eng
Выпуск #2/2007
В.Волков, Г.Леонова, В.Саликов, С.Украинский.
Оптические системы для приборов ночного видения
Оптические системы для приборов ночного видения
Просмотры: 3113
Приборы ночного видения (ПНВ) сейчас интенсивно развиваются [1]. Они находят широкое применение там, где требуется наблюдение при низких уровнях освещенности: охрана объектов, работа спасательных, пограничных и таможенных служб, спецподразделений МВД; экологический, диспетчерский и технологический контроль и пр. В статье описываются новые схемы оптических систем для ПНВ: объективы, насадка, окулярные системы, оптика целеуказателей. Рассматриваются их возможности и основные характеристики.
Для решения с помощью ПНВ перечисленных задач им нужны эффективные оптические системы и элементы: объективы (в том числе для лазерных целеуказателей и осветителей) и окулярные системы. В статье рассмотрены новые оптические системы такого типа. Они рассчитаны для приборов, использующих ЭОП поколений 2+, 2++, 3 и 4.
Объективы
Рассмотрим оптические схемы объективов (рис.1).
Схемы линзового и зеркально-линзового объективов для ночного бинокля приведены на рис.1а и 1б, соответственно, а их параметры представлены в таблице (столбцы Рис.1а и Рис.1б, соответственно).
Преимущества зеркально-линзового объектива связаны с более высоким качеством изображения, меньшей массой и габаритами. Однако такой объектив более сложен в сборке и юстировке и имеет более высокую стоимость. В связи с этим выбор того или иного объектива определяется экономическими соображениями в каждом конкретном случае.
Есть еще одна альтернатива, связанная с применением телескопической линзовой насадки на объектив псевдобинокулярных очков ночного видения. Она дает возможность не только улучшить дальность действия очков, но и легко производить монтаж или демонтаж насадки в полевых условиях, не нарушая герметичности прибора. Схема такой насадки в сочетании с объективом очков ночного видения приведена на рис.1в, ее увеличение 4×. В сочетании с объективом очков она обеспечивает параметры, приведенные в таблице (столбец Рис.1в-н), а линзовый объектив, представленный на рис.1в, имеет параметры, приведенные в столбце Рис.1в-о. Однако этот объектив не подходит для работы с очками под водой.
В связи с этим был рассчитан гидрообъектив (рис.1г), который имеет параметры, приведенные в таблице (столбец Рис.1г).
Очки ночного видения используются обычно вместе с лазерным целеуказателем, монтируемым на оружии, образуя ночной прицельный комплекс, используемый спецподразделениями МВД в ночных условиях [1]. К такому целеуказателю был разработан объектив для коллимации его излучения. Схема объектива дана на рис.2а, а его параметры приведены в таблице (столбец Рис.2а, левые варианты). Однако для стрельбы под водой такой объектив не пригоден. В связи с этим была рассчитана его модификация (рис.2б), параметры которой приведены в таблице (столбец Рис.2а/б, правые варианты).
Для активно-импульсных ПНВ (АИ ПНВ) с импульсным лазерным подсветом и синхронизированным с ним импульсным управлением от электронно-оптического преобразователя (ЭОП) в приемной части ПНВ предложена схема комбинированного объектива [1]. Его зеркально-линзовый канал (рис.3) с фокусным расстоянием 150 мм, эффективным относительным отверстием 1:1,5 и углом поля зрения 7° сфокусирован на фотокатод ЭОП. Другие его параметры: расчетная длина волны 0,8 мкм; диапазон ахроматизации 0,404–0,9 мкм; коэффициент передачи контраста для точки на оси на пространственной частоте (характеризующей число штрихов на миллиметр) 15 штр/мм – 0,95; тот же коэффициент на частоте 30 штр/мм – 0,9; тот же коэффициент (при тех же частотах), но для края поля зрения, – 0,7 и 0,4, соответственно, и масса в стекле 450 г.
