Патент на изобретение №2242777

(54) ПСЕВДОБИНОКУЛЯРНЫЕ ОЧКИ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

(57) Реферат:

Псевдобинокулярные очки относятся к комбинированным приборам наблюдения объектов по их отраженному и собственному тепловому излучению. Очки включают входной объектив, электронно-оптический преобразователь и псевдобинокулярную систему, включающую лупу и прямоугольную призму, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе. Введены 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. Фокусные расстояния дополнительной лупы, лупы псевдобинокулярной системы и инфракрасного объектива удовлетворяют соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Обеспечивается создание очков с бинокулярным зрением, работоспособных в любое время суток при любых погодных условиях, в том числе в присутствии дымов и пыли, обеспечивающих обнаружение и распознавания тепловых объектов и привязку их к местности в условиях низких температурных контрастов элементов фона, а также стрельбы из укрытия без потери видимости окружающей обстановки. 1 ил.

Предлагаемое устройство относится к оптическому приборостроению, в частности к комбинированным приборам наблюдения объектов по их отраженному и собственному тепловому излучению как вблизи, так и на значительном расстоянии от оператора в любое время суток, в любых погодных условиях, в присутствии дымов и пыли.

Устройство может использоваться 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 тепловизионные очки, включающие модуль фотоприемного устройства (ФПУ) с инфракрасным (ИК) объективом и видеосмотровое устройство, состоящее из индикатора, поворотного зеркала и монокуляра, через который наблюдается изображение объектов с экрана индикатора. (см. Proceedings of SPIE, 1998, рр 566-571, фиг.3, фиг.4). Устройство позволят осуществлять видение объектов в любое время суток по их собственному тепловому излучению. Однако в осенне-весенний период, после выпадения осадков, когда тепловые контрасты между элементами фона низкие, ориентирование и привязка к местности в таком устройстве существенно затруднена. Кроме того, в таком устройстве невозможно осуществить бинокулярное зрение.

Известны псевдобинокулярные очки ночного видения, содержащие установленные последовательно входной объектив, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу, оптически сопряженную с экраном ЭОП, прямоугольную призму с отражающими гранями, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив, поворотное плоское зеркало, коллективную линзу и окуляр.(см. например, Волков В.Г. Надголовные приборы ночного видения, Специальная техника №5 2002 г, с.8, рис. 9). Данное устройство, как наиболее близкое к предлагаемому по конструкции оптической схемы, принято за прототип. Устройство обеспечивает бинокулярное зрение, однако обладает рядом существенных недостатков: работает ограниченное время суток в условиях освещенности 10^-3 лк, не обеспечивает видение в условиях задымленности и пыли, не обеспечивает обнаружения и распознавания тепловых объектов, в том числе замаскированных, и ведение прицельной стрельбы из укрытия.

Настоящее изобретение решает задачу создания очков ночного видения с бинокулярным зрением, работоспособных в любое время суток при любых погодных условиях, в том числе в присутствии дымов и пыли, и обеспечивающих при этом обнаружение и распознавание тепловых объектов, в том числе и замаскированных, и привязку этих объектов к местности в условиях низких температурных контрастов элементов фона, а также ведение прицельной стрельбы из укрытия без потери видимости окружающей обстановки.

Для решения этой задачи в известных псевдобинокулярных очках ночного видения, содержащих установленные последовательно входной объектив, ЭОП и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу, оптически сопряженную с экраном ЭОП, прямоугольную призму с отражающими гранями, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив, поворотное плоское зеркало, коллективную линзу и окуляр, введены дополнительная лупа, состоящая из последовательно размещенных положительного мениска, оптически сопряженного с прямоугольной призмой, первого отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и второго отрицательного мениска, индикатор, экран которого оптически сопряжен со вторым отрицательным мениском дополнительной лупы, и модуль матричного фотоприемного устройства с ИК объективом на входе, выход которого подключен к входу индикатора, причем прямоугольная призма установлена с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы, а фокусные расстояния дополнительной лупы и лупы псевдобинокулярной системы удовлетворяют соотношению

гдe f₁ – фокусное расстояние лупы псевдобинокулярной системы,

f₂ – фокусное расстояние дополнительной лупы,

– размер диагонали экрана индикатора,

– диаметр экрана ЭОП,

а фокусное расстояние ИК объектива модуля матричного фотоприемного устройства удовлетворяет соотношению

где f_ик – фокусное расстояние ИК объектива,

a, b – размер матрицы фотоприемного устройства в вертикальном и горизонтальном направлении, соответственно,

f_экв – эквивалентное фокусное расстояние коллективной линзы и окуляра,

f_o – фокусное расстояние объектива псевдобинокулярной системы.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором представлена общая схема предлагаемого устройства.

