ОПТИЧЕСКАЯ ПАНОРАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2009 года по МПК G02B23/02 F41G1/40 

Настоящее изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может найти применение при создании бинокулярных приборов панорамного наблюдения, ориентирования, обнаружения, разведки местности и распознавания целей, топографических и астронавигационных измерений.

Известны оптические панорамические системы оптических приборов, например, зенитных визиров, которые позволяют наблюдать все пространство вокруг наблюдателя при неизменном положении окуляра (см., например, В.Н.Чуриловский, Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 год, стр.334, 335, рис.IV. 19 б [1], Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора М.В.Савостьяновой. Изд.3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 год, стр.36-37, рис.26, [2]). Идеологической основой их является панорамическая система Герца, включающая отражатель с компенсатором наклона в виде выпрямляющей призмы, оборачивающую систему и окулярную часть из объектива, крышеобразной призмы и окуляра. Указанная возможность панорамического наблюдения достигается тем, что верхняя, головная часть прибора, содержащая отражатель, например, в виде прямоугольной призмы или призмы-куба с отражательной гранью, может поворачиваться на 360° вокруг вертикальной оптической оси прибора, формируя панорамный оптический сигнал. Чтобы изображение предмета на окуляре при этом все время оставалось прямым, вслед за указанной призмой до объектива зрительной трубы или между линзами оборачивающей системы, в параллельном пучке лучей устанавливается трапецеидальная выпрямляющая призма Дове, которая, поворачиваясь одновременно с первым, головным отражателем в ту же сторону, но со скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя, будет компенсировать поворот изображения, возникающий от поворота головного отражателя.

Недостатком приведенных выше систем является их монокулярность, которая ограничивает возможности этих систем с точки зрения информативности, не позволяет получить информацию о рассматриваемой местности по глубине пространства, уменьшает разрешающую способность глаза наблюдателя. А также имеет меньшую обнаружительную, распознавательную способность, вызывает ускоренную утомляемость глаз наблюдателя, а потому менее эффективна при использовании по отношению к бинокулярным системам, что может привести к дополнительным потерям информации при наблюдении. Стереоскопическая разрешающая способность в шесть раз превосходит разрешающую способность глаза (см. [1], стр.418).

Радиус стереоскопического зрения человека равен 1,35 км. Бинокулярный прибор увеличивает радиус стереоскопического зрения пропорционально произведению увеличения прибора на базовое расстояние между его входными зрачками. Повышение увеличения прибора приводит к уменьшению поля зрения прибора, а следовательно, к снижению его обнаружительной способности целей (см. [2], стр.39-41).

В зависимости от назначения прибора и решаемых им задач необходимый радиус стереоскопического зрения может достигать нескольких сотен километров, например, при наблюдении объектов на поверхности Земли с борта пилотируемой космической станции. (См. книгу «Битва за звезды: космическое противостояние» А.Первушин, М: ООО «Издательство ACT», 2004 г., стр.601. [3]. Военно-историческая библиотека), а также при визуальной разведке местности и целей в горных условиях и с высоко расположенных наблюдательных пунктов.

Известна оптическая панорамическая система, которая обеспечивает панорамное стереоскопическое бинокулярное наблюдение. (См. Г.Р.Пекки, М.И.Филатов. Патент на изобретение RU №2.290.676, С1, МПК G02B 23/02(2006/01) - Прототип, [4].)

Данная оптическая панорамическая система (ОПС) имеет недостатки.

1. ОПС не обеспечивает трехосное взаимно перпендикулярное перемещение оптической оси визирования в полусфере обзора для пространственной трехосной стабилизации оптической оси визирования во время распознавания цели, прицеливания, астронавигационных и топографических измерений аналогично конструкции пространственного оптического шарнира для монокулярного наблюдения. (См. например, «Справочник конструктора оптико-механических приборов». Под общ. ред. В.А.Панова, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980 г., стр.192, рис.4.28, 4.29, [5]).

2. ОПС конструктивно не обеспечивает повышение радиуса стереоскопического зрения за счет увеличения базового расстояния между входными зрачками головных телескопических систем, что ограничивает области применения.