Центральная часть (1) первого линзового элемента объектива и линза (2) образуют линзовый объектив с фокусным расстоянием 115 мм и относительным отверстием 1:1,4. Объектив рассчитан на длину волны 0,863 мкм и сфокусирован на импульсный лазерный п/п излучатель ИЛПИ-110. Объектив формирует его излучение в угле подсвета 1×0,5°. Диаметр наибольшего кружка рассеяния объектива составляет 0,1 мм. Другой вариант комбинированного объектива (рис.3б) предусматривает наличие в АИ ПНВ дневного канала (1) с увеличением 8× и углом поля зрения 8°. Первый двухлинзовый элемент (2) этого канала в сочетании с дихроичным зеркалом (3), пропускающим свет в спектральном диапазоне 0,4–0,75 мкм и отражающим излучение на длине волны 0,85±0,03 мкм, и линзой (4) образует объектив, формирующий излучение импульсного лазерного осветителя. Такой объектив имеет те же параметры, что и линзовый объектив на рис.3а. С визирной маркой (5) дневного канала сопряжен четырехразрядный девятисегментный индикатор дальности (6) ночного активно-импульсного канала. Поле зрения дневного наблюдения формируется блоком (1) на рис.3б.
Для светодиодных и лазерных осветителей может быть использована линза Френеля [2]. Ее фокусное расстояние от 10 до 300 мм, относительное отверстие до 1:1, работает в видимой и ближней инфракрасной области спектра, формирует угол подсвета (в зависимости от типа излучателя) от 1 до 10°, диаметр кружка рассеяния 0,1 мм, масса меньше 10 г.
Объективы для ПНВ традиционно ахроматизированы в области спектра 0,4—0,9 мкм. Это связано с рабочей областью наиболее употребительных фотокатодов многощелочных или арсенид-галлиевых фотокатодов ЭОП. Однако за последние годы получили развитие ЭОП четвертого поколения и, соответственно, ПНВ, работающие в области спектра 1–2,3 мкм [3]. В связи с этим появились объективы для этой области спектра. На рис.4а показана схема такого объектива, параметры, которого приведены в таблице (столбец Рис.4а). В центральной нерабочей части первого линзового элемента объектива установлен двухлинзовый объектив (1) формирования излучения светодиодного излучателя. Объектив имеет фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1,2, расчетную длину волны 1,7 мкм, угол подсвета 1° и максимальный кружок рассеяния 0,12 мм. Он сфокусирован на лазерный полупроводниковый излучатель LD-17 [5], генерирующий на этой длине волны.
Для обеспечения обнаружения теплоизлучающих объектов ПНВ целесообразно укомплектовать теплообнаружителем, выполненным на базе тепловизионного ЭОП [4]. Для такого ЭОП был разработан двухлинзовый германиевый объектив (рис.4б), приведенный в таблице (столбец Рис.4б). Это вполне приемлемое решение для задач теплообнаружения.
Окулярные системы
Рассмотрим окулярные системы. Для псевдобинокулярных очков ночного видения и ночных биноклей используется псевдобинокулярный микроскоп (рис.5а). При создании дневного/ночного прибора наблюдения такой микроскоп был дополнен дневными каналами (1), имеющими увеличение 6× и угол поля зрения 8°, причем удаление выходного зрачка (20 мм) и его диаметр (10 мм) были сохранены прежними. Масса микроскопа при этом возросла всего на 20 г и составила 85 г.
Для ночного монокуляра с использованием бипланарного ЭОП без оборачивания изображения необходим монокулярный микроскоп. Его схема приведена на рис.5б. Микроскоп имеет: увеличение 12,5×; линейное поле зрения 17,5 мм; расчетную длину волны 0,545 мкм; диапазон ахроматизации 0,53–0,56 мкм и удаление выходного зрачка 20 мм при его диаметре 10 мм. Он пригоден как для обычного, так и подводного применения монокуляра. Последний может быть использован в составе ночного прицельного комплекса, о котором говорилось выше.
Таким образом, существует достаточно широкая номенклатура оптических систем для ПНВ разного типа.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. – М., Недра-Бизнесцентр, 1999. – 286 с.
2. Волков В.Г. Применение линз Френеля в качестве объективов формирования излучения лазерных осветителей, используемых в технике ночного видения. — Вопросы оборонной техники. Серия 11, 1996, вып.1–2, с. 33–36.
3. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений. — Специальная техника, 2001, №5, с.2–8.
4. Волков В.Г. Электронно-оптические преобразователи. Обзор №5592. – М.:НТЦ "Информтехника", 2002, 143 с.
5. Laser diodes and light emitting diodes 1.6–4.6 mkm. – Проспект АО "ТЕХНОЭКСАН" при ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, 2004.
Объективы
Рассмотрим оптические схемы объективов (рис.1).
Схемы линзового и зеркально-линзового объективов для ночного бинокля приведены на рис.1а и 1б, соответственно, а их параметры представлены в таблице (столбцы Рис.1а и Рис.1б, соответственно).
Преимущества зеркально-линзового объектива связаны с более высоким качеством изображения, меньшей массой и габаритами. Однако такой объектив более сложен в сборке и юстировке и имеет более высокую стоимость. В связи с этим выбор того или иного объектива определяется экономическими соображениями в каждом конкретном случае.
Есть еще одна альтернатива, связанная с применением телескопической линзовой насадки на объектив псевдобинокулярных очков ночного видения. Она дает возможность не только улучшить дальность действия очков, но и легко производить монтаж или демонтаж насадки в полевых условиях, не нарушая герметичности прибора. Схема такой насадки в сочетании с объективом очков ночного видения приведена на рис.1в, ее увеличение 4×. В сочетании с объективом очков она обеспечивает параметры, приведенные в таблице (столбец Рис.1в-н), а линзовый объектив, представленный на рис.1в, имеет параметры, приведенные в столбце Рис.1в-о. Однако этот объектив не подходит для работы с очками под водой.
В связи с этим был рассчитан гидрообъектив (рис.1г), который имеет параметры, приведенные в таблице (столбец Рис.1г).
Очки ночного видения используются обычно вместе с лазерным целеуказателем, монтируемым на оружии, образуя ночной прицельный комплекс, используемый спецподразделениями МВД в ночных условиях [1]. К такому целеуказателю был разработан объектив для коллимации его излучения. Схема объектива дана на рис.2а, а его параметры приведены в таблице (столбец Рис.2а, левые варианты). Однако для стрельбы под водой такой объектив не пригоден. В связи с этим была рассчитана его модификация (рис.2б), параметры которой приведены в таблице (столбец Рис.2а/б, правые варианты).
Для активно-импульсных ПНВ (АИ ПНВ) с импульсным лазерным подсветом и синхронизированным с ним импульсным управлением от электронно-оптического преобразователя (ЭОП) в приемной части ПНВ предложена схема комбинированного объектива [1]. Его зеркально-линзовый канал (рис.3) с фокусным расстоянием 150 мм, эффективным относительным отверстием 1:1,5 и углом поля зрения 7° сфокусирован на фотокатод ЭОП. Другие его параметры: расчетная длина волны 0,8 мкм; диапазон ахроматизации 0,404–0,9 мкм; коэффициент передачи контраста для точки на оси на пространственной частоте (характеризующей число штрихов на миллиметр) 15 штр/мм – 0,95; тот же коэффициент на частоте 30 штр/мм – 0,9; тот же коэффициент (при тех же частотах), но для края поля зрения, – 0,7 и 0,4, соответственно, и масса в стекле 450 г.
Центральная часть (1) первого линзового элемента объектива и линза (2) образуют линзовый объектив с фокусным расстоянием 115 мм и относительным отверстием 1:1,4. Объектив рассчитан на длину волны 0,863 мкм и сфокусирован на импульсный лазерный п/п излучатель ИЛПИ-110. Объектив формирует его излучение в угле подсвета 1×0,5°. Диаметр наибольшего кружка рассеяния объектива составляет 0,1 мм. Другой вариант комбинированного объектива (рис.3б) предусматривает наличие в АИ ПНВ дневного канала (1) с увеличением 8× и углом поля зрения 8°. Первый двухлинзовый элемент (2) этого канала в сочетании с дихроичным зеркалом (3), пропускающим свет в спектральном диапазоне 0,4–0,75 мкм и отражающим излучение на длине волны 0,85±0,03 мкм, и линзой (4) образует объектив, формирующий излучение импульсного лазерного осветителя. Такой объектив имеет те же параметры, что и линзовый объектив на рис.3а. С визирной маркой (5) дневного канала сопряжен четырехразрядный девятисегментный индикатор дальности (6) ночного активно-импульсного канала. Поле зрения дневного наблюдения формируется блоком (1) на рис.3б.
