ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЦЕЛ С ЛАЗЕРНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ
OPTICAL LASER RANGE-FINDER SIGHT

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено в качестве прицела с коллиматорным вводом прицельной сетки и с функцией измерения дальности, используемого в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известен оптический прицел, обладающий свойствами коллиматорного прицела (см. патент РФ №2364898), содержащий светоделительный куб, расположенный перед окуляром, и две прицельные сетки, расположенные одна перпендикулярно, а другая параллельно оптической оси прицела.
Недостатком этой оптической системы является соответствие первоначально введенного угла прицеливания на второй сетке только одному значению увеличения панкратической системы, а при изменении увеличения прицела будет пропорционально изменяться первоначально введенный угол прицеливания, так как и первая прицельная сетка и светоделительный куб для ввода прицельной сетки расположены перед окуляром и после панкратической оборачивающей оптической системы.
Также в таком прицеле для ввода угла прицеливания необходимо применять отдельно устанавливаемый дальномер, что вносит ошибки от параллакса системы «прицел-дальномер».
Наиболее близким по технической сущности является прицел с лазерным дальномером Zeiss Victory Diarance 3-12×26Т (Статья «Измерить и убить», журнал «Популярная механика», №4(66), апрель 2008 г., стр. 75-78), оптическая система которого принята за прототип. Прицел содержит оптическую систему визуального прицельного канала, состоящую из последовательно установленных объектива, спектроделительного куба, первой прицельной сетки, линзовой панкратической оборачивающей системы, второй прицельной сетки и окуляра, причем спектроделительный куб формирует приемный канал дальномера, в котором установлено фотоприемное устройство, использующий тот же объектив прицельного канала для фиксации импульса от излучателя лазерного канала.
Недостатком этой оптической системы является наличие отдельного излучателя лазерного канала, использующего собственный объектив, что увеличивает габаритные размеры прицела, а также вносит ошибки от параллакса при наведении на цель и при измерении дальности.
Задачей настоящего изобретения является создание оптического панкратического прицела с функцией измерения дальности и со свойствами коллиматорного прицела, имеющего один общий входной зрачок для прицельного визуального канала, для излучающего канала и для приемного канала лазерного дальномера и обеспечивающего постоянство введенного угла прицеливания при любых значениях углового увеличения прицела и отсутствие ошибок от параллакса при измерении дальности.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптическом прицеле с лазерным дальномером, содержащим основной объектив, спектроделительный куб, отражающий дальномерный канал с фотоприемным устройством, линзовую оборачивающую систему и окуляр, в отличие от известного между спектроделительным кубом и панкратической оборачивающей системой установлена двухкомпонентная оптика сопряжения, первый компонент которой выполнен в виде положительной линзы, второй - в виде положительной линзы и отрицательного мениска, между компонентами оптики сопряжения установлен светоделительный куб, отражающий коллиматорный канал с двухкомпонентным объективом, состоящим из отрицательного мениска и положительной линзы, и микродисплей, а отражающий дальномерный канал после спектроделительного куба содержит коллимирующую отрицательную линзу, четвертьволновую фазовую пластинку, поляризационный сплиттер, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит объектив сопряжения, выполненный в виде положительной линзы, причем между подвижными компонентами оборачивающей системы установлена неподвижная коллективная линза, а перемещение подвижных компонентов оборачивающей системы осуществляется в противоположных направлениях, при этом выполняются следующие соотношения:
1
где O - оптическая сила первого компонента оптики сопряжения;
мд
О - оптическая сила объектива микродисплея;
об
L - линейное поле зрения основного объектива;
мд
L - линейный размер информационного поля микродисплея;
об.с.фп.
f - фокусное расстояние объектива сопряжения приемного канала дальномера;
об.с.ли.
f - фокусное расстояние объектива сопряжения излучающего канала дальномера;
фп
d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
Такая оптическая система обеспечивает измерение лазерным дальномером дальности до объекта наблюдения через один общий входной зрачок оптической системы без ошибок параллакса, обусловленных разнесением отдельно выполненных зрачков каналов наблюдения, излучения и приема сигналов измерения дальности, а также постоянство введенного угла прицеливания при любых значениях углового увеличения прицела.
Оптическая схема прицела с лазерным дальномером приведена на фиг. 1.
