Устройство защиты приборов ночного видения от оптических помех
Владельцы патента RU 2344499:
Открытое акционерное общество "Азовский оптико-механический завод" (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения, предназначено для защиты приборов ночного видения от оптических помех ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона и может быть использовано при полетах или передвижениях носителей приборов ночного видения для обеспечения ориентировки носителей в пространстве, маскировки и исключения паразитных засветок видимым и инфракрасным излучением в темное время суток. Изобретение направлено на обеспечение защиты прибора ночного видения от оптических помех, создающих освещенность на входе в объектив прибора, превышающую заданное пороговое значение, без прерывания процесса наблюдения. Этот результат обеспечивается за счет того, что изобретение включает прибор ночного видения и канал измерения оптической помехи и формирования управляющего сигнала. Прибор ночного видения содержит оптически соединенные объектив, электрохромный фильтр, электронно-оптический преобразователь, окуляр. Измерительный канал включает последовательно оптически связанные микрообъектив и светоделительное зеркало, эталонный источник излучения в виде импульсного светодиода, матричный фотоприемник, при этом эталонный источник излучения электрически связан с генератором импульсов, образуя введенный канал формирования эталонного сигнала. Матричный фотоприемник электрически связан через введенную многоканальную схему сравнения с введенным многоканальным формирователем управляющего напряжения, включающим в себя многоканальный коммутатор. Генератор импульсов своим первым выходом соединен с импульсным светодиодом, а вторым выходом - с многоканальной схемой сравнения, а многоканальный формирователь управляющего напряжения связан через многоканальный коммутатор с электрохромным фильтром, при этом электрохромный фильтр установлен в фокальной плоскости объектива прибора ночного видения, непосредственно примыкая к фотокатоду прибора. Матричный фотоприемник и электрохромный фильтр выполнены в виде матриц размером nxn элементов, при этом каждый элемент электрохромного фильтра имеет автономное электрическое управление коэффициентом пропускания излучения оптической помехи. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Предлагаемое устройство относится к устройствам защиты приборов ночного видения от оптических помех ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.
Вышеуказанное устройство применяется при полетах или передвижениях носителей приборов ночного видения для обеспечения ориентировки носителей в пространстве, маскировки и исключения паразитных засветок видимым и инфракрасным излучением в темное время суток.
Известны следующие способы и устройства защиты приборов ночного видения от оптических помех видимого и инфракрасного излучения:
а) защитные устройства с дополнительной подсветкой фотохромного материала [1, 2];
б) динамические ослабители на жидких кристаллах на основе использования твист-эффекта и с локальной модуляцией [3-5];
в) устройства на основе применения сегнетокерамических материалов [6, 7];
г) оптические устройства на основе просветных или отражающих пространственно-временных модуляторов света [8, 9] - и др.
Недостатками известных способов и устройств защиты приборов ночного видения являются большие масса и габариты, низкое быстродействие и низкий коэффициент пропускания в отсутствие помех, недостаточный динамический диапазон изменения яркости источников оптических помех, необеспечение надежной защиты в широком спектральном диапазоне, высокая стоимость.
В качестве прототипа авторами выбрано устройство защиты органов зрения [1] как наиболее близкое по технической сущности. Недостатки прототипа указаны выше.
Цель изобретения - исключение вышеуказанных недостатков и обеспечение защиты прибора ночного видения от оптических помех, создающих в плоскости входного отверстия объектива освещенность более 1 люкса (лк), без прерывания процесса наблюдения.