Для светодиодных и лазерных осветителей может быть использована линза Френеля [2]. Ее фокусное расстояние от 10 до 300 мм, относительное отверстие до 1:1, работает в видимой и ближней инфракрасной области спектра, формирует угол подсвета (в зависимости от типа излучателя) от 1 до 10°, диаметр кружка рассеяния 0,1 мм, масса меньше 10 г.
Объективы для ПНВ традиционно ахроматизированы в области спектра 0,4—0,9 мкм. Это связано с рабочей областью наиболее употребительных фотокатодов многощелочных или арсенид-галлиевых фотокатодов ЭОП. Однако за последние годы получили развитие ЭОП четвертого поколения и, соответственно, ПНВ, работающие в области спектра 1–2,3 мкм [3]. В связи с этим появились объективы для этой области спектра. На рис.4а показана схема такого объектива, параметры, которого приведены в таблице (столбец Рис.4а). В центральной нерабочей части первого линзового элемента объектива установлен двухлинзовый объектив (1) формирования излучения светодиодного излучателя. Объектив имеет фокусное расстояние 100 мм, относительное отверстие 1:1,2, расчетную длину волны 1,7 мкм, угол подсвета 1° и максимальный кружок рассеяния 0,12 мм. Он сфокусирован на лазерный полупроводниковый излучатель LD-17 [5], генерирующий на этой длине волны.
Для обеспечения обнаружения теплоизлучающих объектов ПНВ целесообразно укомплектовать теплообнаружителем, выполненным на базе тепловизионного ЭОП [4]. Для такого ЭОП был разработан двухлинзовый германиевый объектив (рис.4б), приведенный в таблице (столбец Рис.4б). Это вполне приемлемое решение для задач теплообнаружения.
Окулярные системы
Рассмотрим окулярные системы. Для псевдобинокулярных очков ночного видения и ночных биноклей используется псевдобинокулярный микроскоп (рис.5а). При создании дневного/ночного прибора наблюдения такой микроскоп был дополнен дневными каналами (1), имеющими увеличение 6× и угол поля зрения 8°, причем удаление выходного зрачка (20 мм) и его диаметр (10 мм) были сохранены прежними. Масса микроскопа при этом возросла всего на 20 г и составила 85 г.
Для ночного монокуляра с использованием бипланарного ЭОП без оборачивания изображения необходим монокулярный микроскоп. Его схема приведена на рис.5б. Микроскоп имеет: увеличение 12,5×; линейное поле зрения 17,5 мм; расчетную длину волны 0,545 мкм; диапазон ахроматизации 0,53–0,56 мкм и удаление выходного зрачка 20 мм при его диаметре 10 мм. Он пригоден как для обычного, так и подводного применения монокуляра. Последний может быть использован в составе ночного прицельного комплекса, о котором говорилось выше.
Таким образом, существует достаточно широкая номенклатура оптических систем для ПНВ разного типа.
Литература
1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. – М., Недра-Бизнесцентр, 1999. – 286 с.
2. Волков В.Г. Применение линз Френеля в качестве объективов формирования излучения лазерных осветителей, используемых в технике ночного видения. — Вопросы оборонной техники. Серия 11, 1996, вып.1–2, с. 33–36.
3. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений. — Специальная техника, 2001, №5, с.2–8.
4. Волков В.Г. Электронно-оптические преобразователи. Обзор №5592. – М.:НТЦ "Информтехника", 2002, 143 с.
5. Laser diodes and light emitting diodes 1.6–4.6 mkm. – Проспект АО "ТЕХНОЭКСАН" при ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, 2004.
Отзывы читателей
