ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности, к оптоэлектронным наблюдательным приборам ближнего И К диапазона и может быть использовано для обнаружения возгорания транспортных средств, использующих метанол и другие полностью сгорающие виды топлива.
Некоторые типы автомобилей, в частности гоночные, используют в качестве горючего полностью сгорающие виды топлива, например, метиловый спирт (метанол). В аварийных ситуациях возможно вытекание топлива и его возгорание. Особенностью метилового спирта является полное сгорание в обычных условиях. Продуктом сгорания метанола является вода и углекислый газ. Пламя имеет голубой цвет, а дым при сгорании не образуется, так что обнаружить на расстоянии возгорание автомобиля, в особенности в солнечный день, практически невозможно.
При проведении спасательных и пожарных действий невозможно определить даже безопасную зону р51дом с горящим автомобилем, что приводит к жертвам не только среди пилотов автомобилей, но и среди спасателей и пожарных. Поэтому актуальной является задача создания малогабаритного наблюдательного оптического прибора для обнаружения возгорания автомобиля и безопасной борьбы с огнем и спасения пилота.
Оптические свойства пламени определяются оптическими свойствами продуктов сгорания и температурой пламени. Температура метанольного пламени (2000°С) существенно ниже температуры поверхности солнца (6500°С). Продукты сгорания метанола-вода и углекислый газ имеют сильные полосы поглощения и соответственно свечения в УФ и ИК диапазонах. Нами было установлено, что из-за низкой температуры яркость пламени в УФ диапазоне существенно ниже яркости рассеянного солнечного излучения. К тому же в УФ диапазоне оптические свойства атмосферы (поглощение и рассеяние) препятствуют дистанционной регистрации пламени.
Максимальная интенсивность свеченшг пламени находится в среднем ИК диапазоне (3-5 мкм) (Р.Хадсон, Инфракрасные системы. М. Мир,1972, С.29 ). Поэтому для обнаружения возгорани51 автомобиля и для визуального контроля пожаротущения можно было бы использовать тепловизионные приборы. Такие приборы щироко применяются дл51 обнаружения и слежения за объектами в армии ( см. Р.Хадсон, Инфракрасные системы. М. Мир, 1972, С.387).
Однако тепловизионные устройства имеют больщой вес и габариты и тому же довольно дороги.
В книге Х.Соул, Электрооптическое фотографирование, М. Военное издательство министерства обороны СССР, 1972, с 9. предлагается
использовать инфракрасные усилители яркости изображения в качестве объекта противопожарной техники для выяснения причин и определения центров пожара.
Обычным для наблюдательных приборов с инфракрасным усилителем яркости изображения является использование в условиях низкой освещенности (в армии, правоохранительных органах).
Длинноволновый край фоточувствительности таких устройств определяется типом фотокатода электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и достигает 1,7 мкм для фотокатодов с барьером Шоттки (H.J.Drouhin, D.Paget, J.Perreti, Field assisted infrared photoemission of inetal-seiniconductor structures Surface Sciense, North-Holland, Amsterdam, 211/212, 1989, p. 595). Пока приборы с барьером Шоттки находятся в стадии лабораторного изготовления и недоступны большинству потребителей. В тоже время много десятилетий (Н.А.Соболева, А.е.Меламид, Фотоэлектронные приборы, М., Высшая школа, 1974, с. 105 выпускаются ЭОП с фотокатодом типа S-1 (серебряно-кислородно-цезиевый) , имеющие в диапазоне 1-1,5 мкм небольшую по сравнению с приборами на барьерах Шоттки чувствительность.
Кроме наблюдательных приборов с усилителями яркости изображения фоточувствительностью в ближнем ИК диапазоне обладают малогабаритные телевизионные камеры с мишенью на основе PbS производства фирмы Hamamatsu Япония(см. Photonics Spectra, 1991, v.25, N8, р.143. Photonics Spectra, 1991, v.25, N1, p.l51.). Известны также преобразователи изображения типа ПВМС (пространственно-временные модуляторы света) имеющие структуру полупроводник-жидкий кристалл. Причем полупроводник может представлять собой пластину из полуизолирующего GaAs(cM. Н.Ф. Ковтонюк, Е.Н. Сальников. Фоточувствительные МДП-приборы для преобразователей изображений. - М. Радио и связь, 1990, с.42 или Ю.Н. Думаревский, Н.Ф. Ковтанюк. Преобразователи изображений в структурах полупроводникдиэлектрик.-М, Радио и связь, 1994, с.34.)
