Двухканальная оптико-электронная система Российский патент 2021 года по МПК G02B17/08 G02B23/04 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники, а именно, к многоканальным оптико-электронным системам, и может быть использовано в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на матричных фотоприемниках в дневных и ночных условиях эксплуатации в системах охраны, в военной технике, в полиции, а также в других областях деятельности человека.

Известна двухканальная оптико-электронная система (патент США №5161051, опубл. 03.11.1992), первый оптико-электронный канал которой (канал узкого поля зрения) содержит объектив, выполненный в виде главного вогнутого зеркала и вторичного выпуклого зеркала (контррефлектора), второй оптико-электронный канал (канал широкого поля зрения) содержит линзовый объектив, расположенный в зоне центрального экранирования объектива первого канала. Оптические оси первого и второго каналов имеют угловое смещение, за счет которого первое и второе изображения от каналов смещены относительно друг друга и строятся соответственно на верхней и нижней половине участка общего матричного фотоприемника. Вторичное выпуклое зеркало первого канала имеет дихроичное покрытие, отражающее спектральный диапазон первого канала и пропускающее спектральный диапазон второго канала, а перед матричным фотоприемником установлен двойной фильтр, верхняя часть которого пропускает спектральный диапазон первого канала, а нижняя часть пропускает спектральный диапазон второго канала, чем исключается наложение изображений от первого и второго каналов. Таким образом, двухканальная оптико-электронная система обеспечивает получение двух смещенных изображений наблюдаемого объекта, осуществляя его одновременное наблюдение в разных спектральных диапазонах с различным масштабом изображения на одном матричном фотоприемнике.

Недостатками этой двухканальной оптико-электронной системы являются:

- построение двух изображений на двух разных участках одного фотоприемника, что не позволяет использовать полную разрешающую способность фотоприемника для каждого из двух изображений

- использование дихроичного элемента и двойного спектрального фильтра, что увеличивает трудоемкость изготовления;

- применение углового смещения оптических осей первого и второго каналов, что усложняет юстировку системы.

Известна двухканальная оптико-электронная система (патент RU №2606699, опубл. 10.01.2017), содержащая первый канал и второй канал, соосный первому и установленный перед ним. Первый канал содержит главное зеркало, вторичное зеркало (ВЗ), отражающее спектральное излучение Δλ₁=(8÷12,5) мкм, линзовый компенсатор аберраций (ЛКА) и фотоприемник излучения спектрального диапазона Δλ₁. Второй канал содержит главное зеркало, ВЗ, пропускающее спектральное излучение Δλ₂=(0,4÷0,7) мкм, ЛКА, установленный в зоне центрального экранирования первого канала, и фотоприемник излучения спектрального диапазона Δλ₂. Спектроделительное покрытие нанесено на выпуклую поверхность ВЗ. Использование двух фотоприемников для разных спектральных диапазонов обеспечивает повышение качества изображения по каждому из каналов, а соосное исполнение каналов обеспечивает простую юстировку двухканальной оптико-электронной системы.

Недостатками этой двухканальной оптико-электронной системы являются:

- использование спектроделительного покрытия, что увеличивает трудоемкость изготовления;

- применение материала Ge для линз первого (тепловизионного) канала, что увеличивает стоимость и трудоемкость изготовления системы.

Известен двухканальный коаксиальный зеркально-линзовый объектив (патент RU №2335790, опубл. 10.10.2008), содержащий зеркально-линзовый канал видимого диапазона и линзовый тепловизионный канал, расположенный в зоне центрального экранирования зеркально-линзового канала, имеющие общую визирную ось. Зеркально-линзовый канал содержит четыре компонента, первый из которых - защитная плоскопараллельная пластинка с вырезанной центральной зоной, второй компонент содержит выпукло-плоскую линзу и склеенный блок из мениска, обращенного выпуклой поверхностью к плоскости изображений, и двояковыпуклой линзы. На последней поверхности второго компонента нанесено кольцевое отражающее покрытие. Третий компонент - мениск, обращенный вогнутой поверхностью к пространству предметов с отражающим покрытием на второй поверхности и вырезанной центральной зоной. Четвертый компонент состоит из трех одиночных линз первая из которых мениск, вторая и третья -двояковыпуклые. Линзовый тепловизионный канала содержит три мениска, первый и третий из которых обращены к плоскости изображений вогнутыми поверхностями, а второй - выпуклой. Использование двух фотоприемников для разных спектральных диапазонов обеспечивает повышение качества изображения по каждому из каналов, а соосное исполнение каналов обеспечивает простую юстировку коаксиального зеркально-линзового объектива.

