель 35. Его подвижный контакт 36 подключен ко входу блока накачки 34. К первому неподвижному контакту 37 переключателя 35 подключен вход первого импульсного лазерного полупроводникового излучателя (ИЛПИ) 38, ко второму неподвижному контакту 39 подключен вход второго ИЛПИ 40. Первый ИЛПИ 38 через первое дихроичное плоское зеркало 7 оптически сопряжен с первым объективом 4, а второй ИЛПИ 40 через второе дихроичное зеркало 8 оптически сопряжен со вторым объективом 5. В состав лазерно-дальномерного канала входит также узкополосный фильтр 41, установленный перед фоточувствительной площадкой фотоприемного устройства (ФПУ) 42, которое оптически сопряжено через фильтр 41 и третье дихроичное плоское зеркало 9 с третьим объективом 6. Выход ФПУ 42 через усилитель 43 подключен ко второму входу схемы сравнения 44, к первому входу которой подключен второй выход ЗГИ 33. Выход схемы сравнения 44 через измеритель временных интервалов (ИВИ) 45 подключен ко четвертому входу БЭО 31, второй выход которого подключен к радиопередатчику 46 со штыревой антенной 47.
Превое дихроичное плоское зеркало 7 пропускает в области спектра R и отражает на длине волны 0,88 мкм. Второе дихроичное плоское зеркало 8 пропускает в области спектра G и отражает на длине волны 1,55 мкм. Третье дихроичное плоское зеркало 9 пропускает в области спектра В и отражает на длинах волн 0,88 мкм и 1,55 мкм. Узкополосный фильтр 41 пропускает на длинах волн 0,88 мкм и 1,55 мкм. При этом ширина полосы пропускания фильтра 41 на каждой длине волны равно спектральной полосе излучения соответственно первого ИЛПИ 38, излучающего на длине волны 0,88 мкм и второго ИЛПИ 40, излучающего на длине волны 1,55 мкм. ФПУ 42 работает в области спектра 0,8-1,7 мкм. Фотокатод ЭОП 10, 11 и 12 работает в области спектра 0,4-0,9 мкм. Экраны ЭОП 10, 11 и 12 излучают соответственно в красной, зеленой и синей областях спектра. ТВ камеры 28, 29, 30 работают в области спектра 0,4-1,1 мкм.
Устройство работает следующим образом. Для наблюдения объекта ночью и формирования его цветного изображения используется входной цветоделительный блок 1, блок ЭОП 2 и выходной светоделительный блок 3. Излучение звезд и Луны, определяющее уровень естественной ночной освещенности (ЕНО), отраженное от объекта наблюдения и окружающего его фона, приходит во входной цветоделительный блок 1. Первый объектив 4 создает изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 10 блока ЭОП 2. При этом первое дихроичное зеркало 7 пропускает свет только в пределах области спектра R. ЭОП 10 усиливает изображение по яркости и формирует его на своем экране. Изображение с экрана ЭОП 10 с помощью оптики переноса 16 (первый линзовый компонент 19 и второй линзовый компонент 22) передается на матрицу ПЗС первой ТВ камеры 28. При этом первый фильтр 25 пропускает свет только в области спектра R. ТВ камера 28 преобразует изображение в видеосигнал, поступающий на первый вход БЭО 31. Аналогичным образом второй объектив 5 создает изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 11. При этом второе дихроичное плоское зеркало 8 пропускает свет в области спектра G. ЭОП 11 усиливает изображение по яркости и формирует изображение на своем экране. Изображение с экрана ЭОП 11 с помощью оптики переноса 17 (первый 20 и второй 23 линзовые компоненты) передается на матрицу ПЗС второй ТВ камеры 29. При этом второй фильтр 26 пропускает свет только в области спектра G. ТВ камера 29 преобразует изображение в видеосигнал, поступающий на второй вход БЭО 31. Аналогичным образом третий объектив 6 создает изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 12. При этом третье дихроичное зеркало 9 пропускает свет только в пределах области спектра В. ЭОП 12 усиливает изображение по яркости и формирует изображение на своем экране. Изображение с экрана ЭОП 12 с помощью оптики переноса 18 (первый 21 и второй 24 линзовые компоненты) передается на матрицу ПЗС третей ТВ камеры 30. При этом третий фильтр 27 пропускает только в области спектра В. ТВ камера 30 преобразует изображение в видеосигнал, который поступает на третий вход БЭО 31. Он обеспечивает объединение отдельных видеосигналов в единый видеосигнал, несущий информацию о цветном изображении. Этот видеосигнал обрабатывается в БЭО 31 в реальном масштабе времени и передается с первого выхода БЭО 31 в ТВ монитор 32, на экране которого формируется цветное изображение, наблюдаемое оператором.
При необходимости точного измерения дальности до объекта наблюдения включается лазерно-дальномерный канал. В нем для работы при нормальной прозрачности атмосферы используется первый ИЛПИ 38, излучающий на длине волны 0,88 мкм, а для работы при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь, снегопад и др.) используется второй ИЛПИ 40, излучающий на длине волны 1,55 мкм. Это позволяет сэкономить ресурс работы ИЛПИ и обеспечить их функционирование в оптимальных для них условиях.
ЗГИ 33 с первого своего выхода подает синхроимпульсы на вход блока накачки 34, который формирует импульсы тока накачки. Одновременно со своего второго выхода ЗГИ 33 подает синхроимпульсы на первый вход схемы сравнения 44. Для работы при нормальной прозрачности атмосферы подвижный контакт 36 замыкается на первый неподвижный контакт 37. При этом импульсы тока накачки подаются на первый ИЛПИ 38. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 0,88 мкм. Они отражаются от первого дихроичного плоского зеркала 7 и с помощью первого объектива 4 коллимируются и направляются на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в третий объектив 6, отражаются от третьего дихроичного плоского зеркала 9, проходят через узкополосный фильтр 41 и с помощью третьего объектива 6 концентрируются на фоточувствительной площадке ФПУ 42. Оно преобразует импульсы излучения в импульсные электрические сигналы, которые после усиления в усилителе 43 поступают на второй вход схемы сравнения 44. В ней сравнивается время прихода синхроимпульсов со второго выхода ЗГИ 33 со временем прихода импульсных сигналов с выхода усилителя 43, и формируется соответствующий временной интервал, пропорциональный дальности до объекта. Он измеряется в ИВИ 45 и поступает на четвертый вход БЭО 31. В нем сигнал измеряется, микшируется с основным видеосигналом, который поступает на ТВ монитор 32, на экране которого отображается цифровое значение дальности, считываемое оператором.
При работе в условиях пониженной прозрачности атмосферы подвижный контакт 36 двухпозиционного переключателя 35 замыкается на второй неподвижный контакт 39. При этом импульсы тока накачки подаются на второй ИЛПИ 40. Он генерирует соответствующие импульсы излучения на длине волны 1,55 мкм, которые отражаются от второго дихроичного плоского зеркала 8 и с помощью второго объектива 5 коллимируются и направляются на объект наблюдения, создавая на нем пятно подсвета. Импульсы излучения, отраженные от объекта, приходят в третий объектив 6. Далее устройство работает так, как это было описано выше.
В настоящее время разработана принципиальная схема устройства и выполнено его макетирование.
Таким образом, первый 4, второй 5 и третий 6 объективы обладают при такой схеме построения устройства большей светосилой по сравнению с объективами устройства-прототипа, то и дальность предлагаемого устройство будет существенно выше, чем у устройства-прототипа.