Задачей изобретения является создание оптической панорамической системы, которая позволит повысить информативность и эффективность наблюдений, расширить круг решаемых задач в любой точке полусферы обзора и области применения прибора. Задача решается конструкцией оптической панорамической системы, содержащей две, идентичные друг к другу головные телескопические системы с головным прямоугольным отражателем каждая, оптические оси которых параллельны между собой, симметрично установленные относительно вертикальной оптической оси с возможностью их синхронного поворота вокруг вертикальной оптической оси совместно с выпрямляющей призмой, установленной на этой оси и двумя прямоугольными отражателями, установленными перед выпрямляющей призмой в ее поле зрения, отражающие грани которых совмещены с выходными зрачками соответствующих им головных телескопических систем, неподвижную окулярную телескопическую систему с двумя ромбическими отражателями за ней, линия пересечения входных отражающих граней которых пересекает под прямым углом вертикальную оптическую ось, а за выходными отражающими гранями их установлены окулярные отражатели и идентичные друг к другу объективы и окуляры в бинокулярной части системы. При этом отличием предлагаемого решения от прототипа является то, что перед выпрямляющей призмой и двумя прямоугольными отражателями в ее поле зрения, один из которых выполнен с одной отражающей гранью, а другой - с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей, установленными на горизонтальных оптических осях головных телескопических систем, соосно и диаметрально противоположно расположенных между собой под прямым углом к вертикальной оптической оси, и головные отражатели с возможностью их синхронного поворота в одном направлении вокруг соответствующих им горизонтальных оптических осей и вокруг перпендикулярных к ним осей, лежащих в плоскостях отражающих граней головных отражателей, и синхронного поворота с головными телескопическими системами вокруг вертикальной оптической оси совместно с прямоугольными отражателями и выпрямляющей призмой, угловая скорость которой равняется алгебраической полусумме угловых скоростей поворота головных отражателей вокруг горизонтальных оптических осей и вертикальной оптической оси системы, а в неподвижной бинокулярной части окулярные отражатели прямого и зеркального изображений выполнены в виде пентапризмы и пентапризмы с крышей, с двумя и тремя отражающими гранями соответствующих им оптических каналов наблюдения.

Назначение головных отражателей - обеспечить панорамный обзор окружающего пространства полем зрения головных телескопических систем, оптические оси которых параллельны между собой, путем их синхронного поворота в трех взаимно перпендикулярных направлениях (по углам горизонта, высоты и крена). Головные отражатели идентичны между собой и могут быть выполнены в виде плоских зеркал или прямоугольных призм (см. [5], стр.170, АР-90°) в зависимости от диаметров входных зрачков головных телескопических систем.

Назначение головных телескопических систем - формирование поля панорамического изображения на каждый глаз отдельно. Расстояние между параллельными ветвями головных отражателей головных телескопических оптических систем определяется необходимой глубиной анализируемого пространства при заданном увеличении системы и является чисто расчетной инженерной величиной. Лучшим вариантом построения головной оптической телескопической системы с точки зрения простоты, надежности и небольших габаритов будет телескопическая двухлинзовая оптическая система Кеплера (см., например, [2], стр.15, рис.11).

Прямоугольные отражатели предназначены для формирования изображений объектов наблюдения головными телескопическими системами перед выпрямляющей призмой в ее поле зрения. С этой целью выходные зрачки головных телескопических систем совмещены с отражающими гранями прямоугольных отражателей, установленными на горизонтальных оптических осях симметрично относительно вертикальной оптической оси в поле зрения выпрямляющей призмы. Один их прямоугольных отражателей выполнен с одной отражающей гранью, например в виде призмы АР-90°. Другой прямоугольный отражатель выполнен с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей АКР-90° (см. [5], стр.170, 172). Это позволяет направить параллельные пучки лучей от каждой головной телескопической системы на выпрямляющую призму симметрично относительно вертикальной оптической оси. При несоблюдении этих условий нарушится параллельность хода лучей входных и выходных зрачков, что может привести к потерям информативности всей системы в целом. Перед бинокулярной частью всей системы неподвижно симметрично относительно вертикальной оптической оси установлены два идентичных друг другу окулярных ромбических отражателя (см. [5] призма БС-0°, стр.172) каждый для своей окулярной ветви так, что линия пересечения их входных отражающих граней пересекается под прямым углом с оптической вертикальной осью. Для формирования пучка лучей на каждую входную грань окулярных ромбических отражателей, до них, на вертикальной оптической оси неподвижно установлена окулярная телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен с входными гранями окулярных ромбических отражателей. Призматические отражатели бинокулярной части, служащие для изменения направления оптической оси с целью удобства наблюдения, установлены каждый, как в прототипе в поле зрения выходной грани своего окулярного ромбического отражателя непосредственно за ним, до объектива каждой окулярной ветви. В качестве выпрямляющей призмы могут быть использованы трапецеидальная призма Дове АР-0° ([5], стр.170), призма Пехана ([5], стр.170). В зависимости от типа используемой выпрямляющей призмы будет зависеть ее место расположения в оптической системе. Если использовать в качестве выпрямляющей призмы трапецеидальную призму Дове, последняя работает в параллельном пучке лучей, и для обеспечения ее работы ее можно расположить либо сразу за головными прямоугольными отражателями, формирующими на выходе параллельный пучок лучей, перед выпрямляющей призмой и окулярной двухлинзовой телескопической системой, либо между средними линзами окулярной четырехлинзовой телескопической системы. При использовании призмы Пехана в качестве выпрямляющей последняя будет работать в сходящемся пучке лучей и должна быть установлена между линзами окулярной двухлинзовой телескопической системы, обеспечивающей этот сходящийся пучок лучей на указанном участке. Однако призма Пехана более сложна в изготовлении, а потому менее предпочтительна. Окулярные отражатели выполнены в виде пентапризмы и пентапризмы с крышей, предназначенных для выравнивания изображений в обоих оптических каналах, а объективы - для оборачивания и формирования прямых изображений в выходных зрачках окуляров бинокулярной части системы.