Недостатками этого двухканального коаксиального зеркально-линзового объектива являются:

- расположение тепловизионного канала в зоне центрального экранирования видимого (телевизионного) канала, что ограничивает диаметр тепловизионного объектива и не позволяет повысить основной параметр по дальности для тепловизионного канала;

- сложность исполнения видимого (телевизионного) канала за счет наличия склеек, зеркальных кольцевых зон, двух оптических линз и зеркала с вырезанными центральными зонами, что увеличивает трудоемкость изготовления объектива;

- необходимость применения материала Ge для линзового тепловизионного канала, что увеличивает стоимость и трудоемкость изготовления системы.

Наиболее близкой по технической сущности является двухканальная оптико-электронная система (патент на полезную модель RU №44836, опубл. 27.03.2005), каждый из каналов которой содержит объектив и установленный на его оптической оси фотоприемник, при этом объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием, второй оптико-электронный канал установлен перед первым и имеет общую с ним оптическую ось, а диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышает диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала. Объектив первого оптико-электронного канала может включать последовательно установленные по ходу лучей первое главное вогнутое зеркало и первый контррефлектор. Первое главное вогнутое зеркало может быть выполнено сферическим, а первый контррефлектор может быть выполнен в виде зеркала Манжена. Объектив второго оптико-электронного канала может быть выполнен зеркально-линзовым и может включать последовательно установленные по ходу лучей положительную линзу, второе главное вогнутое зеркало с отверстием в центральной части, второй контррефлектор. Двухканальная оптико-электронная система может быть выполнена двухполевой (широкое и узкое поля зрения) или двухспектральной. Каждый из каналов может быть выполнен для работы в одном из нескольких диапазонов длин волн. При выполнении оптико-электронной системы двухполевой оба оптико-электронных канала, в частности, могут быть выполнены или телевизионными (0,4÷0,95) мкм или тепловизионными (3÷5) мкм и (8÷12) мкм. При выполнении оптико-электронной системы двухспектральной, в частном случае, первый оптико-электронный канал может быть выполнен тепловизионным (8,0÷12,0) мкм, а второй оптико-электронный канал - телевизионным (0,4÷0,95) мкм. Использование двух фотоприемников для разных спектральных диапазонов обеспечивает повышение качества изображения по каждому из каналов, а соосное исполнение каналов обеспечивает простую юстировку двухканальной оптико-электронной системы.

Недостатками этой двухканальной оптико-электронной системы являются:

- сложность исполнения зеркально-линзового канала, содержащего два зеркальных элемента: главное зеркало с центральным отверстием и контррефлектор, что увеличивает трудоемкость изготовления оптико-электронной системы;

- наличие в любом из тепловизионных каналов линзовых элементов, для изготовления которых требуется применение материала Ge, что увеличивает стоимость и трудоемкость изготовления системы;

- сравнительно узкий спектральный рабочий диапазон (8,0÷12,0) мкм. Задачей настоящего изобретения является построение тепловизионного канала без применения материала Ge с расширением рабочего спектра до диапазона (8,0÷14,0) мкм, а также упрощение оптических трактов первого и второго каналов с сохранением приемлемого качества изображения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в двухканальной оптико-электронной системе, содержащей в каждом из каналов объектив и установленный на его оптической оси фотоприемник, при этом объектив первого оптико-электронного канала содержит главное сферическое вогнутое зеркало с центральным экранированием, второй оптико-электронный канал установлен перед первым и имеет с ним общую оптическую ось, а диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышает диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала, в отличие от известного, тепловизионный фотоприемник первого оптико-электронного канала установлен в фокальной плоскости главного сферического вогнутого зеркала, диаметр тепловизионного фотоприемника не превышает диаметра зоны центрального экранирования главного сферического вогнутого зеркала, а апертурная диафрагма первого оптико-электронного канала расположена перед главным сферическим вогнутым зеркалом, телевизионный объектив второго оптико-электронного канала содержит четыре компонента, первый и третий из которых - положительные двояковыпуклые линзы, второй - отрицательная двояковогнутая линза, четвертый - отрицательная выпукловогнутая линза, а апертурная диафрагма второго оптико-электронного канала расположена перед первой поверхностью первого компонента телевизионного объектива, при этом выполняется следующее соотношение:

где d - расстояние между главным сферическим вогнутым зеркалом и апертурной диафрагмой первого оптико-электронного канала;

F₁ - фокусное расстояние главного сферического вогнутого зеркала первого оптико-электронного канала.

