КОЛЛИМАТОРНЫЙ ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИЦЕЛ
COLLIMATOR THERMAL-VISION SIGHT

Область техники
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических коллиматорных прицелах с целью увеличения их обнаружительной способности при наблюдении и ведении прицельной стрельбы не только в видимом диапазоне электромагнитного излучения, но и в невидимом невооруженным глазом спектральном диапазоне ближнего и дальнего инфракрасного спектра.
Уровень техники
Коллиматорные прицелы - оптические системы, использующие коллиматор для построения изображения прицельной метки, спроецированного в бесконечность. Излучение от источника света в прицеле преобразуется линзой коллиматора в параллельный пучок и через полупрозрачное зеркало или призму направляется в глаз наблюдателя вместе с изображением реальной сцены. Зрачок наблюдателя не должен находиться на оптической оси прицела, достаточно, чтобы он находился в пределах проекции прицела вдоль этой оси. При поперечных перемещениях глаза прицельная марка с точки зрения наблюдателя также перемещается по полю зрения прицела, оставаясь на точке прицеливания вне зависимости от положения глаза наблюдателя относительно прицела.
Коллиматорный прицел обеспечивает очень высокую скорость прицеливания - примерно в 2-3 раза выше, чем традиционные. При прицеливании нет необходимости совмещать три точки - мушку, целик, цель; необходимо лишь навести прицельную марку, при этом глаз аккомодируется на расстоянии до цели (в механических прицелах - обычно на мушку, а целик и цель видны не в фокусе). Кроме того, коллиматорные прицелы имеют большие поля зрения, что дает возможность наблюдать за сценой и вести прицельную стрельбу двумя глазами на любом удалении от прицела.
Разновидностью коллиматорных прицелов являются голографические прицелы, в которых мнимое изображение прицельной марки на бесконечности формируется предварительно записанной или синтезированной голограммой этой марки.
Все коллиматорные прицелы не имеют увеличения для реализации достоинств их конструкции. Однако прицеливание на дальние дистанции-выше 200-300 метров - становится затруднительным.
Особенности использования и применения прицелов в настоящее время требуют наблюдения сцены не только в видимом, но и в инфракрасном свете. Основные оптические материалы, из которых выполнена оптическая схема коллиматорного прицела для видимого диапазона, не прозрачны в области инфракрасного спектра от 0,8 мкм до 17 мкм. Для наблюдения в инфракрасном спектре излучения разработаны и широко применяются специализированные тепловизионные прицелы. Оптическая схема таких прицелов содержит несколько оптико-электронных приборов: объектив, фотоприемное устройство, блоки электроники, микродисплей, окуляр. Объектив для инфракрасного спектра излучения обычно выполняют из материалов, прозрачных в ИК диапазоне: монокристаллов германия, селенида цинка или сульфида цинка. Фотоприемное устройство матричного типа выполняют на базе различных чувствительных в этом диапазоне материалов, в том числе оно может быть выполнено на основе химических соединений, требующих для детектирования ИК излучения охлаждения до криогенных температур. В последнее время наиболее широко используются фотоприемные устройства на основе матрицы микроболометров в фокальной плоскости объектива, не требующие охлаждения. Блок обработки изображения и формирования прицельной электронной марки выполняет функции выравнивания неравномерности чувствительности элементарных ячеек (пикселей) фотоприемного устройства, преобразования в необходимый формат видеосигнала, формирования электронной прицельной марки и вывода ее в необходимом месте. Для отображения полученного изображения в электронном виде используют микродисплей и окуляр. Наиболее сложным оптическим узлом является окуляр. Он должен обеспечить проецирование сформированного микродисплеем изображения в глаз наблюдателя без хроматической аберрации, астигматизма и других искажений. Для удобства наблюдения окуляр должен проецировать изображение с максимально возможным удалением и максимально возможным полем. Для прицелов минимальным удалением - расстоянием, на котором находится глаз наблюдателя от окуляра, является 50 мм. При меньшем расстоянии возможны травмы наблюдателя при отдаче от оружия при выстреле. Поле зрения окуляра налагает ограничения на место расположения глаза наблюдателя относительно оптической оси окуляра - оно должно быть максимально большим. При соблюдении этих условий окуляр должен иметь несколько линз большого диаметра, что увеличивает габариты и вес прицела. Применение окуляра также приводит к невозможности наблюдения сцены двумя глазами.
Указанные недостатки тепловизионных прицелов и необходимость наблюдения через окуляр делают неудобным совместное применение коллиматорного прицела и тепловизионного прицела, даже при расположении их в одном корпусе. Примером данного решения является комбинированный дневно-ночной прицел ASPIS итальянской фирмы SELEX Galileo S.p.A. В данном прицеле наибольшую массу и габарит имеет тепловизионный канал с выводом изображения через много линзовый окуляр. Таким образом, алгоритм действий наблюдателя предполагается следующий: в дневных условиях наблюдатель использует коллиматорный прицел с широким полем зрения и имеет возможность наблюдения двумя глазами, а ночью используется тепловизионный прицел с узким 17*13 градусов полем зрения для наблюдения через окуляр одним глазом.
