ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к оптико-электронным приборам, в частности к приборам для обнаружения и селекции объекта по сигналам бортового источника излучения, анализа принятого излучения, определения угловых координат обнаруженного объекта.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является оптико-электронная система определения координат движущихся объектов [1], включающая в себя канал широкого поля зрения, состоящий из оптически связанных первого объектива и расположенного в его фокальной плоскости первого матричного приемника оптического излучения, канал узкого поля зрения, состоящий из оптически связанных второго объектива и расположенного в его фокальной плоскости второго матричного приемника оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных коллиматора и призмы БкР-180°, причем коллиматор содержит третий объектив, расположенную в его фокальной плоскости сетку с выверочной маркой и источник излучения, а призма БкР-180°, центр входной оптической зоны которой совпадает с осью коллиматора, установлена с возможность поворота вокруг оси коллиматора с установкой в заданные положения так, чтобы выходной зрачок призмы из нерабочего положения поочередно устанавливался в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения, причем оси канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора параллельны между собой. В этой оптико-электронной системе юстировка параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения производится путем наклона корпуса канала широкого поля зрения. Юстировка параллельности осей коллиматора и канала узкого поля зрения производится также путем наклона корпуса коллиматора. Такой наклон обеспечивается либо подбором прокладок под местами крепления, либо путем шабрения специально предусмотренных площадок в местах крепления. Подбор прокладок не позволяет обеспечить высокую точность из-за дискретного изменения толщины прокладок, кроме того, наличие большого количества прокладок снижает надежность. Шабрение является очень трудоемкой технологией, при которой отсутствует непрерывный контроль за убираемым слоем металла. Чувствительность такой юстировки зависит от расстояния между местами крепления. Например, чтобы изменить наклон коллиматора на 1 угловую минуту при расстоянии между местами крепления 50 мм потребуется прокладка величиной 50tg1'=0,015 мм, причем направление наклона зависит от расположения мест крепления. Необходимость соблюдения габаритов может потребовать уменьшения расстояния между местами крепления, что сделает регулировку прокладками еще более чувствительной, а, значит, и более трудоемкой. В этой оптико-электронной системе перед началом работы проводится диагностика работоспособности. При этом призма БкР-180°, входящая в состав блока выверки, поворачивается вокруг оси коллиматора с установкой в заданные положения так, что выходной зрачок призмы из нерабочего положения поочередно устанавливается в пределах входного зрачка канала широкого поля зрения и входного зрачка канала узкого поля зрения, затем призма поворачивается обратно в нерабочее положение, цикл диагностики заканчивается и принимается решение о готовности оптико-электронной системы к работе. На поворот призмы из нерабочего положения в положения диагностики и обратно в нерабочее положение требуется определенное время, которое входит во время подготовки оптико-электронной системы к работе, а также наличие электро-механического привода, обеспечивающего поворот призмы в заданные положения и датчиков положения, повышает вероятность отказов.
Задачей полезной модели является снижение трудоемкости изготовления, повышение точности и надежности прибора в эксплуатации, сокращение времени готовности оптико-электронной системы к работе.
Для решения этой задачи оптико-электронная система, включающая в себя канал широкого поля зрения, состоящий из оптически связанных первого объектива и расположенного в его фокальной плоскости первого матричного приемника оптического излучения, канал узкого поля зрения, состоящий из оптически связанных второго объектива и расположенного в его фокальной плоскости второго матричного приемника оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных коллиматора и первой призмы БкР-180°, причем коллиматор содержит третий объектив, расположенную в его фокальной плоскости сетку с выверочной маркой и источник излучения, при этом первая призма БкР-180° установлена так, что центр ее входной световой зоны совпадает с осью коллиматора, причем оси канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора параллельны между собой, в отличие от прототипа, снабжена первым оптическим компенсатором, расположенным перед первым объективом, и/или вторым оптическим компенсатором, расположенным между третьим объективом и первой призмой БкР-180°, выходная световая зона которой оптически сопряжена с краем входного зрачка канала узкого поля зрения, на первой по ходу луча отражающей поверхности первой призмы БкР-180° нанесено светоделительное покрытие и к ней гипотенузной гранью приклеена призма АР-90°, блок выверки дополнен второй призмой БкР-180°, расположенной по ходу луча за первой призмой БкР-180°, при этом центр входной световой зоны второй призмы БкР-180° совпадает с осью коллиматора, а выходная световая зона второй призмы БкР-180° оптически сопряжена с краем входного зрачка канала широкого поля зрения.