Такая двухканальная оптико-электронная система при сохранении приемлемого качества изображения в каждом из каналов обеспечивает построение тепловизионного канала без применения материала Ge, так как в качестве тепловизионного объектива используется одно главное сферическое вогнутое зеркало, выполненное без центрального отверстия, что позволяет расширить рабочий спектральный диапазон до (8,0÷14,0) мкм, упрощает конструкцию и обеспечивает повышение технологичности изготовления тепловизионного канала, а простота и технологичность телевизионного канала обеспечивается за счет того, что в качестве материала входящих в него четырех оптических элементов, устанавливаемых в зоне центрального экранирования тепловизионного канала, используются обычные марки оптического стекла.

Схема двухканальной оптико-электронной системы показана на чертеже (фиг. 1).

Двухканальная оптико-электронная система содержит расположенные на оптической оси оптико-электронный канал I и оптико-электронный канал II. Оптико-электронный канал I содержит защитное окно 1, апертурную диафрагму 2, главное сферическое вогнутое зеркало 3 и тепловизионный фотоприемник 4. Оптико-электронный канал II содержит апертурную диафрагму 5, компоненты 6, 7, 8 и 9 телевизионного объектива и телевизионный фотоприемник 10.

Конструктивные параметры варианта исполнения тепловизионного оптико-электронного канала I системы приведены в таблице 1.

Относительное отверстие оптико-электронного канала I с учетом центрального экранирования составит величину:

Если D_экр.=12,0 мм, то D_эфф.=20,78 мм, тогда эквивалентная светосила составит 1:1,69, что является приемлемой величиной при простом исполнении канала.

В качестве защитного окна оптико-электронного канала I используется плоскопараллельная пластина с центральным отверстием 1, которая может быть выполнена, например, из материала полиэтилен. Материалы типа плексиглас (полиметилметакрилат) и полиэтилен могут служить материалом для защитных стекол оптико-электронных приборов, обеспечивая хорошее пропускание в инфракрасной области, несмотря на присутствие узких полос поглощения (Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988).

В качестве тепловизионного фотоприемника 4 используется тепловизионный модуль «GST Module 120» производства предприятия Global Sensor Technology, Китай.

Модуль включает в себя фотоприемное устройство и базовую схему обработки изображения, его конструктивные параметры приведены в таблице 2.

Размер чувствительной площадки тепловизионного модуля «GST Module 120» составляет 2,04×1,53 мм (диагональ 2,55 мм).

При использовании совместно с главным сферическим вогнутым зеркалом 3 согласно табл. 1 поле зрения тепловизионного оптико-электронного канала I двухканальной оптико-электронной системы составит: - 3,3°×2,5° (ГН×ВН); - 4,15° (диагональ).

Конструктивные параметры варианта исполнения телевизионного оптико-электронного канала II системы приведены в таблице 3.

В качестве телевизионного фотоприемника 10 используется телевизионный модуль от видеокамеры VAM-611 производства предприятия ООО «ЭВС» г. Санкт-Петербург на основе КМОП матрицы типа APTINA MT9V129.

В кристалл матрицы встроены схема управления, аналоговый усилитель и цифровое устройство обработки видеосигнала, конструктивные параметры телевизионного модуля приведены в таблице 4.

Размер чувствительной площадки телевизионного модуля составляет 3,6×2,7 мм (диагональ 4,5 мм).

При использовании совместно с телевизионным объективом в соответствии с табл.4 поле зрения телевизионного оптико-электронного канала II двухканальной оптико-электронной системы составит: - 12,5°×9,4° (ГН×ВН); - 15,6° (диагональ).

Принцип действия двухканальной оптико-электронной системы заключается в следующем.

В оптико-электронном канале I поток излучения, пройдя через защитную плоскопараллельную пластину 1 и апертурную диафрагму 2, попадает на главное сферическое вогнутое зеркало 3. Отразившись от главного сферического вогнутого зеркала, поток излучения попадает на тепловизионный матричный фотоприемник 4, на котором формируется тепловое изображение объекта наблюдения. Апертурная диафрагма 2 располагается на удалении от главного сферического вогнутого зеркала 3, величина которого выбирается из следующего соотношения:

где d - расстояние между главным сферическим вогнутым зеркалом и апертурной диафрагмой первого оптико-электронного канала;

F₁ - фокусное расстояние главного сферического вогнутого зеркала первого оптико-электронного канала.

