Очки ночного видения
NIGHT VISION GOGGLES

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве прибора наблюдения днем и ночью в самых разнообразных условиях эксплуатации, для поиска пострадавших в результате промышленных и природных катастроф в условиях ограниченной видимости, для контроля за перемещением транспорта и людей, для служб охраны различных объектов, определения мест возможных возгораний, для прицеливания и стрельбы из укрытия в любое время суток и т.д.
Известны псевдобинокулярные очки ночного видения, обеспечивающие возможность наблюдения объектов по их отраженному и собственному тепловому излучению (патент RU 2242777 С1, опубл. 20.12.2004), содержащие входной объектив, электронно-оптический преобразователь и псевдобинокулярную систему, включающую лупу и прямоугольную призму, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе. Также содержится дополнительная лупа, индикатор и съемный модуль матричного фотоприемного устройства с инфракрасным объективом на входе, выход которого подключен ко входу индикатора. Прямоугольная призма установлена с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы.
Недостатком этих очков ночного видения является невозможность одновременного наблюдения объектов в комбинированном режиме, совмещающем тепловизионное и электронно-оптическое изображения, а также значительный габаритный размер по оси визирования, обусловленный последовательным расположением компонентов ночных очков, чем затрудняется их использование в отсеках управления боевых машин при вождении и при пешем передвижении по лесистой местности.
Наиболее близкими по технической сущности являются очки ночного видения (варианты), содержащие две ветви наблюдения, каждая из которых включает объектив, матричное фотоприемное устройство с максимумом чувствительности в инфракрасной области спектра, блок управления, монитор, окуляр и плоское зеркало, установленное под углом к оси окуляра между ним и его выходным зрачком (патент RU 2279110 С1, опубл. 27.06.2006). В одном из вариантов очков ночного видения матричное фотоприемное устройство выполнено в одной ветви наблюдения с максимумом чувствительности в диапазоне длин волн 0,9…1,1 мкм, а в другой ветви - либо в диапазоне длин волн 3…5 мкм, либо 8…12 мкм, а объективы этих ветвей наблюдения выполнены из материала, прозрачного для диапазона длин волн соответственно либо 3…5 мкм, либо 8…12 мкм. Здесь обеспечивается возможность одновременного наблюдения изображения слабо освещенной местности и тепловизионного изображения замаскированных на местности людей или теплокровных животных, что особенно важно для разведчиков и охотников.
Недостатком этих очков ночного видения является сложность конструктивного исполнения, а также большие габаритные размеры, обусловленные последовательным расположением компонентов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Так, в вертикальном направлении в каждом из каналов располагается призма, окуляр и экран, а над ними располагаются каналы преобразования изображения в вариантах (телевизионный, тепловизионный, электронно-оптический), содержащие зеркальные элементы и фотоприемные устройства. Соответственно в горизонтальном направлении последовательно вдоль оси визирования расположены объективы каналов и фотоприемные устройства, либо преломляющие (отражающие) элементы. Отметим, что объективы здесь показаны весьма условно в виде схематического изображения двух склеенных линз, на практике это сложные многолинзовые системы с протяженным размером по оптической оси, к которому добавляется рабочий отрезок и размер фотоприемника, либо расстояние до преломляющего (отражающего) элемента и его размер. Как следствие, размеры очков ночного видения возрастают еще и в вертикальном направлении. Также недостатком является значительное расстояние между входными оптическими осями телевизионного и тепловизионного каналов преобразования изображения, практически равное базе глаз наблюдателя (~64÷65 мм), так как каждый из каналов располагается над одним из окуляров. Это не позволяет эффективно использовать режим одновременного (комплексированного) наблюдения телевизионного и тепловизионного изображений, так как при этом безусловно присутствует двоение изображения на всех дистанциях, отличных от дистанции заводской юстировки, на которой осуществляется сведение осей каналов («Практика конструктора оптико-электронной техники и техники ночного видения», Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н., ОАО «Ростовский оптико-механический завод», 2013 г., глава 1.2.2). Также здесь не учтены габаритные размеры элементов питания, занимающих значительный объем пространства при компоновке.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструктивного исполнения, уменьшение габаритных размеров в вертикальном и в горизонтальном направлениях с учетом встраиваемых элементов питания, а также уменьшение расстояния между входными оптическими осями телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в очках ночного видения, содержащих две ветви наблюдения для разных спектральных диапазонов - телевизионного и тепловизионного, каждая из которых включает объектив и систему преобразования изображения, блок управления, окуляр и микродисплей, расположенный в предметной плоскости окуляра, в отличие от известного, содержатся защитное стекло и прямоугольная призма с отражающими гранями, за каждой из которых последовательно установлены объектив и система преобразования изображения телевизионной и тепловизионной ветвей наблюдения соответственно, причем микродисплей, окуляр, выходной зрачок окуляра и глаз наблюдателя каждой ветви расположены на одной оптической оси, а оптические оси объективов телевизионной и тепловизионной ветвей параллельны друг другу и расположены над микродисплеями в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров, элементы питания расположены между микродисплеями, а блок управления встроен в системы преобразования изображения, при этом выполняются следующие соотношения:
где: Y - расстояние между оптическими осями окуляров и объективов в вертикальной плоскости;
м.д.
Н - размер микродисплея в вертикальной плоскости;
об.макс.
Н - максимальный диаметр объектива телевизионной или тепловизионной ветвей наблюдения;
X - расстояние между входными оптическими осями телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения в горизонтальной плоскости.
Такие очки ночного видения обеспечивают упрощение конструктивного исполнения, уменьшение габаритных размеров в вертикальном и в горизонтальном направлениях с учетом встраиваемых элементов питания, а также уменьшение расстояния между входными оптическими осями телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения.
