Очки ночного видения для пилота Российский патент 2021 года по МПК G02B23/12 G02B23/18 H04N5/33 

Предлагаемое изобретение относится к области оптико-электронной техники и может быть использовано в качестве прибора для обеспечения пилотирования, взлета и посадки летательных аппаратов в любое время суток, а также наблюдения днем и ночью для водителей наземной техники в самых разнообразных условиях эксплуатации.

Известен прибор ночного видения для пилота (патент RU 2442725 С2, опубл. 20.02.2012), содержащий очки ночного видения (ОНВ) с встроенными батареями автономного питания, установленные на передней части шлема пилота, узел противовеса и контейнер с грузами, размещаемый на затылочной части шлема. Система питания ОНВ от бортовой сети содержит разрывной электрический разъем и низковольтный преобразователь напряжения. В приборе достигается снижение нагрузок на голову пилота и повышение безопасности при аварийном покидании пилотом кабины летательного аппарата.

Недостатком этого прибора ночного видения является необходимость адаптации светотехнического оборудования кабины водителя или пилота летательного аппарата к ОНВ прибора ночного видения, работающим одновременно со светотехническим оборудованием, обусловленная мощной фоновой засветкой фотокатода электронно-оптического преобразователя ОНВ и наличием «ореолов» вокруг изображения от освещения внутрикабинного приборного оборудования и внутрикабинной световой сигнализации, из-за совпадения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и фотокатодов ОНВ.

Известен способ освещения приборного оборудования и транспарантов световой сигнализации летательного аппарата при наблюдении их через пилотажные очки ночного видения (патент RU 2302023 С2, опубл. 27.06.2007), при котором используются спектральные ИК-фильтры для внутрикабинных световых излучателей и отрезающие спектральные фильтры, ограничивающие спектральную характеристику ОНВ в коротковолновой области спектра, при этом не превышается пороговый уровень образования «ореолов» вокруг изображений при нормированных условиях освещенности фотокатода электронно-оптических преобразователей пилотажных очков ночного видения.

Недостатком этого способа является конструктивное усложнение внутрикабинного светотехнического оборудования, что приводит к необходимости создания специализированного варианта летательного аппарата, адаптированного к ночным полетам и снабженного спектральными ИК-фильтрами на внутрикабинном светотехническом оборудовании, что повышает стоимость и трудоемкость летательного аппарата, а обязательное наличие в ОНВ отрезающих спектральных фильтров сужает рабочий спектральный диапазон электронно-оптических преобразователей ОНВ.

Известно устройство импульсной адаптации светотехнического оборудования преимущественно летательных аппаратов к приборам ночного видения (патент RU 2325308 С2, опубл. 27.05.2008), которое содержит внутреннее и внешнее светотехническое оборудование и блок синхронизации, подключенный к светотехническому оборудованию и прибору ночного видения для его работы в импульсном режиме и во временной противофазе со светотехническим оборудованием, что позволяет исключить паразитные засветки прибора ночного видения в темное время суток. Также содержит управляемый извне блок строба с формируемой длительностью, первым своим выходом подключенный к дополнительно введенному входу блока синхронизации, а вторым выходом - к внешнему светотехническому оборудованию, что позволяет увеличить дальность видимости и обеспечить возможность измерения дальности до наблюдаемых стационарных и движущихся объектов.

Недостатком этого устройства является конструктивное усложнение внутрикабинного электрооборудования, что приводит к необходимости создания специализированного варианта летательного аппарата, адаптированного к ночным полетам и снабженного блоком синхронизации, соединенным линиями связи с внутрикабинным светотехническим оборудованием и прибором ночного видения, что повышает стоимость и трудоемкость летательного аппарата и, соответственно, снижает надежность устройства в целом, а измерение дальности активно-импульсным методом при помощи импульсного лазера во внешнем светотехническом оборудовании является демаскирующим фактором, приводящим к безусловному обнаружению летательного аппарата на дальностях, превышающих собственную дальность видения.

Известны очки ночного видения (варианты), содержащие две ветви наблюдения, каждая из которых включает объектив, матричное фотоприемное устройство с максимумом чувствительности в инфракрасной области спектра, блок управления, монитор, окуляр и плоское зеркало, установленное под углом к оси окуляра между ним и его выходным зрачком (патент RU 2 279110 С1, опубл. 27.06.2006). В одном из вариантов очков ночного видения матричное фотоприемное устройство выполнено в одной ветви наблюдения с максимумом чувствительности в диапазоне длин волн 0,9…1,1 мкм, а в другой ветви - либо в диапазоне длин волн 3…5 мкм, либо 8…12 мкм, а объективы этих ветвей наблюдения выполнены из материала, прозрачного для диапазона длин волн соответственно либо 3…5 мкм, либо 8…12 мкм. Здесь возможно обеспечение одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через первый, телевизионный канал и тепловизионного изображения местности, независимого от естественной ночной освещенности, через второй, тепловизионный канал без влияния на него засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и тепловизионного фотоприемника второго канала.

