Устройство для получения цветного изображения в условиях низкой освещенности

 

Изобретение относится к электронно-оптической области и предназначено для повышения информативности изображения объекта при его очень низкой освещенности. Устройство содержит объектив, на оптической оси которого расположены электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с люминофором экрана белого свечения, цветовой модулятор в виде диска с RGB-фильтрами, жестко закрепленного на оси двигателя перпендикулярно оптической оси объектива, и окуляр. Перед фотокатодом ЭОП размещен светоделитель, с которым оптически связаны источники излучения основных длин волн в соответствующих диапазонах спектра. Диск с RGB-фильтрами установлен за экраном ЭОП, причем источники излучения основных длин волн в соответствующих диапазонах спектра включаются блоком переключения источников излучения по сигналам оптопары синхронно с вращением диска с RGB-фильтрами. 8 ил.

Изобретение относится к области электронно-оптической техники и предназначено для наблюдения объектов в условиях низкой освещенности.

Известны, например, приборы ночного видения, содержащие объектив и электронно-оптический преобразователь (ЭОП) (см. Л.З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Сов. радио, 1978). ЭОП, как правило, имеет экран с люминофором зеленого свечения. В силу этого изображение наблюдаемого объекта имеет ограниченную информативность.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства цветного изображения наблюдаемого объекта в условиях низкой его освещенности.

Поставленная задача решается тем, что устройство, содержащее объектив, ЭОП и окуляр, снабжено цветовым модулятором, выполненным в виде, например, двух дисков со светофильтрами основных длин волн (R, G, В - фильтрами, т.е. "красным", "зеленым" и "синим") в его секторах. Первый размещен перед фотокатодом, а второй - за экраном ЭОП перпендикулярно оптической оси на общем валу электродвигателя.

Причем одноцветные фильтры обоих дисков ориентированны соосно вдоль оптической оси друг за другом.

Наряду с обычными фильтрами из цветного стекла могут использоваться интерференционные фильтры для более четкого разделения отраженного от объекта света на основные R, G, В-составляющие.

В случае наблюдения объекта в других областях спектра, например в инфракрасной (ИК) или ультрафиолетовой (УФ) области в диске, размещенном перед фотокатодом ЭОП, устанавливаются фильтры с максимумами полосы пропускания в коротковолновой, средней и длинноволновой областях спектра заданного диапазона.

Вариантом устройства, обеспечивающим активный режим работы, т.е. получение цветного изображения объекта в полной темноте, является прибор, содержащий объектив, ЭОП, окуляр и цветовой модулятор. Причем цветовой модулятор, расположенный перед фотокатодом ЭОП, включает в себя светоделитель, оптически связанные с ним источники излучения основных длин волн, например R, G, В-светодиоды, блок переключения источника излучения и оптопару в зоне диска со светофильтрами, установленного за экраном ЭОП.

Для повышения надежности устройства за счет исключения элементов с механическим вращением входной цветоделительный блок выполнен в виде двух зеркал с дихроическими покрытиями и зеркала с нейтральным отражающим покрытием, соответственно усилитель яркости изображения в виде трех каналов, каждый из которых содержит ЭОП с различными типами люминофоров, обеспечивающих свечение в R, G, В-областях видимого спектра излучения и выходной цветоделительный блок совмещения изображения в виде трех зеркал, два из которых имеют полупрозрачное покрытие.

Для повышения удобства наблюдения за счет получения изображения на экране цветной электронно-лучевой трубки в устройство за экраном ЭОП установлена оптическая система переноса изображения и устройство преобразования оптического изображения в телевизионный сигнал, например в виде ПЗС-камеры. Устройство снабжено также блоком управления переключателем R, G, В-пушек цветной электронно-лучевой трубки, связанного с оптопарой в зоне входного диска со светофильтрами.

Для реализации активного режима работы и возможности построения цветного изображения в полной темноте блок переключения источников излучения одновременно является блоком управления переключателем R, G, В-пушек цветной электронно-лучевой трубки.

Изобретение поясняется подробным описанием устройства и чертежами, на которых изображены фиг. 1 - схема устройства с цветовым модулятором в виде двух дисков со светофильтрами; фиг.2 - диск цветомодулятора в плане; фиг.3 - схема устройства с активным режимом работы; фиг.4 - схема устройства с трехканальным блоком ЭОП; фиг.5а, б - спектральные характеристики отражательной способности зеркал с дихроическим покрытием, фиг.6 - схема устройства с цветной электронно-лучевой трубкой; фиг. 7 - схема устройства с цветной электронно-лучевой трубкой, работающего в активном режиме.

Устройство (фиг. 1) содержит объектив 1, ЭОП 2, окуляр 3 и цветовой модулятор в виде двух дисков со светофильтрами, один из которых (4) размещен перед фотокатодом ЭОП, а второй (5) за его экраном. Диски 4 и 5 жестко укреплены на оси 6 двигателя 7.

Диски 4 и 5 (фиг.2) цветомодулятора содержат секторы с R, G, В-светофильтрами в каждом из них.

