ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01S3/78 G02B17/00 G02B27/00 

Изобретение относится к технике оптико-электронных устройств, предназначенных для наблюдения при пониженном уровне освещенности, в частности для подземной подачи полезных ископаемых, для диспетчерского контроля положения на путях железнодорожных составов и пр.

Известно устройство [1] состоящее из последовательно установленных на оптической оси линзового объектива, электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и окуляра. Устройство работает при пониженном уровне освещенности. Однако из-за сравнительно низкого качества изображения, характерного для линзового объектива, оно имеет небольшую дальность обнаружения и распознавания объектов. Кроме того, устройство неработоспособно при пониженной прозрачности среды, в которой ведется наблюдение (дымка, туман, пыль, дым и пр.), а также в полной темноте.

Наиболее близким к изобретению является [2] состоящее из последовательно установленных на оптической оси зеркально-линзового объектива, ЭОП и окуляра. Зеркально-линзовый объектив состоит из последовательно установленных по ходу луча входного окна, вогнутого зеркала, выпуклого контроотражателя и двухлинзового комперсатора полевых аберраций. За счет использования зеркально-линзового объектива с более высоким качеством изображения, чем у линзового объектива, данное устройство имеет большую дальность обнаружения и распознавания объекта по сравнению с устройством-прототипом. Однако оно по-прежнему неработоспособно при полной темноте и при пониженной прозрачности среды наблюдения, т.е. рабочий диапазон внешних рабочих условий и для этого устройства ограничен.

Цель изобретения обеспечение работоспособности в расширенном диапазоне рабочих внешних условий.

Указанная цель достигается тем, что в оптико-электронный прибор визуализации изображения, содержащий последовательно установленные на одной оптической оси зеркально-линзовый объектив, электронно-оптический преобразователь и окуляр, причем зеркально-линзовый объектив выполнен в виде последовательно установленных по ходу луча входного окна, выполненного в виде плоскопараллельной пластинки, главного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов, контротражателя, нанесенного на подложку, и двухлинзового компенсатора полевых аберраций, введены тепловизионный электронно-оптический преобразователь, объектив переноса и положительная линза, установленная перед контротражателем, нанесенным на подложке, выполненной в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений, и на вторую по ходу луча поверхность которого нанесено дихроичное покрытие, причем положительная линза и контротражатель, нанесенный на подложке, образуют линзовый объектив, установленный в концентрическом отверстии, выполненном в центральной части входного окна, фотокатод тепловизионного электронно-оптического преобразователя размещен в фокусе линзового объектива, а его экран оптически сопряжен через объектив переноса и двухлинзовый компенсатор полевых аберраций с фотокатодом электронно-оптического преобразователя.

Для обеспечения видимости в рассеивающих средах, при пониженной прозрачности атмосферы и в полной темноте в принципе могут быть использованы тепловизионные приборы [2] Например, наблюдательный прибор фирмы SAT (Франция) модель IR60, удерживаемый в руках. Но такой прибор может обеспечивать видимость только нагретых объектов, а сравнительно холодный фон (например, местность) виден очень плохо. Кроме того, приборы подобного типа содержат достаточно сложную сканирующую систему, электронную схему и блок охлаждения фотоприемника. Вследствие этого велика также и стоимость тепловизионных приборов.

Известны также активно-импульсные приборы [2, с. 116-117, рис. 56] которые позволяют работать в указанных выше условиях, но они также сложны и энергоемки, хотя и значительно проще, чем тепловизионные приборы. Кроме того, они позволяют видеть объект наблюдения, но подавляют изображение фона, что также является недостатком.

Известны комбинированные приборы, состоящие из тепловизионного канала, содержащего последовательно установленные на оптической оси объектив, сканирующую систему и многоэлементное фотоприемное устройство, подключенное через электронный блок управления к индикатору, а также из оптико-электронного канала, включающего последовательно установленный объектив, ЭОП и окуляр. Оптические оси обоих каналов взаимно параллельны. Оптическое сопряжение изображений, формируемых отдельными каналами, может обеспечиваться в окулярной части устройства с помощью куб-призмы (заявка Великобритании N 2143397 с приоритетом от 30.06.83, кл. H 04 N 5/44, НКИ H4F, G 2 Y), плоского зеркала с двумя отражающими поверхностями (патент США N 4629295 с приоритетом от 06.06.84, кл. G 02 B 23/04, 23/05, 23/12, НКИ 350-503). Возможно оптическое сопряжение объективов каналов с помощью установленного перед ними блока плоских зеркал (патент ФРГ N 1405972 с приоритетом от 03.07.72, кл. G 02 B 23/12, НКИ H4F) или одного плоского зеркала с дихроичным покрытием (заявка Франции N 2554247 с приоритетом от 23.10.84, кл. G 02 B 23/14, 23/12, 27/32, F 41 G 1/32, 3/00, кл. X 01 J 31/50).