Выше перечисленные приборынаблюденияобладают
фоточувствительностью в широком спектральном диапазоне и использование их без изменений для обнаружения возгорания полностью сгорающего топлива на фоне интенсивного рассеянного солнечного излучения не возможно, поскольку светимость пламени в широком спектральном диапазоне существенно ниже солнечной.
Известны устройства обнаружения пламени, основанные на явлении ионизации газа (см. например, патент США №3551908, G08B17/12,1970).
Однако подобные устройства обладают недостаточной дальностью срабатывания.
Во многих сигнализаторах воспламенения используют два детектора, УФ и ИК излучения (см. патенты США №3665440 и №4418338, G08B17/12,1972 и 1983 соответственно). Выходные сигналы детекторов обрабатываются логической схемой, выявляющей совпадение или определенную временную корреляцию сигналов.
к недостаткам этих приборов следует отнести ограниченный и фиксированный угол обзора, а также недостаточную помехоустойчивость при наблюдении пламени на фоне рассеянного солнечного света.
Наиболее близким к предложенному является оптический прибор, содержащий двухканальный оптический блок со светофильтром и фотоэлектронным преобразователем, расположенными на одной оптической оси, а также электронный блок (см. а.с. №1810899, G08В17/12,1993).
Известный прибор обладает несколько большей чувствительностью в диапазоне 250-310 нм, так как построен по дифференциальной схеме. Тем не менее, с его помощью также не удается достоверно отличить солнечный свет от факела метанола. Это обусловлено недостаточной чувствительностью и разрешающей способностью прибора, использованием УФ-диапазона. Кроме того, как и в выщеописанных приборах, попытки увеличить разрещающую способность приводят к удорожанию известного прибора.
Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от полезной модели изобретения, является снижение стоимости и повыщение чувствительности и разрешающей способности оптического прибора, создание недорогого и компактного наблюдательного прибора, позво;ыющего регистрировать возгорание полностью сгорающих видов топлива на фоне рассеянного солнечного света .
Указанный результат достигается тем, что в известном оптическом приборе, содержащем оптический блок со светофильтром и преобразователем, расположенными на одной оптической оси, оптический блок выполнен в виде размещенных на оптической оси окуляра и объектива, преобразователь вьшолнен в виде оптического преобразовател51, светофильтр расположен перед оптическим преобразователем, а его полоса пропускания выбрана из условий:
d € {h},
d € {Н}, где
d - полоса пропускания светофильтра,
{h} - множество полос излучения паров воды при температуре 150025000С,
Щ} - множество полос поглощения солнечного света атмосферной влагой.
При этом светофильтр может быть выполнен с перестраиваемой спектральной характеристикой.
Целесообразно также выполнить светофильтр с зоной подавления солнечного излучения и одной или несколькими зонами пропускания солнечного излучения.
Рекомендуется, чтобы площадь зоны подавление солнечного излучения превыщала суммарную площадь зон пропускания солнечного излучения.
При этом зона подавления солнечного излучения может быть расположена на оптической оси светофильтра, а зоны пропускания солнечного излучения - на периферии последнего.
Допускается выполнить зоны подавления и пропускания солнечного излучения концентрическими.
Кроме того, зона пропускания солнечного излучения может быть выполнена в виде сектора светофильтра.
Рекомендуется также снабдить прибор диафрагмой, обеспечивающей частичное регулируемое перекрытие зон пропускания солнечного излучения светофильтра.
Кроме того, полоса пропускания светофильтра может быть выбрана в диапазоне 1,32-1,45 мкм.
На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого прибора. На фиг.2-4 показаны различные варианты выполнения светофильтра.
