Оптическая система прибора наблюдения
OPTICAL SYSTEM OF THE OBSERVATION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть применено для оптико-электронных приборов, используемых в самых разнообразных условиях эксплуатации.
Известен прибор наблюдения - прицел со встроенным импульсным лазерным дальномером (патент RU 2526230 С1, опубл. 20.08.2014), содержащий однократный дневной канал и многократный дневно-ночной канал с переключением визуального наблюдения на электронно-оптический преобразователь, а также канал лазерного дальномера, в котором приемная ветвь совмещена с дневным однократным каналом, а передающая ветвь выполнена отдельной.
Недостатком этой оптической системы является необходимость в активной подсветке при недостаточной освещенности на местности и сложность исполнения передающей ветви дальномерного канала прицела, вывод излучения которой обуславливает наличие частичного виньетирования в многократном дневно-ночном канале.
Наиболее близкой по технической сущности является оптическая система прибора наблюдения ТКН-3 (рис. 13, стр. 25, «Танковые приборы ночного видения, техническое описание и инструкция по эксплуатации», В.П. Тимохович, Военное издательство Министерства обороны СССР, Москва, 1973 г., 112 с.), содержащая общую входную головную призму, ночной и дневной каналы и общие для обоих каналов элементы: поворотное отражающее зеркало и две ветви, каждая из которых содержит ромбическую призму и окуляр. Ночной канал содержит объектив, состоящий из трех компонентов, первый и третий из которых - двухлинзовые склейки, второй - выпукло-вогнутый мениск, обращенный вогнутостью к изображению, электронно-оптический преобразователь, отражающие зеркала и две симметрично расположенные ветви, в каждой из которых содержится оборачивающая система, а дневной канал содержит две симметрично расположенные ветви, в каждой из которых содержится последовательно установленные объектив, призма АР-90, коллектив, отражающее зеркало и оборачивающая система, а в одной из ветвей содержится сетка с угломерной и дальномерной шкалами.
Недостатком этой оптической системы является необходимость в активной подсветке при недостаточной освещенности на местности и невысокая точность измерения дальности до целей, обусловленная методом измерения дальности по дальномерной шкале при известной высоте цели.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности ночного наблюдения при недостаточной внешней освещенности без применения активной подсветки с сохранением качества оптического изображения и возможности измерения дальности через единую входную оптику оптической системы.
Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в оптической системе прибора наблюдения, содержащей общую входную головную призму, ночной и дневной каналы и общие для обоих каналов элементы: поворотное отражающее зеркало и две ветви, каждая из которых содержит ромбическую призму и окуляр, ночной канал содержит объектив, состоящий из трех компонентов, второй из которых - выпукло-вогнутый мениск, отражающие зеркала и две симметрично расположенные ветви, в каждой из которых содержится оборачивающая система, а дневной канал содержит две симметрично расположенные ветви, в каждой из которых содержится объектив, коллектив, отражающее зеркало и оборачивающая система, в отличие от известной, ночной канал содержит объектив, первый компонент которого выполнен в виде положительного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второй компонент обращен выпуклостью к изображению, третий компонент выполнен в виде положительного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутостью к изображению, тепловизионное матричное фотоприемное устройство, оптически сопряженное с объективом, и микродисплей, оптически сопряженный с оборачивающими системами двух симметричных ветвей ночного канала, при этом выполняется следующее соотношение:
4
где d - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами объектива;
об.н.
ƒ - фокусное расстояние объектива ночного канала.
Такая оптическая система прибора наблюдения обеспечивает возможность ночного наблюдения при недостаточной внешней освещенности без применения активной подсветки.
Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что оптическая система прибора наблюдения, в отличие от известной, содержит дополнительную линзу в ночном канале между микродисплеем и оборачивающими системами, выполненную в виде положительного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутостью к микродисплею, микродисплей оптически сопряжен с оборачивающими системами двух симметричных ветвей ночного канала с учетом дополнительной линзы, при этом выполняется следующее соотношение:
д-мд
где d - расстояние между дополнительной линзой и микродисплеем;
доп.л.
ƒ - фокусное расстояние дополнительной линзы.
Такая оптическая система прибора наблюдения обеспечивает возможность улучшения качества ночного наблюдения с более высоким значением увеличения ночного канала.
Сущность изобретения по третьему варианту заключается в том, что оптическая система прибора наблюдения, в отличие от известной, содержит в каждой из ветвей дневного канала между объективом и коллективом вместо призмы АР-90 спектроделительную призму-кубик, при этом в одной из ветвей в проходящем направлении через призму-кубик установлен полупроводниковый лазерный излучатель, а в другой - приемник лазерного излучения, оптически сопряженные с соответствующими объективами дневного канала.
Такая оптическая система прибора наблюдения обеспечивает возможность точного измерения дальности через единую входную оптику оптической системы, сохраняя параметры дневного канала прибора.