Светофильтры одного цвета на обоих дисках 4 и 5 расположены соосно, т.е. один за другим вдоль оптической оси.

Устройство с активным режимом работы (фиг.3) содержит объектив 1, ЭОП 2, окуляр 3, цветовой модулятор в виде светоделителя 8, диска со светофильтрами 5, источника излучения 9, блока переключения источников излучения 10 и оптопары 11.

Диск со светофильтрами 5 жестко укреплен на оси 6 двигателя 7.

На фиг. 4 изображено устройство, в котором цветоделительный блок перед блоком ЭОП 2 состоит из двух зеркал 12, 13 с дихроическим покрытием и зеркала 14 с нейтральным отражающим покрытием, а блок ЭОП включает три канала, каждый из которых содержит соответственно ЭОП₁, ЭОП₂ и ЭОП₃, с различными люминофорами. Например, ЭОП₁ имеет люминофор со свечением в области R, ЭОП₂ - в области G и ЭОП₃ - в области В. Выходной цветоделительный блок совмещения изображений состоит из двух зеркал 15, 16 с полупрозрачным отражающим покрытием и зеркала 17. Причем, как показано на фиг.4, на фотокатод ЭОП₁ концентрируется световой поток Ф_R спектральной области R, на фотокатод ЭОП2 - соответственно световой поток Ф_G, и на ЭОП3-Ф_B.

На фиг. 5а представлена примерная спектральная характеристика отражательной способности ρ_λ дихроичного зеркала 12, а на фиг.5б - дихроичного зеркала 13. В данном случае λ - длина волны излучения.

На фиг.6 показано устройство для получения цветного изображения на экране цветной электронно-лучевой трубки. Оно состоит из объектива 1, ЭОП 2, оптической системы переноса изображения 18, преобразователя оптического изображения в телевизионный сигнал 19, например, на базе ПЗС-камеры, цветового модулятора в виде диска 4 с R, G, В-светофильтрами блока управления 20 переключателем R, G, В-пушек 21 цветной электронно-лучевой трубки 22. Блок управления 20 связан с оптопарой 11, установленной в зоне диска 4, жестко закрепленного на оси 6 двигателя 7.

Устройство с цветной электронно-лучевой трубкой для реализации активного режима работы представлено на фиг.7, в котором цветовой модулятор 4 перед фотокатодом ЭОП 2 выполнен в виде светоделителя 23. Причем блок управления 10 переключателя R, G, В-пушек 21 цветной элeктpoннo-лучевой трубки 22, одновременно является блоком переключения устройства излучения 9.

Отличительной особенностью ЭОП является то, что его фотокатод и люминофор экрана (исключая вариант устройства на фиг.4) должны иметь относительную равномерную спектральную чувствительность и спектральную характеристику излучения в видимом диапазоне электромагнитных волн (т.е. люминофор экрана ЭОП должен иметь примерно такую же основу, как и люминофор электронно-лучевой трубки телевизора черно-белого изображения).

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Свет от источника низкой интенсивности (звезды, Луна и т.п.) падает на объект наблюдения. Часть отраженного от него света концентрируется объективом 1 на фотокатоде ЭОП 2 в виде изображения объекта наблюдения. Вследствие вращения дисков цветового модулятора перед фотокатодом и за экраном ЭОП периодически оказываются фильтры "зеленого", "синего" и "красного" цвета. В результате из светового потока, отраженного от объекта наблюдения, фильтрами диска 4 (фиг. 2) периодически выделяются электромагнитные колебания с длинами волн, например, λ_B=460 мкм, λ_G=555 мкм и λ_R=620 мкм. Колебания с такими же (или близкими) длинами волн выделяются фильтрами второго диска 5 из спектра излучения, формируемого люминофором экрана ЭОП 2. Благодаря высокой скорости вращения дисков 4 и 5 (не менее 3000 об/мин), установленных на оси 6 двигателя 7, и инерционности зрительного аппарата человека происходит аддитивное смешение последовательно воспроизводимых синего, зеленого и красного цветов. В результате наблюдатель воспринимает изображение объекта наблюдения, сформированное на экране ЭОП 2, через окуляр 3 в цвете. Наряду с цветными R, G, В-фильтрами видимого диапазона спектра излучения в диске 4 цветового модулятора могут быть установлены интерференционные светофильтры, обеспечивающие выделение более узких спектральных зон.

Достоинствами предлагаемого устройства являются простота реализации, отсутствие проблем, связанных с совмещением выделенных цветных (R, G, В) изображений и относительно несложная операция по выбору ЭОП с люминофором черно-белого свечения.

В случае наблюдения объекта в других областях спектра (например, в инфракрасной или ультрафиолетовой) в диске 4, расположенном перед фотокатодом ЭОП 2, устанавливают фильтры с максимумами полосы пропускания в коротковолновой, средней и длинноволновой области спектра выбранного диапазона. Например, для инфракрасной области λ₁=0,8 мкм, λ₂=0,9 мкм и λ₃=1 мкм, а для ультрафиолетовой области - λ₁=0,3 мкм, λ₂=0,35 мкм и λ₃=0,4 мкм (возможны и другие сочетания триад).