Для устранения этого недостатка разрабатываются комбинированные тепловизионные прицелы, у которых коллиматорная оптическая схема включает вывод изображения с микродисплея в глаз наблюдателя вместе с коллимированным прицельным знаком и видом сцены. Устройство по патенту US 7,319,557 В2 содержит коллиматорный прицел, тепловизионную камеру, LCD микродисплей, окуляр и оптический блок переноса изображения и совмещения с коллиматорным изображением. Основным недостатком данной схемы является необходимость использования окуляра с очень большим удалением зрачка. Кроме того, изображение от тепловизионного канала будет видно только в определенном месте положения глаза на небольшом удалении от оптической оси прицела. В других местах будет видна сцена только через коллиматорный прицел без тепловизионного изображения. Решение этих задач в рамках указанного патента приводят к значительному увеличению габаритов и веса оптики окулярной части и части совмещения изображений на основе призменных элементов.
Частично проблема массивного окуляра для комбинированных тепловизионных приборов решается в устройстве по патенту на полезную модель RU 137128 от 06.09.2013 г. В устройстве по этому патенту уменьшение веса и габаритов окулярной оптической части после микродисплея достигается особой его конструкцией и максимальным приближением линз к призме. Кроме того, в отличие от устройства по патенту US 7.319.557 В2 окуляр тепловизионного канала развернут на 180 градусов по отношению к оптической оси прицела, что также дает определенные улучшения в габаритах и массе. Однако, это не решает проблемы необходимости точного позиционирования глаза наблюдателя по отношению к оптической оси и приводит к исчезновению одного из главных преимуществ коллиматорных прицелов: возможности вести наблюдение двумя глазами из любого положения и удаления от прицела.
Наиболее близким аналогом предлагаемого коллиматорного тепловизионного прицела является устройство по заявке на патент US 2016/0191761 А1. Устройство по этой заявке имеет в общем корпусе объектив, фотоприемное устройство, чувствительное в невидимой человеческому глазу области спектра излучения, платы обработки изображения и дисплей со стороны, обращенной к наблюдателю. Конструкция прибора использует дисплей без окулярной части, традиционной для оптико-электронных приборов и прицелов. Благодаря отсутствию окуляра и использованию дисплея с широким полем зрения изображение тепловизионного канала можно наблюдать практически с любого расстояния и при любом угле, отличном от оптической оси прицела. Основное предназначение устройства по заявке на патент, - обзорное наблюдение с широким углом поля зрения в спектральном диапазоне, невидимом глазу. Устройство может использоваться как дополнительное к основному прибору наблюдения или прицелу, о чем указывается в заявке на патент.Самостоятельное использование данного устройства затруднено или невозможно по многим причинам, отраженным в самой заявке. Одной из причин является трудность быстрой идентификации цели, местности и объектов в тепловизионном спектре излучения, так как показатели отражения и излучения полностью отличаются от привычных видимых глазом объектов. Достаточно часто привычные объекты, по которым ориентируется и производит привязку к местности глаз, не видны в тепловизионный канал по причине отсутствия отличия температуры этих объектов от температуры фона. В тепловизионных прицелах данная проблема решается увеличением чувствительности для возможности различения минимальных температурных разниц объектов, увеличения формата и разрешения тепловизионных изображений. Кроме того, при стрельбе на дальние расстояния обычно имеется достаточное время для возможности привязки изображения тепловизионного прицела к местности. Для быстрой прицельной стрельбы использовать данное устройство довольно трудно. Данную задачу решает устройство по предлагаемому изобретению.
Раскрытие изобретения
Устройство по настоящему изобретению содержит в одном корпусе коллиматорный канал с собственной системой формирования прицельной марки в видимом диапазоне и тепловизионный канал с выводом изображения на дисплей, причем при единичном увеличении в тепловизионном канале поля зрения коллиматорного и тепловизионного канала совпадают.Также совпадает положение оптической прицельной марки коллиматорного канала и электронной марки тепловизионного канала. Вывод изображения тепловизионного канала осуществляется на матричный светодиодный дисплей с разрешением не менее 324*256 пкс. Для осуществления необходимой для точной стрельбы выверки электронной марки тепловизионного канала требуются достаточно малые корректировки положения прицельной марки. Проведенные исследования показали, что для прицела по данному изобретению, необходимо применять дисплеи, имеющие разрешение не менее 324*256 пикселей. Именно это значение является граничным для точной стрельбы. При использовании дисплеев с меньшим разрешением приведение индивидуального стрелкового оружия к нормальному бою становится невозможным. Применение матричного светодиодного дисплея без окуляра и оптических элементов позволяет полностью реализовать преимущества коллиматорного оптического прицела для быстрой стрельбы. Заявителю неизвестна конструкция коллиматорного прицела, выполненного в одном корпусе с тепловизионным каналом с возможностью наблюдения одновременно двумя глазами обоих каналов.