Возможен вариант исполнения, когда каждый оптический компенсатор выполнен в виде пары оптических клиньев, причем клинья каждого оптического компенсатора установлены с возможностью вращения вокруг оси, на которой они установлены и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Возможен вариант исполнения, когда каждый оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, причем линзы каждого оптического компенсатора установлены с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой они установлены и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Возможен также вариант исполнения, когда один из оптических компенсаторов выполнен в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении, а другой оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении.
Введение первого оптического компенсатора, расположенного перед первым объективом позволяет быстро и легко выбрать такое положение, при котором ось канала широкого поля зрения будет с высокой точностью параллельна оси канала узкого поля зрения. Регулировка с помощью компенсатора позволяет делать контролируемую регулировку положения оси, при которой точность параллельности ограничивается только точностью контроля. Введение второго оптического компенсатора, расположенного между третьим объективом и призмой БкР-180°, позволяет быстро и легко выбрать такое положение, при котором ось коллиматора будет с высокой точностью параллельна оси канала узкого поля зрения. Повышение точности параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения обеспечивает уменьшение скачка координат объекта при передаче определения координат от канала широкого поля зрения к каналу узкого поля зрения, повышение точности параллельности осей канала широкого поля зрения, канала узкого поля зрения и коллиматора обеспечивает повышение точности контроля параллельности осей системой выверки и позволяет учесть фактическую непараллельность каналов, например, путем введения электронных поправок координат объекта. Это приводит к повышению точности и надежности работы прибора. Наличие хотя бы одного из компенсаторов позволяет получить требуемый результат. Выбор варианта исполнения оптического компенсатора производится из конструктивных соображений и обеспечивает одинаковый технический результат. Наличие в блоке выверки первой и второй призм БкР-180°, первая из которых установлена так, что центр ее входной световой зоны совпадает с осью коллиматора, выходная световая зона первой призмы БкР-180° оптически сопряжена с краем входного зрачка канала узкого поля зрения, на первой по ходу луча отражающей поверхности первой призмы БкР-180° нанесено светоделительное покрытие и к ней гипотенузной гранью приклеена призма АР-90°, а вторая призма БкР-180° расположена по ходу луча за первой призмой БкР-180°, при этом центр входной световой зоны второй призмы БкР-180° совпадает с осью коллиматора, а выходная световая зона второй призмы БкР-180° оптически сопряжена с краем входного зрачка канала широкого поля зрения обеспечивает сокращение времени на подготовку оптико-электронной системы к работе и повышение надежности оптико-электронной системы в эксплуатации, так как исключает необходимость узла привода поворота призмы и, соответсвенно, затраты времени на поворот призмы БкР-180° при диагностике работоспособности оптико-электронной системы.
На фигуре представлена схема полезной модели.
Оптико-электронная система включает в себя первый оптический компенсатор 1, расположенный перед каналом широкого поля зрения, который содержит оптически связанные первый объектива 2 и расположенный в его фокальной плоскости первый матричный приемник 3 оптического излучения, канал узкого поля зрения, который содержит оптически связанные второй объектив 4 и расположенный в его фокальной плоскости второй матричный приемник 5 оптического излучения, блок выверки, состоящий из оптически связанных первой призмы БкР-180° 6 и коллиматора, содержащего третий объектив 7, расположенную в его фокальной плоскости сетку 8 с выверочной маркой и источник излучения 9, между третьим объективом 7 и первой призмой БкР-180° 6 расположен второй оптический компенсатор 10, а первая призма БкР-180° 6 установлена так, что центр ее входной световой зоны совпадает с осью коллиматора, а выходная световая зона оптически сопряжена с краем входного зрачка канала узкого поля зрения, на первой по ходу луча отражающей поверхности первой призмы БкР-180° 6 нанесено светоделительное покрытие и к ней гипотенузной гранью приклеена призма АР-90° 11, блок выверки дополнен второй призмой БкР-180° 12, расположенной по ходу луча за первой призмой БкР-180° 6, центр ее входной световой зоны совпадает с осью коллиматора, а выходная световая зона оптически сопряжена с краем входного зрачка канала широкого поля зрения. Благодаря этому изображение выверочной марки в любой момент может наблюдаться каналом узкого поля зрения и каналом широкого поля зрения одновременно. Выверочная марка сетки 8 подсвечивается источником излучения 9. В качестве источника излучения 9 может быть использован светодиод. Для повышения равномерности подсветки выверочной марки может быть использован конденсор, а также конструктивно обеспечены регулировки положения источника излучения 9.