Описанная конструкция оптической системы позволит сформировать оптический панорамический сигнал для обоих глаз наблюдателя и обеспечить построение бинокулярной оптической системы с трехосным поворотом во взаимно-перпендикулярных направлениях (в любой точке полусферы) оптической оси визирования за целью (по углам горизонта, высоты и крена), увеличить радиус стереоскопического зрения, информативность и эффективность визуальных наблюдений.

На чертеже изображена оптическая схема оптической панорамической бинокулярной системы наблюдения. Она содержит два идентичных друг другу головных отражателя 1. Головной отражатель может быть выполнен как в виде зеркала, так и в виде прямоугольной призмы АР-90° (см. [5], стр.170). После головных отражателей 1 в их полях зрения размещены две идентичные друг другу головные телескопические системы, содержащие по две линзы 2 и 3 для формирования панорамного изображения местности для каждого глаза наблюдателя, установленные соосно друг другу в диаметрально-противоположных направлениях под прямым углом к вертикальной оптической оси системы. Выходные зрачки головных телескопических систем совмещены с отражающими гранями прямоугольных отражателей 4 и 5, установленных симметрично относительно вертикальной оптической оси перед выпрямляющей призмой 6 в ее поле зрения, что позволяет направить параллельные пучки лучей от наблюдаемого объекта отдельно на каждый глаз наблюдателя от головных отражателей 1, головными телескопическими системами 2-3 и прямоугольными отражателями 4 и 5 параллельно вертикальной оптической оси на выпрямляющую призму 6. Прямоугольный отражатель 4 выполнен с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей (см. [5], стр.172, призма АКР-90°). Прямоугольная призма 5 выполнена с одной отражающей гранью (см. [5], стр.170, призма АР-90°). За выпрямляющей призмой 6 на вертикальной оптической оси установлена окулярная телескопическая система из линз 7 и 8 с двумя идентичными между собой ромбическими отражателями 9 (см. [5], стр.172, призма БС-0°-ромб), линия пересечения входных отражающих граней которых пересекает вертикальную оптическую ось под прямым углом. Указанные ромбические отражатели служат для параллельного переноса оптического бинокулярного панорамического сигнала на каждый глаз наблюдателя. За выходными отражающими гранями ромбических отражателей 9 установлены окулярные отражатели. В одном оптическом канале прямоугольный отражатель с двумя отражающими гранями - пентапризма 10, а в другом канале прямоугольный отражатель с тремя отражающими гранями - пентапризма с крышей 11, за выходными гранями которых установлены идентичные между собой объективы 12 и окуляры 13. В поле зрения правого окуляра 13 установлена плоскопараллельная пластинка 14 с измерительной сеткой прицеливания.