Недостатком этих очков ночного видения является сложность конструктивного исполнения, большие габаритные размеры, обусловленные последовательным расположением компонентов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, а также невозможность наблюдения из остекленной кабины транспортного средства или летательного аппарата, так как в спектральных диапазонах тепловизионных каналов (3…5 мкм либо 8…12 мкм) остекление кабины непрозрачно. Здесь тепловизионный канал должен быть вынесен за кабину и устанавливаться на внешней подвеске, которая должна синхронно поворачиваться с разворотом головы летчика (Грузевич Ю.К. Оптико-электронные приборы ночного видения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014, стр. 24), что ведет к значительному усложнению конструкции летательного аппарата и ОНВ.

Наиболее близкими по технической сущности являются очки ночного видения (патент RU 2711628 С1, опубл. 02.04.2019), содержащие две ветви наблюдения для телевизионного и тепловизионного диапазонов, каждая из которых включает блок управления, окуляр и микродисплей, расположенный в его предметной плоскости, а также защитное стекло и прямоугольную призму с отражающими гранями, за каждой из которых установлены объектив и система преобразования изображения телевизионной и тепловизионной ветвей соответственно. Оптические оси объективов параллельны друг другу и расположены над микродисплеями в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптическим осям окуляров. Элементы питания расположены между микродисплеями, а блок управления встроен в системы преобразования изображения. В очках уменьшены габаритные размеры в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также обеспечивается малое расстояние между входными оптическими осями телевизионной и тепловизионной ветвей. Система позволяет осуществлять одновременное наблюдение изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через телевизионный канал и тепловизионного изображения местности, независимого от естественной ночной освещенности через второй канал без влияния на него засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и тепловизионного фотоприемника второго канала.

Недостатком этих очков ночного видения является невозможность наблюдения из остекленной кабины летательного аппарата или транспортного средства, так как в спектральных диапазонах тепловизионных каналов (3…5 мкм либо 8…12 мкм) остекление кабины непрозрачно и здесь тепловизионный канал должен быть вынесен за кабину и устанавливаться на внешней подвеске, которая должна синхронно поворачиваться с разворотом головы летчика (Грузевич Ю.К. Оптико-электронные приборы ночного видения. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2014, стр. 24), что ведет к значительному усложнению конструкции летательного аппарата и ОНВ. Также значительным является расстояние между входными оптическими осями ветвей наблюдения, обусловленное расчетом только по максимальному диаметру объектива одного из каналов при соосности обоих каналов.

Задачей настоящего изобретения является:

- обеспечение возможности одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования и изображения местности на всех уровнях естественной ночной освещенности без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования,

- обеспечение возможности наблюдения из остекленной кабины летательного аппарата или транспортного средства на всех уровнях естественной освещенности днем и ночью при сохранении габаритных размеров двухканального исполнения очков ночного видения,

- обеспечение возможности уменьшения расстояния между входными оптическими осями ветвей наблюдения.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в очках ночного видения для пилота, содержащих защитное стекло, прямоугольную призму с отражающими гранями и две ветви наблюдения, одна из которых телевизионная. Каждая ветвь включает систему преобразования изображения, блок управления, окуляр и микродисплей, расположенный в предметной плоскости окуляра, при этом микродисплей, окуляр, выходной зрачок окуляра и глаз наблюдателя каждой ветви расположены на одной оптической оси, оптические оси объективов ветвей параллельны друг другу и расположены над микродисплеями в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров, элементы питания размещены между микродисплеями, а блок управления встроен в системы преобразования изображения, в отличие от известного, вторая ветвь выполнена для SWIR спектрального диапазона, а оптическая ось объектива одной из ветвей наблюдения смещена в горизонтальной плоскости относительно оптической оси объектива другой ветви, при этом выполняется следующее соотношение:

где: Δх - величина смещения оптических осей каналов в горизонтальной плоскости относительно друг друга;

Н_{об.макс.} - величина максимального светового диаметра первой линзы объектива одной из ветвей;

Н_об.мин. - величина минимального светового диаметра первой линзы объектива другой ветви.