Оптический прицел с лазерным дальномером содержит основной объектив, состоящий из линз 1, 2 и 3, спектроделительного куба 4 с дихроичным покрытием, пропускающим видимый спектральный диапазон и отражающим длину волны лазерного диода, оптический канал в проходящем через спектроделительный куб 4 направлении, состоящий из первого компонента оптики сопряжения, состоящего из положительной линзы 6, светоделительного куба 7 и второго компонента оптики сопряжения, состоящего из положительной линзы 8 и отрицательного мениска 9, первого подвижного компонента оборачивающей системы, состоящего из линз 10, 11 и 12, неподвижной коллективной линзы 13, второго подвижного компонента оборачивающей системы, состоящего из линз 14, 15 и 16, светофильтра 17 и окуляра, состоящего из линз 18, 19 и 20, удаленный выходной зрачок 21, коллиматорный канал в отраженном от светоделительного куба направлении, содержащий двухкомпонентный объектив, состоящий из отрицательного мениска 22 и положительной линзы 23, и микродисплей 24, дальномерный канал в отраженном от спектроделительного куба направлении, содержащий коллимирующую отрицательную линзу 25, четвертьволновую фазовую пластинку 26, поляризационный сплиттер 27, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит объектив сопряжения, выполненный в виде положительной линзы 28 и 30, в фокальной плоскости которых находятся фотоприемник 29 и лазерный диод 31.
Конструктивные параметры варианта исполнения оптического прицела с лазерным дальномером приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения оптического прицела слазерным дальномером:
Визуальный прицельный канал:
- увеличение
переменное от 4 до 16 крат;
- угловое поле зрения
переменное от 7 до 1,75°;
- линейная величина поля зрения при расстоянии 100 м
переменная от 12,2 до 3,1 м;
- предел разрешения
переменный от 16 до 4 угл. с;
- диаметр входного зрачка
48 мм;
- диаметр выходного зрачка
Переменный от 12 до 3 мм;
- удаление выходного зрачка
60 мм;
Коллиматорный канал:
- расчетная длина волны
0,587 мкм;
- линейная величина поля зрения
переменная от 12 до 3 мм;
- эквивалентное фокусное расстояние
переменное от -28 до -7 мм;
- передняя числовая апертура
переменная
от 0,084 до 0,317;
- диаметр выходного зрачка
4,5 мм;
- удаление выходного зрачка
60 мм;
Дальномерный канал:
- расчетная длина волны
0,905 мкм;
- фокусное расстояние
120 мм;
- задний фокальный отрезок
9,92 мм;
- диаметр выходного (входного) окна
48 мм;
- относительное отверстие эквивалентного объектива
1:2,5
- вариант предполагает одинаковые фокусные расстояния объективов сопряжения в излучающем и в приемном каналах. Подбор других значений фокусных расстояний осуществляется перерасчетом значений R52 и R53 для каждого из каналов.
Принцип действия оптического прицела с встроенным лазерным дальномером заключается в следующем.
Основной объектив, состоящий из трех компонентов 1, 2 и 3 в сочетании со спектроделительным кубом 4, является единым входным зрачком для трех каналов - визуального прицельного, излучающего дальномерного и приемного дальномерного, работающих в различных спектральных диапазонах.
Оптический канал в проходящем через спектроделительный куб направлении состоит из первого компонента оптики сопряжения, состоящего из положительной линзы 6, уменьшающей расходимость лучей для светоделительного куба 7, формирующего коллиматорный канал. Второй компонент оптики сопряжения, состоящий из положительной линзы 8 и отрицательного мениска 9, формирует сходящиеся пучки для первого подвижного компонента оборачивающей системы, состоящего из линз 10, 11 и 12. Неподвижная коллективная линза 13 служит для уменьшения световых диаметров второго подвижного компонента оборачивающей системы, состоящего из линз 14, 15 и 16. Светофильтр 17 типа ОС-12 установлен перед окуляром и обеспечивает улучшение работы с прицелом в пасмурную погоду, повышая контрастность изображения, а также при появлении дымки в воздухе и при работе на максимальных дистанциях при большом увеличении, так как он хорошо поглощает синие и фиолетовые лучи. Окуляр, состоящий из линз 18, 19 и 20, обеспечивает требуемое удаление выходного зрачка 21.