Выполнение этого соотношения позволяет обеспечить уменьшение полевых аберраций и сохранить приемлемое качество изображения в зоне и на краю поля зрения оптико-электронного канала I. В варианте исполнения оптико-электронного канала I в соответствии с табл. 1 расстояние d между главным сферическим вогнутым зеркалом и апертурной диафрагмой составляет 55 мм при фокусном расстоянии главного сферического вогнутого зеркала F₁=31,155 мм, что находится в рекомендуемых пределах. Контрастные характеристики показывают приемлемое качество изображения варианта исполнения оптико-электронного канала I для частоты Найквиста ~30 штр/мм, определяемой размером пикселя тепловизионного матричного фотоприемника 4 (17 мкм). Графики близки к дифракционному пределу для всего поля зрения и показаны на фигуре 2 (дифракционный предел отмечен на графике пунктирной линией).

В оптико-электронном канале II поток излучения, пройдя через апертурную диафрагму 5 и компоненты 6, 7, 8 и 9 телевизионного объектива попадает на телевизионный матричный фотоприемник 10, на котором формируется телевизионное изображение объекта наблюдения. Расположение апертурной диафрагмы 5 перед первой поверхностью первого компонента телевизионного объектива и исполнение телевизионного объектива из четырех компонентов, два из которых (6 и 8) - положительные двояковыпуклые линзы, один (7) - отрицательная двояковогнутая линза и один (9) - отрицательная выпукловогнутая линза, позволяет обеспечить приемлемое качество изображения в центре и по полю зрения второго оптико-электронного канала II. Контрастные характеристики, приведенные на фигуре 3, показывают приемлемое качество изображения варианта исполнения оптико-электронного канала II для частоты Найквиста ~90 штр/мм, определяемой размером пикселя телевизионного матричного фотоприемника 10 (5,6 мкм). Дифракционный предел отмечен на графике пунктирной линией.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в серийном производстве комбинированных оптических систем, в которых информация от нескольких каналов представляется на различных дисплеях, либо на общем дисплее, а отдельные каналы могут работать совместно или автономно, а также в серийном производстве интегрированных систем, когда отдельные каналы объединены на основе общей оптической системы и системы обработки информации. Двухканальная оптико-электронная система позволяет увеличить вероятность обнаружения, распознавания и идентификации объектов в любое время суток.

Оптико-электронная система может использоваться в цифровых прицельно-наблюдательных приборах в дневных и ночных условиях. Объектив первого канала содержит главное сферическое вогнутое зеркало с центральным экранированием, в фокальной плоскости которого установлен тепловизионный фотоприемник. Второй канал установлен перед первым и содержит телевизионный объектив, содержащий четыре компонента, первый и третий из которых - двояковыпуклые линзы, второй - двояковогнутая линза, четвертый - отрицательная выпукло-вогнутая линза, а апертурная диафрагма расположена перед первой поверхностью первого компонента телевизионного объектива. Апертурная диафрагма первого канала расположена перед главным сферическим вогнутым зеркалом, и выполняется соотношение: где d - расстояние между главным сферическим вогнутым зеркалом и апертурной диафрагмой первого канала; F₁ - фокусное расстояние главного сферического вогнутого зеркала первого канала. Технический результат - расширение рабочего спектра до диапазона (8,0÷14,0) мкм, а также упрощение оптических трактов каналов с сохранением приемлемого качества изображения. 3 ил., 4 табл.

Двухканальная оптико-электронная система, содержащая в каждом из каналов объектив и установленный на его оптической оси фотоприемник, при этом объектив первого оптико-электронного канала содержит главное сферическое вогнутое зеркало с центральным экранированием, второй оптико-электронный канал установлен перед первым и имеет с ним общую оптическую ось, а диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышает диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала, отличающаяся тем, что тепловизионный фотоприемник первого оптико-электронного канала установлен в фокальной плоскости главного сферического вогнутого зеркала, диаметр тепловизионного фотоприемника не превышает диаметра зоны центрального экранирования главного сферического вогнутого зеркала, а апертурная диафрагма первого оптико-электронного канала расположена перед главным сферическим вогнутым зеркалом, телевизионный объектив второго оптико-электронного канала содержит четыре компонента, первый и третий из которых - положительные двояковыпуклые линзы, второй - отрицательная двояковогнутая линза, четвертый - отрицательная выпукло-вогнутая линза, а апертурная диафрагма второго оптико-электронного канала расположена перед первой поверхностью первого компонента телевизионного объектива, при этом выполняется следующее соотношение:

где d - расстояние между главным сферическим вогнутым зеркалом и апертурной диафрагмой первого оптико-электронного канала;

F₁ - фокусное расстояние главного сферического вогнутого зеркала первого оптико-электронного канала.