ЛАЗЕРНЫЙ БИНОКЛЬ-ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2012 года по МПК G01C3/08 G02B23/02 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен лазерный бинокль-дальномер, содержащий канал излучателя, включающий лазерный излучатель с передающим объективом, приемный канал, включающий фотоприемное устройство (ФПУ) с приемным объективом, решающее устройство - измеритель временных интервалов (ИВИ) с дисплеем и двухканальный (бинокулярный) визир, состоящий из двух параллельных визирных трубок, каждая из которых включает объектив, оборачивающую систему и окуляр. Для сокращения габаритов устройства в этот лазерный дальномер введен спектроделительный элемент, позволяющий совместить один из визирных каналов с приемным каналом, разделяя по спектральному составу излучение, собираемое объективом одной из визирных трубок, между окуляром (видимое излучение) и фотоприемным устройством (излучение с длиной волны лазера) [1].

В указанном бинокле-дальномере затруднено размещение его основных устройств при использовании мощных лазерных излучателей и существуют повышенные энергетические потери в спектроделительном элементе, поэтому дальномеры такой конструкции непригодны для измерения больших расстояний.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является лазерный бинокль-дальномер, описанный в [2].

Этот лазерный бинокль-дальномер содержит бинокулярный визир, состоящий из двух параллельных зрительных трубок, каждая из которых включает объектив, оборачивающую систему и окуляр, канал излучателя, включающий лазерный излучатель с оптической системой, приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, совмещенным с объективом одной из зрительных трубок, решающее устройство с дисплеем, связанное с выходами канала излучателя и приемного канала, по два параллельных наклонных зеркала, расположенных в каждой зрительной трубке между ее объективом и окуляром, причем в первой зрительной трубке первое наклонное зеркало, расположенное ближе к объективу, представляет собой спектроделительный элемент, отражающий видимое излучение в направлении второго наклонного зеркала и пропускающий излучение с длиной волны лазерного излучателя в направлении фотоприемного устройства, а второе наклонное зеркало смещено относительно первого и отражает видимое излучение в сторону окуляра.

Такое построение лазерного бинокля-дальномера не позволяет в полной мере реализовать энергетический потенциал дальномера в дальней зоне и характеризуется повышенными энергетическими перегрузками в ближней зоне, что ограничивает диапазон измеряемых дальностей.

Задачей изобретения является расширение диапазона измеряемых дальностей без увеличения габаритов бинокля-дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном бинокле-дальномере, содержащем бинокулярный визир, состоящий из двух параллельных зрительных трубок, каждая из которых включает объектив, оборачивающую систему и окуляр, причем одна из визирных трубок содержит сетку с прицельной маркой, канал излучателя, включающий лазерный излучатель с оптической системой, приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, совмещенным с объективом одной из зрительных трубок, решающее устройство с дисплеем, связанное с выходами канала излучателя и приемного канала, по два параллельных наклонных зеркала, расположенных в каждой зрительной трубке между ее объективом и окуляром, причем в первой зрительной трубке первое наклонное зеркало, расположенное ближе к объективу, представляет собой спектроделительный элемент, отражающий видимое излучение в направлении второго наклонного зеркала и пропускающий излучение с длиной волны лазерного излучателя в направлении фотоприемного устройства, чувствительная площадка которого сопряжена с прицельной маркой, а второе наклонное зеркало смещено относительно первого и отражает видимое излучение в сторону окуляра, во второй зрительной трубке введено второе фотоприемное устройство, а ее первое наклонное зеркало представляет собой спектроделительный элемент, отражающий видимое излучение в направлении второго наклонного зеркала и пропускающий излучение с длиной волны лазерного излучателя на второе фотоприемное устройство, выход которого подключен к решающему устройству.