Изменение увеличения визуального канала обеспечивается перемещением первого подвижного компонента оборачивающей системы по линейному закону движения, при этом перемещение второго подвижного компонента осуществляется в противоположном направлении. Для сохранения положения плоскости наилучшей установки (ПНУ) второй компонент перемещается по нелинейному закону движения в соответствии с графиком, показанным на фиг. 2, чем обеспечивается разрешающая способность визуального канала от 16 до 4″ (при увеличениях 4 и 16 крат соответственно).
Коллиматорный канал сформирован в отраженном от светоделительного куба направлении и содержит двухкомпонентный объектив, состоящий из отрицательного мениска 22 и положительной линзы 23, и микродисплей 24. Для обеспечения видимости информационного поля микродисплея без срезания в поле зрения визуального канала оптическая сила двухкомпонентного объектива выбирается из соотношения:
1
где O - оптическая сила первого компонента оптики сопряжения (41, 58);
мд
О - оптическая сила объектива микродисплея;
об
L - линейное поле зрения основного объектива (~12,36 мм);
мд
L - линейный размер информационного поля микродисплея (~12 мм);
мд
мд
Подставляя величины, получаем, что О должно быть ≤42,82 (а значение О в оптической схеме по табл. 1 равно 40,08, что соответствует соотношению).
Дальномерный канал в отраженном от спектроделительного куба направлении (спектральный диапазон дальномерного канала (0,9÷0,95) мкм) содержит коллимирующую отрицательную линзу 25, создающую афокальную оптическую систему, после которой формируется параллельный пучок лучей. В параллельных пучках афокальной оптической системы дальномерного канала установлена четвертьволновая фазовая пластинка 26 и поляризационный сплиттер 27, разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых работает с лучами, поляризованными сплиттером 27 во взаимно перпендикулярных направлениях. В каждом из сформированных сплиттером каналах установлен объектив сопряжения, выполненный в виде положительной линзы 28 и 30, в фокальной плоскости которых находятся фотоприемник 29 и лазерный диод 31.
В излучающем канале (например, в отраженном сплиттером 27) установлен лазерный диод 31, излучение которого линейно поляризовано, а плоскость линейной поляризации его излучения выставлена соответственно полному отражению поляризационного сплиттера 27. При этом ориентация главных осей четвертьволновой пластинки 26 выставляется под углом 45° к плоскости линейной поляризации лазерного диода 31. При такой ориентации после четвертьволновой пластинки 26 линейно поляризованный свет преобразуется в свет с круговой поляризацией.
Свет с круговой поляризацией проходит через линзу 25, отражается от гипотенузной грани спектроделительного кубика 4 и проходит далее компоненты 3, 2 и 1 основного объектива в направлении объекта наблюдения. При отражении от объекта наблюдения направление вращения круговой поляризации меняется на противоположное, отраженный свет последовательно проходит через компоненты 1, 2, 3, 4 и 25 до четвертьволновой пластинки 26. Четвертьволновая пластинка 26 преобразует отраженный свет с измененным направлением вращения круговой поляризации в свет с линейной поляризацией, но направление которой повернется на 90°, т.е. направление линейной поляризации вернувшегося света после прохождения четвертьволновой пластинки 26 будет ориентировано уже перпендикулярно от первоначальной линейной поляризации лазерного диода. Далее свет с поляризацией, повернутой на 90° относительно исходной, пройдет поляризационный сплиттер 27 без отражения в приемный канал на объектив 28 и на фотоприемник 23 с минимальными потерями на пропусканиях и отражениях.
Для исключения апертурных энергетических потерь при измерении дальности до цели поле зрения приемного канала должно превышать поле зрения излучающего канала, для чего фокусные расстояния объективов сопряжения излучающего канала 30 и приемного канала 28 выбираются из соотношения
об.с.фп.
где f - фокусное расстояние объектива сопряжения приемного канала дальномера;
об.с.ли.
f - фокусное расстояние объектива сопряжения излучающего канала дальномера;
фп
d - размер чувствительной площадки фотоприемника дальномера;
ли
d - размер излучающей площадки лазерного диода дальномера.
По регистрации времени излученного и принятого импульсов вычисляется дистанция до цели.
Дальномерный канал обеспечивает величину размера пятна рассеивания на цели - не более 2,2 м по среднеквадратичному отклонению при дистанции до цели 1000 метров, по максимальному геометрическому отклонению - 3,1 м, что вполне допустимо при измерениях дальности.