Сущность изобретения по четвертому варианту заключается в том, что оптическая система прибора наблюдения, в отличие от известной, содержит в каждой из ветвей дневного канала между объективом и коллективом вместо призмы АР-90 спектроделительную призму-кубик, при этом в одной из ветвей в проходящем направлении через призму-кубик установлен приемник лазерного излучения, оптически сопряженный с соответствующим объективом дневного канала, а в другой - отрицательная двояковогнутая линза и твердотельный лазерный излучатель, при этом выполняется следующее соотношение:
о.л.-об.
где Δd - величина несовпадения задней фокальной плоскости объектива и передней фокальной плоскости отрицательной линзы;
об.д.
ƒ - фокусное расстояние объектива дневного канала.
Такая оптическая система прибора наблюдения обеспечивает увеличение дальности измерения и возможность фокусировки на заданную дальность.
Оптическая схема оптической системы прибора наблюдения по варианту 1 показана на фигуре 1.
Оптическая система прибора наблюдения содержит общую входную головную призму 1, объектив ночного канала 2, тепловизионную матрицу 4 с фотоприемным устройством 5, микродисплей 11, отражающие зеркала 13 и 14, оборачивающие системы 15, поворотное зеркало 16, ромбические призмы 17 и окуляры 18.
Конструктивные параметры варианта объектива ночного канала оптической системы прибора наблюдения приведены в таблице 1.
Параметры такого варианта исполнения объектива ночного канала оптической системы прибора наблюдения для спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм:
расчетная длина волны
10,6 мкм
фокусное расстояние
60,0 мм
диаметр входного зрачка
50,0 мм
линейное поле зрения
13,6 мм
относительное отверстие
1:1,2
Оптическая схема оптической системы прибора наблюдения по варианту 2 показана на фигуре 2.
Здесь перед микродисплеем 11 содержится дополнительная линза - положительный мениск 24.
Конструктивные параметры линзы по второму варианту исполнения оптической системы приведены в таблице 2.
Параметры такой дополнительной линзы варианта исполнения оптической системы прибора наблюдения для спектрального диапазона (0,486÷0,589) мкм:
расчетная длина волны
0,546 мкм
фокусное расстояние
26,5 мм
Расстояние между дополнительной линзой и микродисплеем составляет 4,45 мм.
Оптическая схема оптической системы прибора наблюдения по варианту 3 показана на фигуре 3.
Здесь дневной канал содержит объективы 23, призму-кубик 25 в первой ветви и призму-кубик 26 во второй, коллективы 21, полупроводниковый лазерный излучатель 27 и приемник лазерного излучения 28.
Параметры такого варианта исполнения оптической системы для ветви излучателя и ветви приемника дальномерного канала на длине волны лазерного диода 1,54 мкм:
расчетная длина волны
1,54 мкм
фокусное расстояние объектива
76,65 мм
диаметр входного зрачка
25,0 мм
эквивалентное относительное отверстие
1:3,1
апертурный угол
0÷18,5°
Вариант предполагает одинаковое эквивалентное фокусное расстояние для излучающей и приемной ветвей дальномерного канала, что обусловлено использованием одинаковых штатных объективов прибора наблюдения.
Оптическая схема оптической системы прибора наблюдения по варианту 4 показана на фигуре 4.
Здесь в одной из ветвей дневного канала содержится объектив 23, призма-кубик 25, отрицательная двояковогнутая линза 29 и твердотельный лазерный излучатель 30.
Конструктивные параметры отрицательной линзы по четвертому варианту исполнения оптической системы приведены в таблице 3.
Параметры отрицательной линзы варианта исполнения оптической системы прибора наблюдения для излучающей ветви дальномерного канала:
расчетная длина волны
1,54 мкм
фокусное расстояние объектива
76,65 мм
фокусное расстояние отрицательной линзы
-7,85 мм
Увеличение афокальной системы из объектива 23 и отрицательной линзы 29 при совпадении задней фокальной плоскости объектива 23 и передней фокальной плоскости отрицательной линзы. 29 составляет 9,76 крат.
Принцип действия оптической системы прибора наблюдения заключается в следующем.
Общая входная головная призма 1 является единым входным окном для объектива ночного канала 2 и двух дневных объективов 23. Общими для обоих каналов являются также следующие элементы: поворотное отражающее зеркало 16 и две ветви, каждая из которых содержит ромбическую призму 17 и окуляр 18. Объектив ночного канала состоит из первого компонента, который выполнен в виде положительного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутостью к изображению, второго компонента, обращенного выпуклостью к изображению и третьего компонента, выполненного в виде положительного выпукло-вогнутого мениска, обращенного вогнутостью к изображению. С объективом ночного канала 2 оптически сопряжена тепловизионная матрица 4 с фотоприемным устройством 5, которая формирует тепловизионное изображение и передает его на микродисплей 11, оптически сопряженный с оборачивающими системами 15 двух симметричных ветвей ночного канала, при этом выполняется следующее соотношение:
4
где d - расстояние вдоль оптической оси между вторым и третьим компонентами объектива 2;
об.н.
ƒ - фокусное расстояние объектива 2 ночного канала.
Такой ночной канал оптической системы прибора наблюдения обеспечивает возможность ночного наблюдения в тепловой части спектра независимо от наличия внешней освещенности и не требует применения активной подсветки.