Оптические компенсаторы 1, 10 могут быть выполнены, например, в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой установлен компенсатор, и с возможностью фиксации в выбранном положении. Например, круглые оптические клинья вклеены в круглых металлических оправах, которые установлены внутри корпуса в виде трубки. По диаметру оправ клиньев через, например, 30° сделаны углубления под шпильку, а в корпусе сделан секторный вырез величиной 40°, открывающий доступ к углублениям. В корпусе также имеются стопора для фиксации клиньев в выбраном положении. Шпильками поворачиваем клинья и находим нужное положение, в котором фиксируем клинья стопорами.
Возможен вариант исполнения, при котором каждый оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении. Например, оправы с линзами могут быть установлены в каретках, которые перемещаются в направляющих типа «ласточкин хвост», причем направляющие для положительной и отрицательной линз установлены взаимно ортогонально. Подвижка каждой каретки может быть обеспечена винтовой парой, а фиксация дополнительными винтами.
Возможен также вариант исполнения, при котором один оптический компенсатор выполнен в виде пары оптических клиньев, установленных с возможностью вращения вокруг оси, на которой установлен компенсатор, и с возможностью фиксации в выбранном положении, а другой оптический компенсатор выполнен в виде афокальной системы, включающей положительную и отрицательную линзы, установленные с возможностью перемещения в двух взаимно ортогональных направлениях, перпендикулярных оси, на которой они установлены, и с возможностью фиксации в выбранном положении.
В качестве первого и второго матричных приемников 3, 5 оптического излучения могут быть использованы, например, ПЗС-камеры, выполненные на базе ПЗС-матриц ICX429ALL фирмы SONY, которые являются цифровыми устройствами, преобразующими оптические сигналы в электрические. На выходе ПЗС-камеры выдают цифровой 12-разрядный код, пропорциональный уровню освещенности каждого пиксела матрицы.
В качестве второго объектива 4 канала узкого поля может быть использован, например, зеркально-линзовый объектив, имеющий следующие характеристики:
Фокусное расстояние
332 мм
Диаметр входного зрачка
160 мм
Эффективное относительное отверстие D:f
1:2,3
Применение этого объектива, имеющего большой входной зрачок и большое относительное отверстие обеспечивает высокую чувствительность и возможность определения координат при удалении объекта на большое расстояние, а зеркально-линзовая схема позволяет уменьшить габариты объектива, и, соответственно, всей системы.
Фокусное расстояние первого объектива 2 канала широкого поля зрения должно быть небольшим, чтобы обеспечивать достаточное поле зрения для уверенного захвата объекта на начальном этапе, в то же время, для обеспечения хороших энергетических характеристик канала для уверенного приема оптического сигнала от установленного на объекте импульсного источника объектив должен иметь большой входной зрачок и относительное отверстие. Параметры объектива выбираются, исходя из компромисса между этими противоречивыми требованиями.
На фигуре представлена схема оптико-электронной системы, включающая два оптических компенсатора 1 и 10, введение которых наиболее эффективно при относительно малых полях зрения каналов узкого и широкого поля зрения. Однако, на практике возможны случаи, когда достаточно использование лишь одного оптического компенсатора. Например, при большом поле зрения канала широкого поля зрения (более 3°) достаточно введения лишь одного оптического компенсатора 10, а оптический компенсатор 1 можно исключить, что не приведет к существенному повышению трудоемкости юстировки и не отразится на надежности работы оптико-электронной системы, так как современная технология обеспечивает возможность достижения параллельности осей каналов узкого и широкого полей зрения с точностью, соизмеримой с допустимой величиной непараллельности осей каналов.
Полезная модель работает следующим образом.