Во всех этих устройствах происходит совмещение разнородных по структуре изображений растрового изображения тепловизионного канала, имеющего неоднородную, дискретную структуру, обусловленную конечными размерами чувствительного элемента фотоприемного устройства и оптико-электронного канала на ЭОП, изображение в котором не имеет такой структуры. Совмещение столь разнородных изображений снижает качестве общего изображения, его информативность и в конечном счете ограничивает возможности таких устройств в особенности в широком диапазоне внешних условий, при неблагоприятных условиях видимости. Кроме того, устройства, содержащие классический тепловизионный канал, обладают и всеми недостатками приборов такого типа (см. выше).

Таким образом, современный уровень развития техники не дает оптимального решения поставленной задачи.

На чертеже представлена блок-схема предложенного оптико-электронного прибора визуализации изображения, где 1 зеркально-линзовый объектив; 2 - электронно-оптический преобразователь; 3 окуляр; 4 входное окно зеркально-линзового объектива; 5 вогнутое зеркало зеркально-линзового объектива; 6 контротражатель на подложке зеркально-линзового объектива; 7 - двухлинзовый компенсатор полевых аберраций зеркально-линзового объектива; 8 - тепловизионный электронно-оптический преобразователь; 9 объектив переноса; 10 линзовый объектив; 11 положительная линза линзового объектива.

Оптико-электронный прибор визуализации изображения состоит из последовательно установленных на одной оптической оси зеркально-линзового объектива 1, электронно-оптического преобразователя 2 и окуляра 3. Причем зеркально-линзовый объектив 1 выполнен в виде последовательно установленных по ходу луча входного окна 4, представляющего собой плоскопараллельную пластину, вогнутого зеркала 5, контротражателя 6, нанесенного на подложку, и двухлинзового компенсатора полевых аберраций 7. Кроме того, на оптической оси зеркально-линзового объектива 1 установлен тепловизионный электронно-оптический преобразователь 8, экран которого через объектив переноса 9 и двухлинзовый компенсатор полевых аберраций 7 оптически сопряжен с фотокатодом электронно-оптического преобразователя 2, а на фотокатод преобразователя 8 сфокусирован линзовый объектив 10, расположенный в концентрическом отверстии в центральной нерабочей части входного окна 4 и выполненный в виде последовательно установленных по ходу луча положительной линзы 11 и подложки с контротражателем 6, представляющей собой положительный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, на вторую по ходу луча поверхность которого, являющуюся контротражателем зеркально-линзового объектива 1, нанесено дихроичное покрытие.

Данное устройство может быть выполнено, например, на следующей элементной базе:
зеркально-линзовый объектив 1 оптический выпуск 6-77-B62 (f'200 мм, O 1:1,5 эф, 2ω = 8^°);
ЭОП 2 ЭП-10-1;
окуляр 3 лупа с увеличением 10^o (расчет N Л 46-76-В56);
входное окно 4 плоскопараллельная пластина из стекла К8;
дихроичное покрытие контротражателя 6 диэлектрическое многослойное, пропускает излучение в рабочей области спектра тепловизионного ЭОП 8-2-15 мкм и отражает в рабочей области спектра ЭОП 2 0,4-0,92 мкм;
линзовый объектив 10 оптический выпуск N Л1101-87-13264 (f' 200 мм, O 1: 1,5, 2ω = 8^°;
тепловизионный ЭОП 8 представляет собой тепловизионный ЭОП, выполненный в соответствии со схемой, приведенной в журнале "Приборы и техника эксперимента", 1990, N 6, с. 144-145;
объектив переноса 9 "Цефей" (расчет ЛЭО-В-11157РР) (f' 20 мм, O 1:1,2 2ω = 40^°).

Устройство работает следующим образом.