Принцип действия оптической системы прибора наблюдения по варианту 2 заключается в том, что перед микродисплеем 11 содержится дополнительная линза, выполненная в виде положительного выпукло-вогнутого мениска 24, обращенного вогнутостью к микродисплею 11, который уменьшает значение эквивалентного фокусного расстояния окулярной части системы, чем создает дополнительный увеличивающий эффект. Микродисплей 11 оптически сопряжен с оборачивающими системами 15 двух симметричных ветвей ночного канала с учетом дополнительной линзы 24, при этом выполняется следующее соотношение:
л-мд
где d - расстояние между дополнительной линзой 24 и микродисплеем 11;
доп.л.
ƒ - фокусное расстояние дополнительной линзы 24.
Такая дополнительная линза 24 обеспечивает возможность улучшения качества и удобства ночного наблюдения при рассматривании микродисплея 11, так как обеспечивает в 1,5 раза более высокое значение увеличения ночного канала.
Принцип действия оптической системы прибора наблюдения по варианту 3 заключается в том, что вместо отражающих призм типа АР-90 оптическая система содержит спектроделительные призмы-кубики 25 и 26 в каждой из ветвей дневного канала, расположенные между объективом 23 и коллективом 21, при этом в одной из ветвей в проходящем направлении через призму-кубик 25 установлен полупроводниковый лазерный излучатель 27, а в другой - через призму-кубик 26 - приемник лазерного излучения 28, оптически сопряженные с соответствующими объективами 23 дневного канала.
Спектроделительные призмы-кубики 25 и 26 позволяют отразить видимый диапазон спектра на общую окулярную часть оптической системы прибора наблюдения, а в проходящем через них направлении установить полупроводниковый лазерный излучатель 27 и приемник лазерного излучения 28, обеспечивающие возможность точного измерения дальности через общую входную головную призму 1 оптической системы, сохраняя штатные параметры дневного канала прибора.
Принцип действия оптической системы прибора наблюдения по варианту 4 заключается в том, что вместо отражающих призм типа АР-90 оптическая система содержит спектроделительные призмы-кубики 25 и 26 в каждой из ветвей дневного канала, расположенные между объективом 23 и коллективом 21, при этом в одной из ветвей в проходящем направлении через призму-кубик 26 установлен приемник лазерного излучения 28, оптически сопряженный с соответствующим объективом 23 дневного канала, а в другой - в проходящем направлении через призму-кубик 25 содержатся отрицательная двояковогнутая линза 29 и твердотельный лазерный излучатель 30. Отрицательная двояковогнутая линза 29 совместно с дневным объективом 23 образует афокальную оптическую систему, необходимую для работы с твердотельным лазерным излучателем, при этом выполняется следующее соотношение:
о.л.-об.
где Δd - величина несовпадения задней фокальной плоскости объектива 23 и передней фокальной плоскости отрицательной линзы 29;
об.д.
ƒ - фокусное расстояние объектива 23 дневного канала.
о.л.-об.
Величина несовпадения Δd позволяет фокусировать излучение твердотельного лазерного излучателя 30 на заданную дистанцию, если возникнет такая необходимость при эксплуатации.
Такая оптическая система прибора наблюдения обеспечивает увеличение дальности измерения и возможность фокусировки излучения твердотельного лазерного излучателя 30 на заданную дальность.
В излучающей ветви дальномерного канала в варианте 3 обеспечивается максимальная величина кружка рассеяния ~ 15,9 мкм, что при фокусном расстоянии дневного объектива 76,65 мм дает увеличение изображения пятна излучения полупроводникового лазерного излучателя на цели с 2,35 м до 2,55 м при дистанции до цели 1000 метров, что вполне допустимо при измерениях дальности.
В приемной ветви дальномерного канала обеспечивается такая же максимальная величина кружка рассеяния ~ 15,9 мкм, что для фотоприемника с размером чувствительной площадки 0,35 мм обеспечивает отличное качество приема отраженного сигнала.
Для ночного (тепловизионного) канала задаемся критерием качества - величиной полихроматического коэффициента передачи контраста (КПК) и учитываем:
- толщину защитного стекла 4 фотоприемника, равную 0,75 мм;
- спектральную эффективность по длинам волн с учетом чувствительности фотоприемника и светопропускания объектива - 1,0 на длинах волн 8,0 мкм, 10,6 мкм и 14,0 мкм;
- пространственную частоту ~30 лин/мм (частота Найквиста для фотоприемника (8,0÷14,0) мкм с размером чувствительного элемента, равным 17 мкм).
Получаем следующие расчетные значения качественных характеристик оптической системы тепловизионного канала:
Как видно из расчетов, оптическая система, при простоте ее конструкции, обеспечивает круглосуточную видимость в пассивном режиме и хорошее качество изображения для приборов наблюдения, использующих тепловизионный канал высокого разрешения (формата не менее 640×480 пикселей) с микроболометрической матрицей спектрального диапазона (8,0÷14,0) мкм с размером пикселя 17 мкм, а также обеспечивает возможность точного измерения дальности встроенным каналом лазерного дальномера без изменения габаритных и присоединительных размеров прибора наблюдения.