Компоновочная схема очков ночного видения показана на фигуре 1, размещение очков ночного видения на голове наблюдателя показано на фигуре 2.
Очки ночного видения содержат два микродисплея 1 и 4, два окуляра 2 и 3, телевизионную систему преобразования изображения, состоящую их телевизионного фотоприемного устройства 5 и телевизионного объектива 6, общее защитное стекло 7, прямоугольную призму 8 с отражающими гранями, тепловизионную систему преобразования изображения, состоящую их тепловизионного объектива 9 и тепловизионного фотоприемного устройства 10, элементов питания 11 и 12. На фиг. 1 также показаны входные оптические оси «I» и «II» телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения соответственно.
На фигуре 2 показано расположение очков ночного видения на голове наблюдателя 13, а также показаны входные оптические оси «I» и «II» телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения.
Принцип действия очков ночного видения заключается в следующем.
Предварительно очки устанавливают (закрепляют) перед глазами наблюдателя таким образом, чтобы выходные зрачки окуляров 2 и 3 совместились с глазами наблюдателя 13. После включения электропитания очков осевым перемещением микродисплеев 1 и 4 (или осевым перемещением окуляров 2 и 3) в каждой из ветвей наблюдения вводят диоптрийную поправку под индивидуальные особенности каждого глаза наблюдателя 13 до резкого изображения экранов микродисплеев 1 и 4. Диаметры выходных зрачков окуляров 2 и 3 рассчитываются с увеличенным размером, чтобы компенсировать разную величину межзрачкового расстояния для разных наблюдателей 13.
Оптические оси объективов 6 и 9 телевизионной и тепловизионной ветвей соответственно устанавливаются параллельно друг другу и располагаются в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров 2 и 3, при этом выполняется следующее соотношение:
где: Y - расстояние между оптическими осями окуляров 2, 3 и объективов 6 и 9 в вертикальной плоскости;
м.д.
H - размер микродисплея 1 или 4 в вертикальной плоскости;
об.макс.
H - максимальный диаметр объектива телевизионной 6 или тепловизионной 9 ветвей наблюдения.
Выполнение этого соотношения позволяет минимизировать вертикальный габаритный размер очков ночного видения, а расположение объективов 6 и 9 ветвей наблюдения над микродисплеями 1 и 4 совместно с расположением элементов питания 11 и 12 между микродисплеями 1 и 4 минимизирует горизонтальный габаритный размер.
Излучение от объекта наблюдения по направлению «I» проходит через защитное стекло 7 и отражается от одной из граней прямоугольной призмы 8, фокусируясь телевизионным объективом 6 на телевизионном фотоприемном устройстве 5. Блок управления, встроенный в телевизионное фотоприемное устройство 5, устраняет искажение (зеркальный поворот изображения), вносимое гранью прямоугольной призмы 8. Излучение от объекта наблюдения по направлению «II» проходит через защитное стекло 7 и отражается от другой грани прямоугольной призмы 8, фокусируясь тепловизионным объективом 9 на тепловизионном фотоприемном устройстве 10. Блок управления, встроенный в тепловизионное фотоприемное устройство 10, устраняет искажение (зеркальный поворот изображения), вносимое гранью прямоугольной призмы 8. На экранах микродисплеев 1 и 4 формируются изображения объектов с учетом их «переворачивания» на гранях призмы 8 соответственно, при этом выполняется следующее соотношение:
об.макс.
X=(1,0÷2,0)⋅H,
где: X - расстояние между входными оптическими осями «I» и «II» телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения в горизонтальной плоскости;
об.макс.
Н - максимальный диаметр объектива телевизионной 6 или тепловизионной 9 ветвей наблюдения.
Выполнение этого соотношения позволяет уменьшить расстояние между входными оптическими осями «I» и «II» телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения, что, в свою очередь, позволяет более эффективно использовать режим одновременного (комплексированного) наблюдения телевизионного и тепловизионного изображений на каждом из микродисплеев 1 и 4, так как при этом пропорционально уменьшается эффект двоения изображения на всех дистанциях, отличных от дистанции, на которой осуществляется сведение осей «I» и «II».
м.д.
об.макс.
Принимая размер микродисплея 1 или 4 в вертикальной плоскости Н=16 мм (для типа микродисплея МДО 02), максимальный диаметр объектива телевизионной 6 или тепловизионной 9 ветвей наблюдения Н=15 мм, получаем расчетное значение минимально возможного расстояния «Y» между оптическими осями окуляров 2, 3 и объективов 6 и 9 в вертикальной плоскости составит 15,5÷31 мм, что в ~ 2 раза уменьшает вертикальный габаритный размер очков ночного видения.
Минимально возможное расстояние «X» между входными оптическими осями «I» и «II» в горизонтальной плоскости составит 15÷30 мм, что значительно меньше существующего (64÷65 мм) и в ~ 2 раза уменьшает эффект двоения изображения при использовании режима одновременного (комплексированного) наблюдения телевизионного и тепловизионного изображений на каждом из микродисплеев 1 и 4.
Таким образом, в заявляемых очках ночного видения упрощено конструктивного исполнения за счет уменьшения числа зеркально-призменных элементов до одного (используется одна прямоугольная призма с зеркальными гранями), уменьшены габаритные размеры в вертикальном и в горизонтальном направлениях за счет измененного расположения оптических компонентов с учетом встраиваемых элементов питания, а также уменьшено расстояние между входными оптическими осями телевизионной и тепловизионной ветвей преобразования изображения за счет использования близко расположенных зеркальных граней прямоугольной призмы на входе излучения в объективы телевизионной и тепловизионной ветвей.