Предлагаемые псевдобинокулярные очки ночного видения содержат: входной объектив 1, ЭОП 2 и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу 3, оптически сопряженную с экраном ЭОП 2, прямоугольную призму с отражающими гранями 4, сопрягающими две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив 5 и 5’, соответственно, поворотное плоское зеркало 6 и 6’ соответственно, коллективную линзу 7 и 7’ соответственно, и окуляр 8 и 8’ соответственно. Устройство также содержит дополнительную лупу, состоящую из последовательно размещенных положительного мениска 9, оптически сопряженного с прямоугольной призмой 4, первого отрицательного мениска 10, двояковыпуклой линзы 11 и второго отрицательного мениска 12. Со вторым отрицательным мениском 12 оптически сопряжен экран индикатора 13,вход которого подключен к модулю матричного фотоприемного устройства 14 с ИК объективом 15 на входе. Прямоугольная призма 4 устанавливается с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы (второе положение призмы показано на чертеже пунктиром).

Устройство работает следующим образом. Отраженное и собственное тепловое излучение от одних и тех же наблюдаемых объектов поступает одновременно во входной объектив 1 и ИК объектив 15, которые формируют на фотокатоде ЭОП 2 и на матрице фотоприемного устройства 14 изображения этих объектов в области спектра, соответствующей области чувствительности фотокатода ЭОП и матричного фотоприемного устройства. Матричное фотоприемное устройство 14 подключено ко входу индикатора 13, который отображает на экране в видимом диапазоне спектра преобразованное в этом устройстве изображение. В свою очередь изображение, преобразованное в ЭОП 2 также в видимый диапазон, отображается непосредственно на экране ЭОП 2. Экран ЭОП 2 и экран индикатора 13 размещаются соответственно в фокусах лупы 3 и дополнительной лупы, представленной оптическими компонентами 9, 10, 11 и 12. На выходе лупы 3 и дополнительной лупы, состоящей из оптических компонентов 9-12 формируются параллельные пучки лучей. В зависимости от положения призмы 4 относительно оптической оси псевдобинокулярной системы на ее отражающие грани поступают параллельные пучки лучей либо с выхода лупы 3, либо с выхода дополнительной лупы. Причем, для обеспечения постоянства увеличения у наблюдаемых с разных экранов изображений объектов при сохранении одного и того же поля зрения фокусное расстояние ИК объектива 15 определяется из формулы (II), при этом лупа псевдобинокулярной системы 3 и дополнительная лупа, состоящая из оптических компонентов 9-12, совместно с объективами 5, 5’ формируют на передних плоских поверхностях коллективных линз 7, 7’ изображения с экрана ЭОП и экрана индикатора, соответственно, таким образом, чтобы они были одного размера, что достигается выбором фокусных расстояний лупы псевдобинокулярной системы и дополнительной лупы в соответствии с формулой (I).

В настоящее время рассчитана псевдобинокулярная система с дополнительной лупой (оптический выпуск – Л1104-02-В667). Разработана конструкторская документация на предлагаемые псевдобинокулярные очки ночного видения. Собран макет псевдобинокулярных очков ночного видения и проведены его испытания, которые подтвердили правильность заложенных в устройство принципов и преимущество по сравнению с устройством, принятым за прототип и с существующими аналогами в достижении требуемых характеристик по дальности видения в неблагоприятных условиях. В предлагаемом устройстве за счет возможности наблюдения одних и тех же объектов в разных спектральных диапазонах обеспечивается обнаружение замаскированных тепловых объектов, привязка их к местности в условиях низких тепловых фоновых контрастов, а также работа очков в условиях запыления и задымленности. Выполнение матричного ФПУ с ИК объективом на входе в виде съемного модуля позволяет реализовать возможность ведения прицельной стрельбы из укрытия, при мобильном съеме и размещении модуля на стрелковом оружии, без потери видимости окружающей обстановки.

Возможность закрепления очков на маске с оголовьем, либо на шлеме (каске) улучшает эргономические показатели предлагаемого устройства.

Формула изобретения

Псевдобинокулярные очки ночного видения, содержащие установленные последовательно входной объектив, электронно-оптический преобразователь и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу, оптически сопряженную с экраном электронно-оптического преобразователя, прямоугольную призму с отражающими гранями, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив, поворотное плоское зеркало, коллективную линзу и окуляр, отличающиеся тем, что в них введены дополнительная лупа, состоящая из последовательно размещенных положительного мениска, оптически сопряженного с прямоугольной призмой, первого отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и второго отрицательного мениска, индикатор, экран которого оптически сопряжен со вторым отрицательным мениском дополнительной лупы, и съемный модуль матричного фотоприемного устройства с инфракрасным объективом на входе, выход которого подключен ко входу индикатора, причем прямоугольная призма установлена с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы, а фокусные расстояния дополнительной лупы и лупы псевдобинокулярной системы удовлетворяют соотношению:

где f₁ – фокусное расстояние лупы псевдобинокулярной системы;

f₂ – фокусное расстояние дополнительной лупы;

– размер диагонали экрана индикатора;

– диаметр экрана электронно-оптического преобразователя;

при этом фокусное расстояние инфракрасного объектива должно удовлетворять соотношению:

где f_ик – фокусное расстояние инфракрасного объектива;

a, b – линейные размеры матрицы фотоприемного устройства соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях;

f_экв – эквивалентное фокусное расстояние коллективных линз и окуляров псевдобинокулярной системы;

f_o – фокусное расстояние объективов псевдобинокулярной системы.

РИСУНКИ