Оптическая панорамическая бинокулярная система работает следующим образом. После установки оптической панорамической бинокулярной системы на местности включают двигатели (не показано) и начинается обзор окружающего пространства путем синхронного поворота головных отражателей 1 для наведения оптических осей головных телескопических систем 2-3 на объект наблюдения. При повороте головных отражателей 1 по часовой стрелке по ходу лучей (см. [1], стр.19) на угол β, знак поворота правого отражателя 1 - положительный + β, а левого отражателя 1 - отрицательный - β. После головных отражателей 1 параллельные пучки лучей от наблюдаемого объекта (зеркального изображения) направляются в телескопические системы 2-3, оборачивающие эти изображения на 180°, и далее следуют на отражающие грани прямоугольных отражателей 4 и 5. Прямоугольный отражатель 4, выполненный с двумя отражающими гранями в виде призмы с крышей (см. [5], стр.172, призма АКР-90°) дает полное оборачивание изображения и направляет параллельные пучки лучей выходного зрачка телескопической системы 2-3 параллельно вертикальной оптической оси на выпрямляющую призму 6. При этом изображение наблюдаемого объекта в оптическом канале 1-2-3-4 перед выпрямляющей призмой 6 будет прямое и зеркальное (два оборачивания изображения 2-3-4 и нечетное число отражающих граней 1-4).

Прямоугольный отражатель 5, выполненный с одной отражающей гранью, направляет параллельные пучки лучей выходного зрачка телескопической системы 2-3, повернутого на 180° телескопической системой зеркального изображения после головного отражателя 1, параллельно вертикальной оптической системе на выпрямляющую призму 6. При этом изображение объекта наблюдения перед выпрямляющей призмой 6 в этом оптическом канале 1-2-3-5 будет повернутым на 180° телескопической системой 2-3 и прямым после отражателей 1-5 (четное число отражающих граней). Таким образом, левый оптический канал 1-2-3-4 является зеркальным отображением правого оптического канала и благодаря этому при вращении головного отражателя 1 по часовой стрелке на угол + β изображения объекта перед выпрямляющей призмой 6 в обоих оптических каналах вращаются в одном направлении по часовой стрелке на угол + β, что требует поворота выпрямляющей призмы 6 в том же направлении на половинный угол + β/2, т.е. с угловой скоростью, вдвое меньшей угловой скорости поворота головных отражателей, компенсируя наклон изображений в обоих оптических каналах перед окулярной телескопической системой 7-8, оборачивающей изображения на угол 180° (см. [2], стр.15, рис.11) и проектирующей изображения объекта обоих каналов наблюдения на соответствующих им входных отражающих гранях ромбических отражателей 9 (см. [5], призма БС-0°, стр.172). Поэтому выпрямляющая призма 6 установлена, при юстировке оптической системы, в положение, компенсирующее оборачивание изображений телескопической системы 7-8, путем поворота выпрямляющей призмы 6 вокруг вертикальной оптической оси системы на угол 90°.

Далее параллельные пучки лучей обоих оптических каналов направляются выходными отражающими гранями ромбических отражателей 9 на окулярные отражатели 10 и 11, выполненные в виде пентапризмы прямого изображения и пентапризмы с крышей зеркального изображения, за выходными гранями которых изображения в обоих каналах будут прямыми и повернутыми на 180°. Далее параллельные пучки лучей направляются в идентичные между собой объективы 12 бинокуляра, которыми они оборачиваются на 180° и формируют прямые изображения наблюдаемого объекта в выходных зрачках идентичных окулярах 13.

При повороте головных отражателей 1 с головными телескопическими системами 2-3 совместно с прямоугольными отражателями 4 и 5 вокруг вертикальной оптической оси на угол + α по часовой стрелке по ходу лучей изображения объекта наблюдения в обоих оптических каналах поворачиваются в том же направлении на угол + α. Для компенсации наклона изображений выпрямляющая призма 6 синхронно поворачивается в том же направлении с половинной угловой скоростью на угол + α/2. При одновременном повороте головных отражателей вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей в одном направлении, например, по часовой стрелке угловая скорость поворота выпрямляющей призмы 6 равна алгебраической полусумме угловых скоростей поворота вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей + β/2+α/2, а при повороте головных отражателей 1 в противоположных направлениях с одинаковыми угловыми скоростями, например, +β/2-α/2=0 выпрямляющая призма 6 неподвижна относительно вертикальной оптической оси.

Таким образом, угловая скорость поворота выпрямляющей призмы 6 равна алгебраической полусумме угловых скоростей поворота головных отражателей 1 вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей бинокулярной панорамической системы ±α/2±β/2.

При синхронном повороте в одном направлении головных отражателей 1 вокруг осей, перпендикулярных к горизонтальным оптическим осям головных телескопических систем 2-3, лежащих в отражающих гранях головных отражателей 1, на угол + γ оптические оси визирования за целью поворачиваются в том же направлении на удвоенный угол поворота головных отражателей + 2γ (см. [1], стр.19). Конструктивно головные телескопические системы 2-3 могут быть установлены перед головными прямоугольными отражателями 1 соответствующих им оптических каналов головной части прибора с синхронным поворотом их с головными отражателями 1 в том же направлении с удвоенной угловой скоростью поворота головных отражателей. Для визуальных наблюдений, обнаружения, разведки и слежения за целью по трем взаимно-перпендикулярным прямолинейным направлениям в любой точке полусферы обзора, топографических и астронавигационных измерений достаточно обеспечить углы поворота головных отражателей на углы α=±180°, β=±90°, γ=±30°.