В начале производится диагностика состояния оптико-электронной системы. Для этого включают источник излучения 9, который освещает сетку 8 с выверочной маркой, расположенную в фокальной плоскости третьего объектива 7 коллиматора. Излучение проходит через второй оптический компенсатор 10, попадает на первую
призму БкР-180° 6, на светоделительном покрытии на первой по ходу луча отражающей поверхности первой призмы БкР-180° 6 делится на две части. Одна часть отражается и направляется первой призмы БкР-180° 6 на край входного зрачка канала узкого поля зрения. Другая часть проходит светоделительное покрытие, призму АР-90° 11 и направляется второй призмой БкР-180° 12 на край входного зрачка канала широкого поля зрения. Объективы 2, 4 каждого канала строят изображение выверочной марки на матричных приемниках 3, 5 оптического излучения. С помощью оптического компенсатора 10 изображение выверочной марки совмещают с осью канала узкого поля зрения, положение изображения выверочной марки относительно оси канала широкого поля зрения определяется допусками на изготовление склейки первой призмы БкР-180° 6 с призмой АР-90° 11 и второй призмы БкР-180° 12. Определение координат изображения выверочной марки в каждом канале позволяет определить готовность прибора к работе, а также определить параллельность осей каналов, которая может учитываться путем введения электронных поправок в координаты объекта. Так как первая призма БкР-180° 6 с приклееной к ней призмой АР-90° 11 и вторая призма БкР-180° 12 закреплены постоянно, то время на проведение диагностики работоспособности сводится к минимуму, а также отсутствие в блоке выверки движущихся частей уменьшает вероятность отказов.
Канал широкого поля зрения работает на начальном этапе полета объекта. Импульсное излучение источника, установленного на объекте, попадает в поле зрения канала широкого поля зрения и фокусируется объективом 2 на матричном приемнике 3 оптического излучения. Изображение источника может занимать один или несколько фотоприемных элементов (пикселей) матрицы. Принимаемая матрицей оптическая информация оцифровывается и обрабатывается электронно-вычислительным устройством (на фигуре не показано) по заданной программе. При обработке идентифицируются оптические сигналы, принадлежащие импульсному источнику объекта, определяется их энергия и координаты изображения импульсного источника на матричном приемнике. Координаты определяются в системе координат, построенной на матричном приемнике, при этом в определенной зоне матрицы какой-то элемент разложения (пиксель, группа пикселей) принимается имеющим нулевые координаты, а строка и столбец, проходящие через него принимаются за оси координат. Оптическая ось канала проходит через главные точки объектива и центр координат. Измеренные координаты объекта передаются во внешнее управляющее устройство, которое формирует команды, заставляющие объект двигаться к оптической оси. В какой-то момент объект входит в поле зрения канала узкого поля зрения и с этого момента импульсный источник видят оба канала, но управление объектом идет по координатам, определенным каналом узкого поля зрения, т.к. он имеет объектив с большим фокусным расстоянием и входной апертурой, соответственно обладает способностью видеть излучение импульсного источника на большем расстоянии и определять его координаты с большей точностью.
Поэтому важно, чтобы оси каналов были параллельны, во-первых, чтобы повысить вероятность захвата объекта каналом узкого поля зрения, во-вторых, чтобы избежать скачка при передаче управления с канала широкого поля зрения на канал узкого поля зрения. Наличие первого оптического компенсатора 1, расположенного перед первым объективом 2, позволяет при сборке обеспечить высокую точность параллельности осей канала широкого поля зрения и канала узкого поля зрения и снизить трудоемкость этой регулировки. При сборке котировочное оборудование позволяет видеть взаимное положение осей каналов узкого и широкого полей зрения. Поворотом клиньев первого оптического компенсатора 1, расположенного перед первым объективом 2, обеспечивается совмещение оси канала широкого поля зрения с осью канала узкого поля зрения, с последующей фиксацией клиньев в найденном положении. Учитывая, что каналы имеют объективы с разными фокусными расстояниями и, соответственно, разные масштабы угловых отклонений, а также для устранения влияния аберраций объективов, оптическая ось коллиматора должна быть параллельна оптической оси канала узкого поля зрения, как более чувствительного. Второй оптический компенсатор 10, расположенный между третьим объективом 7 и призмой БкР-180° 6 позволяет легко и точно обеспечить это требование. Если ось коллиматора не параллельна оси канала узкого поля зрения, то изображение выверочной марки не будет совпадать с осью канала узкого поля зрения. Поворотом клиньев второго оптического компенсатора 10, расположенного между объективом 7 коллиматора и призмой БкР-180° 6, обеспечивается совмещение изображения выверочной марки с осью канала узкого поля зрения, с последующей фиксацией клиньев в найденном положении. При этом обеспечивается параллельность оси коллиматора и оси канала узкого поля зрения.
Таким образом, использование заявляемой оптико-электронной системы обеспечивает снижение трудоемкости изготовления, повышение точности и надежности прибора в эксплуатации, сокращение времени готовности оптико-электронной системы к работе.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель BY 2885 U, опубл. 30.06.2006, «Оптико-электронная система определения координат движущихся объектов» - прототип.