Для расширения динамического диапазона в ближней зоне дальномера может быть введено устройство временной регулировки усиления, связанное с фотоприемным устройством, которое содержит более чувствительный фотоприемник, например лавинный фотодиод, второе фотоприемное устройство содержит менее чувствительный фотоприемник, например p-i-n фотодиод, при этом второе фотоприемное устройство по входу связано с выходом канала излучателя, а по выходу - со входом устройства временной регулировки усиления.

В эту схему может быть введена схема управления яркостью дисплея, связанная с его входом, а одно из фотоприемных устройств имеет выход по постоянному току, связанный со схемой управления яркостью дисплея.

Данная схема обеспечивает возможность введения телевизионного канала, дисплей которого совмещен с дисплеем решающего устройства, а телевизионный приемник совмещен со вторым фотоприемным устройством.

На фиг.1 и фиг.2 представлены соответственно оптическая и функциональная схемы бинокля-дальномера. Фиг.3 иллюстрирует особенности ближней зоны дальномера для приемного канала, содержащего высокочувствительное ФПУ с узким полем зрения («а») и менее чувствительное - с широким полем («б»).

Бинокль-дальномер (фиг.1) содержит визирный канал, состоящий из двух параллельных визирных трубок, включающих объективы 1а и 1б, оборачивающие системы 2а и 2б и окуляры 3а и 3б. Канал излучателя состоит из лазерного излучателя 4 и оптической системы 5, формирующей пучок выходного излучения, параллельный оптическим осям визирных трубок. Приемный канал состоит из фотоприемного устройства 6 и объектива 1а. В каждой из визирных трубок между оборачивающими системами и окулярами расположены параллельные наклонные зеркала 7а, 8а и 7б, 8б. В фокальной плоскости объектива 1а установлена сетка 9 с прицельной маркой, сопряженной с чувствительной площадкой фотоприемного устройства 6. Плоскость сетки совпадает также с фокальной плоскостью окуляра 3а. В фокальную плоскость окуляра 3б сквозь наклонное зеркало 8б, прозрачное для излучения дисплея 10, проецируется его изображение с помощью микрообъектива 11. В фокальной плоскости объектива 16 установлено второе фотоприемное устройство 12. Перед фотоприемным устройством 6 помещен узкополосный фильтр 13, ослабляющий влияние фона. Между оптическими системами канала излучателя и левой визирной трубки, сопряженной со вторым фотоприемным устройством, установлена призма 14, отводящая часть зондирующего лазерного излучения на второе фотоприемное устройство. Для защиты глаза оператора от этого излучения перед левым окуляром 36 установлен фильтр 15.

Возможны два варианта исполнения бинокля-дальномера, отличающихся структурными особенностями и режимом работы. В первом варианте (фиг.2а), представляющем интерес для приложений с повышенными требованиями к максимальной дальности действия дальномера, первое и второе фотоприемные устройства 6 и 12 идентичны. Их выходные сигналы складываются на суммирующем усилителе 16, выходной сигнал которого поступает на вход ИВИ 16. Таким образом, образуется единое фотоприемное устройство 17 с двумя оптическими входами «стоп а» и «стоп б» и одним выходом. Амплитуда сигнала на выходе такого ФПУ в два раза больше, чем у одного фотоприемного устройства с таким же усилением, а отношение сигнал шум больше в раз, что позволяет существенно повысить дальность действия бинокля-дальномера без увеличения его габаритов, поскольку второе ФПУ по особенностям компоновки прибора согласно данной схеме устанавливается на конструктивно «свободное» место.