Оптическая панорамическая бинокулярная система обеспечивает выполнение обязательных требований, предъявленных к бинокулярным приборам, а именно: количество отражающих граней и оборачивающих систем должны быть четными и равными, соответственно 8 и 4, в каждом оптическом канале данной оптической панорамической бинокулярной системы.

Источники информации

1. В.Н.Чуриловский, Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 год, стр.334, 335, рис.IV. 19б;

2. Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора М.В.Савостьяновой. Изд.3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 год, стр.36-37, рис.26 - прототип;

3. А.Первушин. «Битва за звезды: космическое противостояние». М: ООО «Издательство ACT», 2004 г., стр.601. Военно-историческая библиотека;

4. Г.Р.Пекки, М.И.Филатов. Патент на изобретение RU №2.290.676, С1, МПК, G02B 23/02.

5. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общей редакцией В.А.Панова, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980 г., стр.170-172.

Панорамическая система содержит две идентичные головные телескопические системы с головным отражателем для каждой, установленные соосно друг другу под прямым углом к вертикальной оптической оси с возможностью синхронного поворота вокруг вертикальной оптической оси, на которой установлена с возможностью поворота выпрямляющая призма, совместно с установленными перед ней двумя отражателями, отражающие грани которых совмещены с выходными зрачками соответствующих им головных телескопических систем. Один из отражателей - в виде прямоугольной призмы с крышей, а другой - в виде прямоугольной призмы. За выпрямляющей призмой установлена неподвижная окулярная телескопическая система с двумя отражателями в виде призмы-ромба, за выходными гранями которых установлена бинокулярная часть системы. Технический результат - повышение информативности и эффективности наблюдения за счет трехосного поворота оптических осей визирования за целью в полусфере обзора, увеличение радиуса стереоскопического зрения и глубины анализируемого пространства наблюдения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптическая панорамическая система, содержащая две идентичные между собой головные телескопические системы с головным отражателем для каждой, установленные с возможностью их синхронного поворота вокруг вертикальной оптической оси, на которой установлена с возможностью поворота выпрямляющая призма, совместно с двумя отражателями, установленными симметрично относительно вертикальной оптической оси перед выпрямляющей призмой и направляющими параллельные пучки лучей симметрично относительно вертикальной оптической оси, отражающие грани которых совмещены с выходными зрачками соответствующих им головных телескопических систем, неподвижную окулярную телескопическую систему с двумя отражателями в виде призмы-ромба за ней, линия пересечения входных граней которых пересекает под прямым углом вертикальную оптическую ось, а за выходными гранями их последовательно установлены окулярные отражатели и идентичные друг другу объективы и окуляры бинокулярной части системы, отличающаяся тем, что один из отражателей перед выпрямляющей призмой выполнен в виде прямоугольной призмы с крышей, а другой - в виде прямоугольной призмы, головные телескопические системы с головными отражателями установлены соосно друг другу под прямым углом к вертикальной оптической оси в диаметрально-противоположных направлениях, при этом головные отражатели установлены с возможностью их синхронного поворота в одном направлении вокруг горизонтальной оптической оси и вокруг перпендикулярных к горизонтальной оптической оси каждой телескопической системы осей поворота, лежащих в плоскостях отражающих граней головных отражателей, при этом угловая скорость поворота выпрямляющей призмы равняется алгебраической полусумме угловых скоростей поворота головных отражателей вокруг горизонтальной и вертикальной оптических осей, а в неподвижной бинокулярной части окулярные отражатели выполнены в виде пентапризмы и пентапризмы с крышей в соответствующих им оптических каналах бинокулярной части системы.2. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что головные телескопические системы выполнены каждая в виде двухлинзовой оптической системы.3. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярная телескопическая система выполнена четырехлинзовой, а выпрямляющая призма выполнена в виде призмы Дове и установлена между второй и третьей линзами окулярной телескопической системы.4. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярная телескопическая система выполнена двухлинзовой, а выпрямляющая призма выполнена в виде призмы Пехана и установлена между линзами этой окулярной телескопической системы.