На фиг.5 представлено экспериментально полученное спектральное распределение интенсивности рассеянного солнечного света и интенсивности свечения пламени метанола,
На фиг.6 приведено спектральное распределение отношения интенсивности свечения пламени метанола к интенсивности рассеянного со.Щ1ечного излучения.
Фиг.7 иллюстрирует спектральное распределение чувствительности нескольких серийных ЭОП с фотокатодом типа S-1, а на фиг.8 представлено спектральное распределение интенсивности свечения экрана ЭОП при засветке его фотокатода пламенем метанола и рассеянным солнечным излучением через монохроматор в диапазоне длин волн 1,1-1,2 мкм.
На фиг.9 - то же, но в диапазоне длин волн 1,3-1,4 мкм.
На фиг. 10 показано спектральное распределение отношения интенсивности свечения пламени метанола к интенсивности рассеянного солнечного излучения в диапазоне 1,1-1,2 мкм и возможные спектральные характеристики центральной и периферийной зоны оптического светофильтра с регулируемой спектральной характеристикой, обеспечивающей повышение контраста метанольного пламени при ярком солнечном свете для этого спектрального диапазона.
И, наконец, на фиг. 11 представлено спектральное распределение отношения интенсивности свеченш пламени метанола к интенсивности рассеянного солнечного излучения в диапазоне 1,3-1,45 мкм и возможные спектральные характеристики центральной и периферийной зоны оптического светофильтра с регулируемой спектральной характеристикой, обеспечивающей повьшхение контраста метанольного пламени при ярком солнечном свете для этого спектрального диапазона.
Прибор содержит последовательно расположенные на оптической оси 1 объеюпв 2, диафрагму (например, ирисовую) 3, светофильтр 4, оптический преобразователь 5 (ЭОП, ИК видикон, ПВМС и т.п.) и окуляр 6 (фиг.1). Позицией 7 на фиг.1 обозначен наблюдатель.
Как показано на фиг.2-4, светофильтр 4 может быть выполнен с одной зоной 8 подавления солнечного излучения и одной или несколькими зонами 9 пропускания солнечного излучения.
Прибор работает следующим образом. Рассеянный солнечный свет и излучение пламени метанола или иного полностью сгорающего топлива попадают в объектив 2 и через диафрагму 3 и светофильтр 4 проходят на вход преобразователя 5.
Светофильтр 4 пропускает свет в основном в полосах поглощения атмосферной влаги. Он может быть выполнен как с регулируемой, так и с нерегулируемой спектральной характеристикой. Спектральная характеристика пропускания фильтра 4 может быть как однородной по полю зрения так и неоднородной. В любом случае фильтр 4 существенно повыщает контрастность изображения пламени на фоне рассеянного солнечного излучения. Это объясняется следующим.
Спектральная зависимость пропусканш атмосферы в ближнем ИК диапазоне определяется, в основном, поглощением света атмосферной влагой. Излучение горящего метанола в ближнем И К диапазоне также определяется излучением раскаленных паров воды - продукта сгорания метанола. Излучение солнца, прежде чем достигнет поверхности земли, проходит больщой путь в содержащих пары воды слоях атмосферы ( 1 км.). Для наблюдательного прибора с полем зрения  40° приемлемой дальностью является расстояние  100 м. Поэтому, выбрав спектральный диапазон, в котором поглощение и излучение паров воды велико, можно за счет больщой разности пути, проходимого фоновым излучением от солнца и сигнальным излучением от метанольного пламени, существенно увеличить контрастность изображения пламени на фоне объектов, освещенных солнечным светом. При этом необходимо учесть, что содержание влаги в атмосфере в теплое время года (именно в это время проводятся соревнования автомобилей Формулы-1) меняется примерно в 10 раз. Поэтому желательно, чтобы спектральная чувствительность наблюдательного прибора могла изменяться в соответствии с погодными условиями, обеспечивая одновременное наблюдение автомобиля, окружающей местности и света от метанольного пламени.