Во втором варианте (фиг.2б), более актуальном при повышенных требованиях к характеристикам дальномера в ближней зоне, второе ФПУ 12 имеет меньшую чувствительность, благодаря чему менее подвержено перегрузкам, отрицательно влияющим на минимальную измеряемую дальность и разрешающую способность ФПУ вследствие насыщения его сигналами высокой амплитуды (в том числе сигналом «старт», поступающим с выхода лазера). Более чувствительное к перегрузкам первое ФПУ 6 на некоторое время после поступления сигнала «старт» блокируется с помощью схемы временного автоматического усиления (ВАРУ) 18, запускаемой с выхода второго ФПУ 12. При измерении малых дальностей необходимо учитывать также такие вредные факторы, как помеха обратного рассеяния и так называемый геометрический фактор, обусловленный неполным пересечением полей зрения передающего и приемного каналов дальномера в его ближней зоне [6]. В силу меньшей чувствительности второго ФПУ площадь его чувствительной площадки может быть увеличена, благодаря чему появляется возможность существенного уменьшения теневой зоны дальномера. Данные особенности показаны на фиг.3. Как видно из фиг.3а, поля зрения канала излучателя и приемного канала начинают пересекаться на дальности R₀ (граница теневой зоны) и полностью перекрываются на дальности R₁. Степень перекрытия полей характеризуется геометрическим фактором Г(R), увеличивающимся от 0 до 1 по мере увеличения дальности R (фиг.3б). Величина энергии поступающего на ФПУ сигнала E(R) в зависимости от дальности R описывается известным уравнением локации [6]:

E(R)=A·Q·Г(R)/R²,

где

A - коэффициент, определяемый энергетическим потенциалом дальномера;

Q - коэффициент, определяемый отражательной способностью цели;

Г(R) - геометрический фактор.

Отношение этого сигнала к максимально допустимому для данного ФПУ уровню E_max характеризует степень перегрузки ФПУ W(R)=E(R)/E_max. Зависимости W(R) для вариантов «а» и «б» приведены на графиках фиг.3в, из которых видно, что канал с менее чувствительным ФПУ обеспечивает более низкое значение минимально измеряемой дальности и в то же время не подвержен перегрузкам в отличие от канала с высокочувствительным ФПУ.

Второе ФПУ может также использоваться как датчик яркости фонового излучения, от которой зависит оптимальный режим яркости дисплея. Для управления его яркостью в зависимости от яркости фона используют сигнал с выхода второго ФПУ 12, поступающий на вход схемы управления яркостью дисплея 17, связанной с дисплеем 10.

Если второе ФПУ является приемником телевизионного канала, например фотодиодной матрицей, то в данной схеме обеспечиваются минимальные энергетические потери и высокое качество телевизионного изображения от телевизионного дисплея, который конструктивно и программно совмещается с дисплеем дальномерного канала. Это достигается благодаря эффективному спектральному разделению видимого излучения, поступающего практически без потерь и спектральных искажений в окуляр, и инфракрасного излучения, проходящего на второе ФПУ также без потерь.

Благодаря перечисленным особенностям предлагаемое техническое решение обладает рядом положительных отличий.

Увеличивается эффективная чувствительность приемного канала, а следовательно, максимальная измеряемая дальность.

Характеристики дальномера в ближней зоне определяются более высокой перегрузочной способностью (в том числе к сигналу «старт») и более широким полем второго фотоприемного устройства, что обеспечивает уменьшение минимальной измеряемой дальности, улучшение разрешающей способности в этой зоне и повышение точности и достоверности измерений.

Эти характеристики достигаются без увеличения габаритов бинокля-дальномера.

С помощью второго ФПУ обеспечивается возможность измерения яркости фона и соответствующей регулировки яркости дисплея без введения дополнительного датчика яркости.

Введение телевизионного канала, чувствительного в инфракрасной области спектра, обеспечивает увеличение дальности наблюдения в сумерках и проведение измерений дальности в этих условиях. Размещение телевизионного канала в рассматриваемой конфигурации бинокля-дальномера не требует отдельного места и дополнительных оптических узлов, то есть не приводит к увеличению габаритов прибора.

Таким образом, указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи: расширение диапазона измеряемых дальностей без увеличения габаритов бинокля-дальномера.

Источники информации

1. Патент США №7271954 от 18 сентября 2007 г., кл. США 359/407.

