СПОСОБ СМЕНЫ ПОЛЕЙ ЗРЕНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК G02B23/12 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптико-электронным приборам, и может быть использовано, например, в тепловизионных приборах и системах, построенных на основе матричных приемников теплового излучения и обеспечивающих анализ изображений объектов в различных полях зрения.

Широко известен способ смены полей зрения в оптико-электронном приборе, основанный на изменении фокусного расстояния оптической системы, расположенной перед фотоприемным устройством, в том числе матричным фотоприемным устройством (МФПУ) [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с. См. с.91-115]. Изменение фокусного расстояния оптической системы осуществляют с помощью переключающего устройства путем ввода-вывода оптических компонентов из хода лучей. При этом изображение объектов фиксируют одним МФПУ, размер чувствительной площадки которого и определяет в совокупности с достигнутым фокусным расстоянием оптической системы величину поля зрения оптико-электронного прибора. В этом способе с помощью переключающего устройства направляют на МФПУ либо изображение объектов, расположенных в пределах узкого поля зрения, либо в пределах широкого поля зрения. При этом с помощью переключающего устройства обеспечивают такую последовательность и скорость переключения полей зрения, которая определяется потребностями оператора проводить анализ изображения объектов в разных полях зрения. Очевидно, в этом способе переключение полей зрения осуществляется со значительно более низкой частотой по сравнению с частотой кадровой развертки. При этом анализ изображения объектов осуществляют либо в узком, либо в широком поле зрения, но неодновременно. В результате при анализе изображения объектов, находящихся, например, в узком поле зрения, теряют информацию об объектах, находящихся в широком поле зрения, и наоборот.

Недостатком указанного способа является невозможность одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов в широком и узком полях в оптико-электронном приборе с одним МФПУ.

Известны большое число устройств-аналогов, реализующих этот способ смены полей зрения.

В тепловизионном приборе [Патент RU 2182717, 2002 г.], включающем оптическую систему, МФПУ, блок электронной обработки и устройство визуализации изображения, смена фокусного расстояния оптической системы и, в результате, смена полей зрения, оптико-электронного прибора осуществляется путем ввода-вывода двух линз из хода лучей с помощью переключающего устройства.

В тепловизионном приборе [Патент US 6274868 B1, 2001 г.], включающем оптическую систему, МФПУ, блок электронной обработки, переключение полей зрения осуществляется с помощью переключающего устройства, вводящего в ход лучей одну из нескольких афокальных систем, являющихся частью оптической системы устройства.

Недостатком устройств-аналогов является невозможность одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов в широком и узком полях зрения.

В качестве наиболее близкого аналога можно указать устройство оптико-электронного прибора - облегченной головки инфракрасной системы переднего обзора [Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с. См. с.373-375, рис. 14.4], состоящей из оптической системы, имеющей сменное фокусное расстояние, переключающего устройства для смены полей зрения, МФПУ, блока электронной обработки. Для перехода от широкого поля зрения к узкому из оптической системы выводятся пять линзовых компонентов с помощью переключающего устройства. Переключение полей зрения осуществляется по желанию оператора и осуществляется независимо от блока электронной обработки сигналов. Устройство электронного блока таково, что формируемый им видеосигнал содержит информацию только о том поле зрения, которое в конкретный промежуток времени реализуется оптической системой в оптико-электронном приборе.

Недостатком наиболее близкого аналога является невозможность одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов в широком и узком полях зрения.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство для его реализации, является создание технологичного, экономически эффективного оптико-электронного прибора, с высокими техническими характеристиками.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в возможности одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов, получаемых в оптико-электронном приборе с одним МФПУ в различных полях зрения, то есть с различными увеличениями. В результате обеспечивается возможность организации различных вариантов представления выходного видеосигнала в зависимости от конкретных требований и задач, решаемых оптико-электронным прибором или системой (например, возможность осуществлять в реальном масштабе времени параллельную автоматическую обработку или вывод изображений двух полей зрения, возможность представлять изображение объектов в любом из полей зрения с возможностью переключения последних с желаемой оператором скоростью, возможность совмещать в выходном изображении фрагменты изображений с различными увеличениями объектов).

При этом заявляемые способ и устройство для его реализации образуют единый изобретательский замысел как по решаемой задаче, так и по достигаемому техническому результату.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе смены полей зрения в оптико-электронном приборе, заключающемся в смене с помощью переключающего устройства фокусного расстояния оптической системы, расположенной перед МФПУ, взаимосвязанным с модулем электронной обработки, в отличии от наиболее близкого аналога компоненты оптической системы выполняют неподвижными, из них организуют два оптических канала с различными фокусными расстояниями, переключающее устройство выполняют высокочастотным, обеспечивающим формирование последовательности чередующихся кадров, создаваемых каждым из оптических каналов в плоскости чувствительной площадки МФПУ, в модуле электронной обработки выходной видеосигнал формируют либо сплошным потоком из чередующихся кадров каждого из полей, либо разбивают на два потока, соответствующих узкому и широкому полям.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в оптико-электронном приборе, реализующем указанный способ смены полей зрения, содержащем взаимосвязанные между собой оптическую систему, имеющую сменное фокусное расстояние, переключающее устройство, матричное фотоприемное устройство, модуль электронной обработки, в отличии от наиболее близкого аналога компоненты оптической системы выполнены неподвижными в виде двух каналов с различными фокусными расстояниями, переключающее устройство выполнено с возможностью обеспечения высокой частоты чередования на матричном фотоприемном устройстве изображений объектов, формируемых каждым из оптических каналов, при этом в модуле электронной обработки выходной видеосигнал преобразован в формат, позволяющий проводить параллельную обработку информации с двух полей зрения в реальном масштабе времени.