Прицел содержит коллиматорный и тепловизионный канал. Конструкция прицела поясняется на чертеже. Коллиматорный канал содержит устройство формирования оптической прицельной марки (5), зеркало (6), линзу или группу линз (8) для перевода светового потока от марки в параллельные пучки, светоделительную пластину или призму (7) для направления изображения марки в глаз наблюдателя. Тепловизионный канал содержит инфракрасный объектив (1), фотоприемное устройство в виде матрицы микроболометров в фокальной плоскости объектива (2), блок обработки изображения и формирования электронной прицельной марки (3), дисплей с широким углом обзора (4). На виде со стороны наблюдателя показано окно коллиматорного канала с оптической прицельной маркой (9), и дисплей тепловизионного канала с электронной прицельной маркой (10).
Порядок применения
Работа с коллиматорным тепловизионным прицелом производится следующим образом. Перед использованием необходимо провести пристрелку и выверку коллиматорного прицела, согласно наставлению по стрелковому делу. Далее по положению прицельного знака коллиматорного прицела выставляется в меню настроек положение электронной марки тепловизионного канала. Они должны максимально совпадать. Процесс наблюдения и прицельной стрельбы производится в соответствии с инструкциями и наставлением по стрельбе из коллиматорного прицела. Наблюдение осуществляется двумя глазами в окно коллиматорного прицела, при этом в окне тепловизионного канала отображается поле зрения коллиматорного прицела в инфракрасном диапазоне спектра. Расположение рядом окон коллиматорного и тепловизионного канала, близких по размеру, позволяет максимально быстро и эффективно ориентироваться в наблюдаемой сцене. Несмотря на аккомодацию глаза на бесконечность при наблюдении через окно коллиматорного канала, периферийное зрение воспринимает изображение в окне тепловизионного канала достаточно эффективно для реагирования на появление теплых предметов, прежде всего, живых теплокровных животных, в окне тепловизионного канала и переключение зрения на более информативный канал. При необходимости произвести прицеливание наблюдатель производит выбор спектрального диапазона выбором окна необходимого канала, производит совмещение прицельной марки и производит выстрел.
Промышленная применимость
На предприятии - заявителе был изготовлен коллиматорный прицел, содержащий корпус, отсек для аккумулятора, прицельную марку с подсветкой светодиодом, наклонное зеркало, группу линз, формирующих параллельный пучок света от марки на призму, совмещающую изображение цели и коллимированное на бесконечность изображение прицельной марки. На стороне, обращенной к наблюдаемой сцене, был установлен тепловизионный объектив из монокристалла германия, прозрачного в диапазоне длин волн 7-14 мкм, фотоприемного микроболометрического устройства, электронного блока обработки изображения и формирования электронной прицельной марки. В том же корпусе, на стороне, обращенной к наблюдателю, был установлен матричный дисплей размером 24 мм по диагонали. Дисплей был выполнен по технологии OLED из органических светодиодов. Угол отображения изображения у светодиодных дисплеев, один из наиболее больших. Поэтому изображение на дисплее было видно практически при любых положениях коллиматорного прицела по отношению к глазу наблюдателя. Коллиматорный прицел механизмами выверки положения прицельной марки привели к нормальному бою, при котором средняя точка прицеливания совпадала с центром мишени. Одновременно, наблюдая в коллиматорный канал и тепловизионный, настройками добились совпадения положения электронной прицельной марки с положением прицельной марки коллиматорного канала в видимом диапазоне.
Для проведения тестовых стрельб была изготовлена тепловизионная мишень из нагреваемого теплым воздухом от тепловой пушки листа железа и вырезанных в нем линий и перекрестий. Мишень была хорошо видна в дневных условиях как в коллиматорный канал, так и в тепловизионный на расстоянии до 200 метров. Конструкция мишени позволяла ей появляться на непродолжительное время. Программа стрельб включала скоростную стрельбу по появляющейся мишени. Время появления мишени варьировалось от 1 до 3 секунд. Тестовые стрельбы проводили в следующих условиях: ночью в ясную погоду, в сумерках в ясную погоду, в сумерках при слабом дожде. Результатами использования прицела по данному изобретению явилось увеличение точности стрельбы при всех внешних воздействующих факторах и погодных условиях. Результаты тестовых стрельб сравнивались с результатами стрельб из традиционного тепловизионного прицела без коллиматорного канала. Наилучшие показатели соответствовали наибольшей разности в эффективности скоростной стрельбы между традиционным тепловизионным и коллиматорным тепловизионным прицелом по настоящей заявке на патент. При ясной погоде в ночных условиях улучшение было минимальным и составляло не более 5%. В сумерках в ясную погоду улучшение показателей эффективности стрельбы составило от 7 до 12%, и при дожде - от 9 до 14%. Конструкция прицела была рекомендована для серийного производства на предприятии - заявителе.