Такие очки ночного видения для пилота обеспечивают возможность одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через телевизионный канал и изображения местности на всех уровнях естественной ночной освещенности без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и наличия канала SWIR диапазона, обеспечивают возможность наблюдения из остекленной кабины транспортного средства или летательного аппарата на всех уровнях естественной освещенности днем и ночью за счет оптических свойств телевизионного и SWIR спектральных диапазонов, сохраняют габаритные размеры двухканального исполнения очков ночного видения, а также обеспечивают уменьшение расстояния между входными оптическими осями ветвей наблюдения за счет смещения оптической оси одной из ветвей наблюдения в горизонтальной плоскости.

Компоновочная схема очков ночного видения для пилота показана на фигуре 1, влияние смещения оптической оси объектива одной из ветвей наблюдения на уменьшение расстояния между входными оптическими осями ветвей наблюдения показано на фигуре 2.

Очки ночного видения содержат два микродисплея 1 и 4, два окуляра 2 и 3, систему преобразования изображения SWIR диапазона спектра, состоящую их SWIR фотоприемного устройства 5 и SWIR объектива 6, общее защитное стекло 7, прямоугольную призму 8 с отражающими гранями, телевизионную систему преобразования изображения, состоящую их телевизионного объектива 9 и телевизионного фотоприемного устройства 10, элементов питания 11 и 12. На фигуре 1 также показаны входные оптические оси «I» и «II» для SWIR и телевизионной ветвей преобразования изображения. На фигуре 2 показано смещение оптической оси объектива одной из ветвей наблюдения, а также показаны входные оптические оси «I» и «II» для SWIR и телевизионной ветвей преобразования изображения.

Принцип действия очков ночного видения заключается в следующем.

Предварительно очки устанавливают (закрепляют) перед глазами наблюдателя таким образом, чтобы выходные зрачки окуляров 2 и 3 совместились с глазами наблюдателя 13. После включения электропитания очков осевым перемещением микродисплеев 1 и 4 (или осевым перемещением окуляров 2 и 3) в каждой из ветвей наблюдения вводят диоптрийную поправку под индивидуальные особенности каждого глаза наблюдателя 13 до резкого изображения экранов микродисплеев 1 и 4. Диаметры выходных зрачков окуляров 2 и 3 рассчитываются с увеличенным размером, чтобы компенсировать разную величину межзрачкового расстояния для разных наблюдателей 13.

Телевизионная ветвь наблюдения 9, 10 обеспечивает наблюдение наружной обстановки днем и внутрикабинного оборудования в дневных и ночных условиях за счет совпадения рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и телевизионного фотоприемника 10. Канал SWIR спектрального диапазона 5, 6 обеспечивает ночное наблюдение без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов телевизионного канала 9, 10, внутрикабинных излучателей и фотоприемника 5 SWIR диапазона. Рабочий спектральный диапазон телевизионного канала 9, 10 и современных светодиодных внутрикабинных излучателей лежит в диапазоне от 0,45 до 0,85 мкм, a SWIR канал 5, 6 имеет спектральный диапазон длин волн от 0,9 до 1,7 мкм, который разнесен по спектру с диапазоном 0,45÷0,85 мкм.

Комплексирование обоих изображений (телевизионного и SWIR) с соответствующими коэффициентами весомости обеспечивает одновременное наблюдение внутрикабинного оборудования и закабинного пространства, при этом атмосферное звездное свечение и фоновое излучение (ночное сияние) являются естественными источниками излучения SWIR диапазона и достаточной естественной подсветкой объектов при ночном наблюдении (Птицын А. «Что мы видим и что не видим». Журнал Фотоника, №3/51, 2015, стр. 142-151). Также важной характеристикой SWIR канала является способность «видеть» сквозь стекло, поэтому канал SWIR спектрального диапазона практически всегда совместим с остеклением кабин любых транспортных средств, в том числе и летательных аппаратов, что не требует адаптации кабины летательного аппарата или транспортного средства к предлагаемым очкам ночного видения для пилота.

Оптические оси объективов 6 и 9 (для SWIR и телевизионной ветвей наблюдения соответственно) устанавливаются параллельно друг другу и располагаются в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров 2 и 3, при этом оптическая ось объектива одной из ветвей смещена в горизонтальной плоскости относительно оптической оси объектива другой ветви и выполняется следующее соотношение:

Выполнение этого соотношения позволяет уменьшить расстояние между входными оптическими осями ветвей наблюдения за счет смещения оптической оси одной из ветвей наблюдения «Δх» в горизонтальной плоскости, что, в свою очередь, позволяет более эффективно использовать режим одновременного (комплексированного) наблюдения SWIR и телевизионного изображений на каждом из микродисплеев 1 и 4, так как при этом пропорционально уменьшается эффект двоения изображения на всех дистанциях, отличных от дистанции, на которой осуществляется сведение осей «I» и «II».