Излучение, определяемое уровнем естественной освещенности в области спектра, соответствующей чувствительности фотокатода ЭОП 2 (0,4-0,92 мкм), отражается от наблюдаемого объекта и окружающего его фона и поступает в зеркально-линзовый объектив 1, который формирует изображение объекта и фона на фотокатоде ЭОП 2. Последний преобразует изображение в видимое и усиливает его по яркости. Изображение с экрана ЭОП 2 наблюдается оператором через окуляр 3. Дихроичное покрытие контротражателя 6 объектива 1 работает при этом на отражение в области спектра 0,41-0,92 мкм.

Одновременно тепловое собственное излучение объекта и фона поступает в объектив 10, который формирует их тепловое изображение на фотокатоде тепловизионного ЭОП 8, работающего в области спектра 2-15 мкм. При этом дихроичное покрытие контротражателя 6 работает для этой области спектра на пропускание. ЭОП 8 преобразует изображение в видимое. Оно передается с экрана ЭОП 8 с помощью объектива переноса 9 и компенсатора полевых аберраций 7 на фотокатод ЭОП 2. Последний дополнительно усиливает это изображение, которое совместно с изображением в ЭОП 2, сформированным объективом 1, наблюдается оператором через окуляр 3.

Суммирующиеся ближнее ИК-изображение в ЭОП 2 и тепловое изображение в ЭОП 8 взаимно дополняют друг друга. При низких температурных контрастах, но при достаточном уровне естественной освещенности обычно работоспособен собственно ЭОП 2.

Если же наступает полная темнота, то наблюдается изображение, сформированное в ЭОП 8. Поскольку тепловое излучение существенно лучше распространяется в рассеивающих средах (дымка, туман, пыль, дым и пр.) по сравнению с ближневолновым излучением, то прибор приобретает работоспособность и при пониженной прозрачности среды наблюдения. Это позволяет, как показывают результаты натурных испытаний, расширить в ≈ 3,5 раза диапазон рабочих внешних условий для данного устройства.

Тепловизионный ЭОП не имеет характерной для традиционных тепловизионных приборов растровой структуры в изображении, т.е. происходит совмещение однородных в оптическом отношении изображений ЭОП 2 и ЭОП 8. Это гарантирует приемлемое качество изображения.

Использование: наблюдение при пониженном уровне освещенности, в частности для подземной добычи полезных ископаемых, для диспетчерского контроля положения на путях железнодорожных составов и пр. Сущность изобретения: излучение в области спектра 0,4-0,92 мкм поступает в зеркально-линзовый объектив 1, контротражатель 6 которого работает при этом на отражение, и на фотокатоде ЭОП 2 строится изображение. Одновременно тепловое излучение в области спектра 2-15 мкм с помощью объектива формирует изображение на фотокатоде тепловизионного ЭОП 8. При этом дихроичное покрытие контротражателя 6, являющегося последней оптической поверхностью объектива 10, пропускает область спектра 2-15 мкм. Изображение с экрана ЭОП 8 с помощью объектива переноса 9 и компенсатора 7 передается на фотокатод ЭОП 2, который усиливает по яркости оба изображения, наблюдаемые оператором через окуляр 3. 1 ил.

Оптико-электронный прибор визуализации изображения, содержащий последовательно установленные на одной оптической оси зеркально-линзовый объектив, электронно-оптический преобразователь и окуляр, причем зеркально-линзовый объектив выполнен в виде последовательно установленных по ходу луча входного окна, выполненного в виде плоскопараллельной пластинки, главного зеркала, обращенного вогнутостью к пространству предметов, контротражателя, нанесенного на подложку, и двухлинзового компенсатора полевых аберраций, отличающийся тем, что в него введены тепловизионный электронно-оптический преобразователь, объектив переноса и положительная линза, установленная перед контротражателем, нанесенным на подложке, выполненной в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству изображений, и на вторую по ходу луча поверхность которого нанесено дихроичное покрытие, причем положительная линза и контротражатель, нанесенный на подложке, образуют линзовый объектив, установленный в концентрическом отверстии, выполненном в центральной части входного окна, фотокатод тепловизионного электронно-оптического преобразователя размещен в фокусе линзового объектива, а его экран оптически сопряжен через объектив переноса и двухлинзовый компенсатор полевых аберраций с фотокатодом электронно-оптического преобразователя.