Предлагаемые признаки являются существенными, так как они влияют на получение технического результата и находятся с ним в причинно-следственной связи, а именно для возможности одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов, получаемых в оптико-электронном приборе с одним МФПУ с различными увеличениями, то есть в различных полях зрения, формируется выходной видеосигнал либо сплошным потоком из чередующихся кадров каждого из полей, либо выходной видеосигнал делится на два потока, соответствующих узкому и широкому полям. Для этого компоненты оптической системы выполняют неподвижными, из них организуют два оптических канала с различными фокусными расстояниями; одновременно переключающее устройство выполняют высокочастотным, обеспечивающим формирование последовательности чередующихся кадров, создаваемых каждым из оптических каналов в плоскости чувствительной площадки МФПУ.

В предлагаемом устройстве в модуле электронной обработки обеспечена параллельная обработка информации с двух полей зрения в реальном масштабе времени и ее преобразование для передачи на существующие, широко известные устройства визуализации, что соответствует заявленному в способе смены полей зрения в оптико-электронном приборе разделению в модуле электронной обработки видеосигнала на два потока, соответствующих узкому и широкому полям. Таким образом, предлагаемые способ смены полей зрения в оптико-электронном приборе и устройство для его реализации являются способом и устройством для осуществления способа в одном из его действий.

Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров для решения поставленной задачи и достижения технического результата.

Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны способ смены полей зрения в оптико-электронном приборе и устройство для его реализации, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков, позволяющая обеспечить одновременный, в реальном масштабе времени, анализ изображений объектов, получаемых в оптико-электронном приборе с одним МФПУ, в различных полях зрения.

Предложенные способ и устройство для его реализации иллюстрируются с помощью функциональной схемы оптико-электронного прибора со сменой полей зрения, представленной на фиг.1.

Осуществление способа заключается в следующем: для создания смены полей зрения в оптико-электронном приборе выполняют следующую совокупность действий: организуют компоненты оптической системы в два оптических канала 1 и 2 таким образом, что фокусные расстояния f'₁ и f'₂ последних имеют различные величины, при этом отношение величин фокусных расстояний оптических каналов примерно равно желаемому отношению величин полей зрения; устанавливают компоненты оптических каналов неподвижно относительно остальных элементов оптико-электронного прибора; с помощью переключающего устройства 3 направляют излучение от каждого из оптических каналов на МФПУ 4; переключающее устройство 3 для смены полей зрения выполняют высокочастотным, обеспечивающим формирование последовательности чередующихся кадров, создаваемых каждым из оптических каналов в плоскости чувствительной площадки МФПУ 4; в модуле электронной обработки 5 формируют выходной видеосигнал либо сплошным потоком из чередующихся кадров каждого из полей, либо разбивают на два потока, соответствующих узкому и широкому полям.

Так как сущность предлагаемого способа и устройства оптико-электронного прибора со сменой полей зрения охарактеризована с использованием признаков, представленных на уровне функционального обобщения, то далее дается описание средств для реализации указанных признаков или методов их получения, либо указывается на известность и возможность технической реализации признаков.