В соответствии с результатами нащих экспериментов по измерению спектральных характеристик рассеянного солнечного излучения и спектральных характеристик пламени горящего метанола в ближнем ИК диапазоне, существует несколько спектральных диапазонов, в которых интенсивность рассеянного солнечного излучения существенно снижена из-за поглощения его атмосферной влагой и двуокисью углерода. Это спектральные полосы в районе 0.93 мкм, 1.15 мкм, 1.38 мкм, 1.87 мкм и 2.7 мкм.
При этом, если для рассеянного солнечного излучения интенсивность света резко падает от полосы к полосе в длинноволновую сторону, то интенсивность свечения пламени метанола резко растет от полосы к полосе в длинноволновую сторону. Поэтому область 1.38 мкм наиболее перспективна для создания компактного и недорогого наблюдательного прибора, например, на основе ЭОП с фотокатодом типа S-1. Полосы поглощения в районе 0,93 мкм и 1,15 мкм довольно узкие и слабые. В районе 1,87 и 2,7 мкм полосы поглощения слищком сильные, поэтому при возможной дальности использования прибора наблюдения  100 м придется регистрировать излучение на границах полос поглощения, что предъявляет жесткие требования
к спектральной характеристике светофильтра 4 и соответственно существенно увеличивает его стоимость. Поэтому, с учетом результатов проведенных нами спектральных измерений, могут быть рассмотрены следующие примеры выполнения оптического фильтра 4 для оптического малогабаритного наблюдательного прибора ближнего ИК диапазона, повышающего контрастность изображения пламени, метанола в условиях интенсивной солнечной засветки:
Пример 1. Простой полосовой фильтр, полоса пропускания которого составляет 1,32-1,45 мкм соответственно, обеспечивающий однородную по полю зрения спектральную характеристику наблюдательного прибора.
Пример 2. То же, что в примере 1, но с неоднородной по полю зрения наблюдательного прибора спектральной характеристикой: в центральной зоне поля зрения прибора спектральная характеристика обеспечивает более сильное подавление солнечного излучения, на периферии поля зрения - подавление рассеянного солнечного излучения слабее (при этом облегчается ориентация наблюдателя на местности при поиске автомобиля). Помимо составного светофильтра можно воспользоваться интерференционный светофильтром, спектральная характеристика пропускания которого зависит от угла падения света и при увеличении угла падения сдвигается в коротковолновую область(см. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии М.Наука, 1976,с.243). Интерференционный фильтр при этом удобно устанавливать перед объективом наблюдательного прибора.
Пример 3. То же, что в примере 1, но с перестраиваемой спектральной характеристикой, обеспечивающей при различных погодных условиях оптимизацию контрастности и яркости изображения автомобиля, окружающей местности, освещенной рассеянным солнечным излучением, и излучения метанольного пламени. При перестраивании спектральной характеристики оптического фильтра 4 изменяется подавление чувствительности к рассеянному солнечному излучению.
Возможная конфигурация такого фильтра 4 поясняется фиг.2. Спектральная характеристика центральной области (зона 8) имеет узкополосный вид представленный на фиг. 11 (Тип 1) так, чтобы обеспечить максимальное соотнощение интенсивностей I  в. области спектра 1,32-1,45 мкм, а периферийная часть 9 фильтра 4 имеет довольно широкую полосу, пропускающую рассеянное солнечное излучение ( фиг. 11, тип 2). Перестройка спектральной характеристики фильтра 4 производится изменением открытой площади периферийной зоны 9, например при помощи ирисовой диафрагмы 3, показанной на фиг.1, установкой дополнительного светофильтра или иным известным образом.
Таким образом, особенностью предлагаемого прибора является наличие светофильтра, полоса пропускания которого принадлежит одновременно области поглощения солнечного излучения парами воды и области излучения паров воды в ближнем ИК-диапазоне. Именно это позволяет достичь высокой чувствительности, контрастности и разрещающей способности при наблюдении
пламени на фоне рассеянного солнечного света с использованием недорогих и компактных оптических преобразователей.
Заявитель: -Л/
Овчинников Игорь Михайлович  / Петров Алексей Энгелевич . Турчинский Владимир Михайлович // Пое Ричард Микаэльy g c-j
Русаков Николай Николаевич ,---- /