В отличие от системы на фиг.1 устройство, представленное на фиг.3, реализует активный режим работы с возможностью получения цветного изображения в полной темноте. Оно также содержит объектив 1, ЭОП2, окуляр 3 и цветовой модулятор 4, 5. Цветовой модулятор в данном варианте включает в себя светоделитель 8 и оптически связанные с ним источники излучения 9 основных длин волн (R, G, В), например в виде светодиодов, и диск 5 со светофильтрами, установленный на оси 6 двигателя 7. Диск 5, как и в первом варианте, состоит из трех секторных R, G, В-фильтров.

Устройство работает в автоколлимационном режиме, т.е. объект наблюдения поочередно освещается через светоделитель 8 и объектив 1 одним из трех светодиодов 9. Светодиоды 9 включаются блоком переключения источников излучения 10 по сигналам оптопары 11 синхронно с вращением диска 5. Т.е. при выходе на оптическую ось светофильтра диска 5 синего цвета включается светодиод синего свечения, при выходе светофильтра зеленого цвета включается светодиод зеленого свечения и т.д. Для работы устройства в ИК- или в УФ-диапазонах подбираются светодиоды с максимумами излучательной способности в коротковолновой, средневолновой и длинноволновой частях выбранного спектрального диапазона.

Устройство, представленное на фиг.4, работает следующим образом. Свет низкой интенсивности от объекта наблюдения проходит объектив 1 и попадает на цветоделительный блок, с помощью которого он разделяется на три составляющие Ф_B, Ф_G и Ф_R, т.е. синюю, зеленую и красную в соответствии со спектральными характеристиками отражательной способности дихроичного зеркала 13 (фиг, 5а) и 12 (фиг.5б).

Каждый из каналов ЭОП2 является усилителем яркости изображения заданного спектрального диапазона (R, G, В). В результате аддитивного смешения изображений красного, синего и зеленого цветов посредством выходного цветоделительного блока в виде двух зеркал 15 и 16 с полупрозрачным покрытием и зеркала 17 наблюдатель через окуляр 3 воспринимает цветное изображение объекта наблюдения.

Вместо ЭОП с цветными люминофорами в каждом из каналов могут быть использованы ЭОП с люминофором черно-белого свечения, но тогда за экранами ЭОП должны размещаться стационарные R, G, В-фильтры по одному в соответствующих каналах.

Устройство (фиг. 6), позволяющее получать цветное изображение объекта наблюдения на экране электронно-лучевой трубки, работает следующим образом. Свет от объекта концентрируется объективом 1 на экране ЭОП2. Усиленное по яркости изображение с экрана ЭОП2 оптической системой переноса 18 формируется на чувствительной площадке преобразователя оптического изображения в телевизионный сигнал 19, например, в виде ПЗС-камеры. Полученный телевизионный сигнал поступает в переключатель R, G, В-пушек 21 цветной электронно-лучевой трубки 22. Последовательное включение R, G, В-пушек для формирования на экране трубки изображений соответствующих цветов осуществляется по команде блока управления 20, связанного с оптопарой 11 диска 4 цветоделительного модулятора. Диск 4, аналогично устройству на фиг.1, содержит R, G, В-фильтры и жестко закреплен на оси 6 двигателя 7. При вращении диска 4 на фотокатоде ЭОП2 последовательно формируются изображение объекта наблюдения в красном, зеленом и синем цветах. Синхронно с вращением диска 4 через оптопару 11 и блок управления 20 подаются команды на переключатель R, G, В-пушек 21. В результате на экране электронно-лучевой трубки последовательно с частотой выше предельной частоты мельканий для глаза человека формируются изображения объекта в основных цветах, что воспринимается наблюдателем как цветное изображение.

Устройство на фиг.7, как дальнейшее развитие устройства на фиг.6, реализует активный режим работы, т.е. возможность наблюдения объекта в полной темноте. В этом варианте подсветка объекта наблюдения осуществляется поочередно через цветовой модулятор 4 в виде светоделителя 23 и объектив 1 источниками излучения 9, например, в виде светодиодов с излучением основных длин волн (R, G, В). Синхронное управление включения светодиодов и R, G, В-пушек осуществляется блоком управления 10. Как и в устройстве на фиг.3, возможно получение цветного изображения в ИК- или УФ-диапазонах.

Формула изобретения

Устройство для получения цветного изображения в условиях низкой освещенности или полной темноты, содержащее объектив, на оптической оси которого расположены электронно-оптический преобразователь (ЭОП), экран которого выполнен с люминофором белого свечения, цветовой модулятор в виде диска с RGB-фильтрами, жестко закрепленного на оси двигателя перпендикулярно оптической оси объектива, и окуляр, отличающееся тем, что перед фотокатодом ЭОП размещен светоделитель, с которым оптически связаны источники излучения основных длин волн в соответствующих диапазонах спектра, диск с RGB-фильтрами установлен за экраном ЭОП, причем источники излучения основных длин волн в соответствующих диапазонах спектра включаются блоком переключения источников излучения синхронно с вращением диска с RGB-фильтрами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7