В ближайшем аналоге очков ночного видения принят максимальный диаметр объектива одной из ветвей наблюдения Н_{об.макс.} ≈ 15 мм, а расчетное значение минимально возможного расстояния «X» между входными оптическими осями «I» и «II» в горизонтальной плоскости может лежать в диапазоне 15÷30 мм. Минимальный диаметр объектива другой ветви наблюдения может составлять величину Н_об.мин. ≈ 9 мм, что обусловлено применением фотоприемников с другими размерами фотоприемной площадки, требующей другого фокусного расстояния объектива и, соответственно, другого его диаметра. Тогда возможно уменьшить расстояние между входными оптическими осями ветвей наблюдения (фиг.2) на величину «Δх», расчетное значение которой по вышеприведенной формуле составит 3÷9 мм. Уменьшенное за начение расстояния «X'» будет лежать в диапазоне 12÷21 мм, что меньше существующего «X» (15÷30 мм) и соответственно уменьшит эффект двоения изображения при использовании режима одновременного (комплексированного) наблюдения телевизионного и тепловизионного изображений на каждом из микродисплеев 1 и 4.

Таким образом, в очках ночного видения для пилота обеспечивается возможность одновременного наблюдения изображения внутрикабинного светотехнического оборудования через телевизионный канал и изображения местности через канал SWIR диапазона на всех уровнях естественной ночной освещенности без влияния засветок от внутрикабинного светотехнического оборудования за счет разных рабочих спектральных диапазонов внутрикабинных излучателей и канала SWIR диапазона, обеспечивается возможность наблюдения из остекленной кабины летательного аппарата или транспортного средства на всех уровнях естественной освещенности днем и ночью за счет оптических свойств телевизионного и SWIR спектральных диапазонов, что не требует создания специализированного варианта летательного аппарата, адаптированного к ночным полетам, а также сохраняются габаритные размеры двухканального исполнения очков ночного видения и уменьшается расстояния между входными оптическими осями ветвей наблюдения за счет смещения оптической оси одной из ветвей наблюдения в горизонтальной плоскости.

Очки могут быть использованы при пилотировании, взлете и посадке летательных аппаратов и в качестве прибора наблюдения днем и ночью для водителей наземной техники. Очки содержат защитное стекло, прямоугольную призму с отражающими гранями и ветви наблюдения - телевизионную и для SWIR спектрального диапазона, каждая из которых включает систему преобразования изображения, блок управления, окуляр и микродисплей, расположенный в предметной плоскости окуляра. Оптические оси объективов ветвей параллельны и расположены над микродисплеями в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров и смещены относительно друг друга. Элементы питания расположены между микродисплеями, а блок управления встроен в системы преобразования изображения. Технический результат - возможность одновременного наблюдения изображений внутрикабинного светотехнического оборудования и местности из остекленной кабины днем и ночью, уменьшение расстояния между входными оптическими осями ветвей наблюдения. 2 ил.

Очки ночного видения для пилота, содержащие защитное стекло, прямоугольную призму с отражающими гранями и две ветви наблюдения, одна из которых телевизионная, каждая из которых включает систему преобразования изображения, состоящую из фотоприемного устройства и объектива, блок управления, окуляр и микродисплей, расположенный в предметной плоскости окуляра, при этом микродисплей, окуляр, выходной зрачок окуляра и глаз наблюдателя каждой ветви расположены на одной оптической оси, оптические оси объективов ветвей параллельны друг другу и расположены над микродисплеями в горизонтальной плоскости перпендикулярно оптической оси окуляров, элементы питания расположены между микродисплеями, а блок управления встроен в системы преобразования изображения, отличающиеся тем, что вторая ветвь выполнена для SWIR спектрального диапазона, а оптическая ось объектива одной из ветвей наблюдения смещена в горизонтальной плоскости относительно оптической оси объектива другой ветви, при этом выполняется следующее соотношение:

где: Δх - величина смещения оптических осей каналов в горизонтальной плоскости относительно друг друга;

Н_{об.макс.} - величина максимального светового диаметра первой линзы объектива одной из ветвей;

Н_об.мин. - величина минимального светового диаметра первой линзы объектива другой ветви.