2. Патент РФ №2381445 от 24.10.2008 - прототип.

3. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский "Вопросы оптической локации". Изд. "Советское радио", М., 1971 г.

4. Лазерный прибор разведки ЛПР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Г36.48.069 ТО.

5. ГОСТ 7048-81. Бинокли. Типы и основные параметры. Общие технические требования.

6. Ю.В.Плешанов и др. «Обнаружительная способность импульсных оптических локаторов при воздействии помех обратного рассеяния». «Оптический журнал», 1993 г., №3.

Устройство содержит бинокулярный визир, состоящий из двух параллельных зрительных трубок, каждая из которых включает объектив, оборачивающую систему и окуляр. Одна из визирных трубок содержит сетку с прицельной маркой. Канал излучателя включает лазерный излучатель с оптической системой. Приемный канал включает фотоприемное устройство с приемным объективом. Приемный объектив совмещен с объективом одной из зрительных трубок. Решающее устройство с дисплеем связано с выходами канала излучателя и приемного канала. В каждой зрительной трубке расположено по два параллельных наклонных зеркала. В одной из трубок первое наклонное зеркало, расположенное ближе к объективу, представляет собой спектроделительный элемент. Чувствительная площадка фотоприемного устройства сопряжена с прицельной маркой. Во второй зрительной трубке введено второе фотоприемное устройство, а ее первое наклонное зеркало представляет собой спектроделительный элемент. Выход второго фотоприемного устройства подключен к решающему устройству. Технический результат изобретения заключается в расширении диапазона измеряемых дальностей без увеличения габаритов бинокля - дальномера. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный бинокль-дальномер, содержащий бинокулярный визир, состоящий из двух параллельных зрительных трубок, каждая из которых включает объектив, оборачивающую систему и окуляр, причем одна из визирных трубок содержит сетку с прицельной маркой, канал излучателя, включающий лазерный излучатель с оптической системой, приемный канал, включающий фотоприемное устройство с приемным объективом, совмещенным с объективом одной из зрительных трубок, решающее устройство с дисплеем, связанное с выходами канала излучателя и приемного канала, по два параллельных наклонных зеркала, расположенных в каждой зрительной трубке между ее объективом и окуляром, причем в первой зрительной трубке первое наклонное зеркало, расположенное ближе к объективу, представляет собой спектроделительный элемент, отражающий видимое излучение в направлении второго наклонного зеркала и пропускающий излучение с длиной волны лазерного излучателя в направлении фотоприемного устройства, чувствительная площадка которого сопряжена с прицельной маркой, а второе наклонное зеркало смещено относительно первого и отражает видимое излучение в сторону окуляра, отличающийся тем, что во второй зрительной трубке введено второе фотоприемное устройство, а ее первое наклонное зеркало представляет собой спектроделительный элемент, отражающий видимое излучение в направлении второго наклонного зеркала и пропускающий излучение с длиной волны лазерного излучателя на второе фотоприемное устройство, выход которого подключен к решающему устройству.

2. Лазерный бинокль-дальномер по п.1, отличающийся тем, что введено устройство временной регулировки усиления, связанное с фотоприемным устройством, которое содержит более чувствительный фотоприемник, например лавинный фотодиод, второе фотоприемное устройство содержит менее чувствительный фотоприемник, например p-i-n фотодиод, при этом второе фотоприемное устройство по входу связано с выходом канала излучателя, а по выходу - со входом устройства временной регулировки усиления.

3. Лазерный бинокль-дальномер по п.1, отличающийся тем, что введена схема управления яркостью дисплея, связанная с его входом, а одно из фотоприемных устройств имеет выход по постоянному току, связанный со схемой управления яркостью дисплея.

4. Лазерный бинокль-дальномер по п.1, отличающийся тем, что введен телевизионный канал, дисплей которого совмещен с дисплеем решающего устройства, а телевизионный приемник совмещен со вторым фотоприемным устройством.