Возможность технической реализации оптических каналов с различными фокусными расстояниями не требует особых доказательств, очевидна специалистам и может быть реализована путем различного устройства оптических систем, отличающихся техническими характеристиками. При этом оптические каналы могут как содержать общие оптические элементы, так и не содержать. Взаимное расположение оптических каналов относительно друг друга определяется конкретными техническими требованиями к характеристикам оптико-электронного прибора. В качестве принципиальной схемы взаимного размещения оптических каналов и остальных элементов на фиг.2 приведен пример конкретного исполнения устройства оптико-электронного прибора со сменой полей зрения. Оптический канал 1 содержит оптические системы 6 и 7. Зеркало 8 обеспечивает компоновку прибора в требуемых габаритных размерах. Зеркало 3 является оптическим элементом высокочастотного переключающего устройства. Зеркало 3 в показанном на фиг.2 положении направляет излучение, проходящее через оптический канал 1 и формирующее изображение объектов, на чувствительную площадку МФПУ 4. Оптический канал 1 имеет фокусное расстояние f'₁. В результате в пространстве предметов первого оптического канала обеспечивается угловое поле 2ω₁, величина которого определяется размером чувствительной площадки МФПУ и величиной f'₁. Оптический канал 2 содержит оптическую систему 9 и общую с оптическим каналом 1 оптическую систему 7. Зеркало 3 непосредственно или через привод связано с осью двигателя 10 и вращается, при этом осуществляется его последовательное введение и выведение в ход лучей оптического канала 1. При выведенном из хода лучей оптического канала 1 положении зеркала 3 в оптическую систему оптического канала 2 вводится диафрагма с отверстием, и излучение, проходящее через оптический канал 2 и формирующее изображение объектов, направляется на чувствительную площадку МФПУ 4, а излучение из оптического канала 1 не попадает на МФПУ 4. Оптический канал 2 имеет фокусное расстояние f'₂. В результате в пространстве предметов второго оптического канала обеспечивается угловое поле 2ω₂, величина которого определяется размером чувствительной площадки МФПУ 4 и величиной f'₂, при этом отношение величин угловых полей 2ω₁/2ω₂ примерно обратно пропорционально отношению величин фокусных расстояний f'₁/f'₂. Переключение оптических каналов 1 и 2 для обеспечения формирования последовательности чередующихся кадров, создаваемых каждым из оптических каналов в плоскости чувствительной площадки МФПУ 4, выполняется с частотой, согласованной с частотой кадровой развертки. В модуле электронной обработки 5 формируется выходной видеосигнал либо сплошным потоком из чередующихся кадров каждого из полей, либо выходной видеосигнал разбивается на два потока, соответствующих узкому и широкому полям. В зависимости от конкретных требований и задач, решаемых оптико-электронным прибором, эти видеопотоки используются в реальном масштабе времени для параллельной автоматической обработки или вывода изображений двух полей зрения, при этом реализуется возможность представлять изображения объектов в любом из полей зрения с возможностью переключения последних с желаемой оператором скоростью и последовательностью, а также возможность совмещать в выходном изображении фрагменты изображений с различными увеличениями объектов. Представление выходного изображения может осуществляться различным образом, например, на жидкокристаллическом мониторе и технически реализуемо.

Техническая реализация высокочастотного переключающего устройства обеспечивается различными конструктивными решениями, например, на основе двигателя постоянного тока или шагового двигателя с установленными на их оси зеркалом, набором зеркал или других оптических элементов.

Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого способа смены полей зрения в оптико-электронном приборе и устройства для его реализации, обладающих совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичный, экономически эффективный оптико-электронного прибор с высокими техническими характеристиками.

Литература

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.

2. Патент RU 2182717, 2002 г.

3. Патент US 6274868 В1, 2001 г.

Изобретение может быть использовано в оптико-электронных приборах, например в тепловизионных, с матричным фотоприемным устройством, обеспечивающих анализ изображений объектов в различных полях зрения. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего оптическую систему, имеющую сменное фокусное расстояние, переключающее устройство, матричное фотоприемное устройство, модуль электронной обработки. Из неподвижных компонентов оптической системы организуют два оптических канала с различными фокусными расстояниями. Переключающее устройство выполняют высокочастотным, обеспечивающим формирование последовательности чередующихся кадров, создаваемых оптическими каналами с разными полями зрения в плоскости чувствительной площадки матричного фотоприемного устройства. Выходной видеосигнал формируют либо сплошным потоком, содержащим информацию каждого из полей зрения, либо разбивают на два потока, соответствующих узкому и широкому полям зрения. Технический результат - обеспечение одновременного, в реальном масштабе времени, анализа изображений объектов в различных полях зрения, получаемых в оптико-электронном приборе с одним матричным фотоприемным устройством. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ смены полей зрения в оптико-электронном приборе, заключающийся в смене с помощью переключающего устройства фокусного расстояния оптической системы, расположенной перед матричным фотоприемным устройством, взаимосвязанным с модулем электронной обработки, отличающийся тем, что компоненты оптической системы выполняют неподвижными, из них организуют два оптических канала с различными фокусными расстояниями, переключающее устройство выполняют высокочастотным, обеспечивающим формирование последовательности чередующихся кадров, создаваемых оптическими каналами с разными полями зрения в плоскости чувствительной площадки матричного фотоприемного устройства, выходной видеосигнал формируют либо сплошным потоком, содержащим информацию каждого из полей зрения, либо разбивают на два потока, соответствующих узкому и широкому полям зрения.

2. Оптико-электронный прибор со сменой полей зрения, содержащий взаимосвязанные между собой оптическую систему, имеющую сменное фокусное расстояние, переключающее устройство, матричное фотоприемное устройство, модуль электронной обработки, отличающийся тем, что компоненты оптической системы выполнены неподвижными в виде двух каналов с различными фокусными расстояниями, переключающее устройство выполнено с возможностью обеспечения высокой частоты чередования на матричном фотоприемном устройстве изображений объектов, формируемых оптическими каналами с разными полями зрения, при этом в модуле электронной обработки выходной видеосигнал преобразован в формат, содержащий информацию от двух полей зрения.