Для достижения указанной цели прибор ночного видения, снабженный оптическим фильтром из электрохромного материала (далее - электрохромный фильтр), изменяющего свой коэффициент пропускания оптического излучения под действием управляющего электрического напряжения, дополнительно снабжен измерительным каналом, формирующим управляющий сигнал для электрохромного фильтра.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из прибора ночного видения I и канала измерения оптической помехи и формирования управляющего сигнала II. Прибор ночного видения I содержит последовательно оптически соединенные объектив 1, электрохромный фильтр 2, электронно-оптический преобразователь 3 и окуляр 4 (5 - орган зрения). Измерительный канал II включает в себя последовательно оптически связанные микрообъектив 6 и светоделительное зеркало 7, эталонный источник излучения 8 в виде импульсного светодиода, матричный (позиционно-чувствительный) фотоприемник 9, при этом эталонный источник излучения 8 электрически связан с генератором импульсов 10, образуя канал формирования эталонного сигнала; матричный фотоприемник 9 электрически связан через многоканальную схему сравнения 11 с многоканальным формирователем управляющего напряжения 12, включающим в себя многоканальный коммутатор 13, причем генератор импульсов 10 первым своим выходом соединен с импульсным светодиодом 8, а вторым выходом - с многоканальной схемой сравнения 11; многоканальный формирователь управляющего напряжения 12 связан через многоканальный коммутатор 13 с электрохромным фильтром 2.
На фиг.2 изображена электрическая схема электрохромного фильтра 2, электрически соединенного с многоканальным коммутатором 13.
Устройство работает следующим образом. Видимое Фν и инфракрасное Фе излучение оптической помехи Фп=Фν+Фе попадает одновременно в поле зрения прибора ночного видения I и на вход измерительного канала II. Прибор ночного видения формирует на выходе окуляра 4 изображение источника помехи, которая приводит к «растеканию» изображения по экрану электронно-оптического преобразователя 3 и последующей полной засветке экрана вследствие насыщения фотокатода электронно-оптического преобразователя 3. Таким образом, изображение окружающего пространства на выходе прибора ночного видения I полностью исчезает. Измерительный канал II предназначен для исключения последствий этого явления. Световой поток источника помехи Фп=Фν+Фе через микрообъектив 6 и светоделительное зеркало 7 попадает в определенное место матрицы чувствительных элементов матричного фотоприемника 10, в качестве которого применяется, например, прибор с зарядовой связью. Матричный фотоприемник 9 состоит из nxn чувствительных элементов и настроен на пороговую освещенность Епор=1 лк, при превышении которой должна срабатывать защита прибора ночного видения I. С этой целью пороговая освещенность задается эталонным источником излучения в виде импульсного светодиода 8, управляемого генератором импульсов 10, который вторым своим выходом соединен с многоканальной схемой сравнения 11, на которую подается эталонный сигнал с отрицательным знаком - -uэ, соответствующий пороговой освещенности Епор=1 лк матричного фотоприемника 9. Частота следования импульсов эталонного источника излучения 8 не должна создавать помех работе прибора ночного видения и поэтому выбирается из условия: f=(3...5)τПНВ,
где τПНВ - постоянная времени прибора ночного видения. На основной вход многоканальной схемы сравнения 11 поступает суммарный сигнал uΣ, равный сумме напряжения uТ, соответствующего текущей освещенности от оптической помехи, и напряжения uэ, соответствующего пороговой освещенности EПОР=1 лк:
Таким образом, на выходе многоканальной схемы сравнения 11 формируется сигнал, пропорциональный текущей освещенности прибора ночного видения I:
Сигнал (1) поступает в многоканальный формирователь управляющего напряжения 12, в котором формируется управляющий сигнал uy, поступающий далее через многоканальный переключатель 13 на электрохромный фильтр 2 с электрически управляемой функцией спектрального пропускания и изменяет его коэффициент пропускания таким образом, что полностью устраняет действие оптической помехи и позволяет наблюдать изображение окружающего пространства без яркостных искажений, вызываемых помехой.
Электрохромный фильтр 2 представляет собой электрохромный материал прямоугольной плоской формы в твердой или жидкой фазе, имеющий матричную конструкцию размером nxn элементов, в соответствии с размерами матричного фотоприемника 9, также имеющего nxn чувствительных элементов, каждый из которых имеет автономное электрическое управление коэффициентом пропускания излучения оптической помехи. Он устанавливается в фокальной плоскости объектива 1 и позволяет производить локальное затемнение того участка поля зрения прибора ночного видения I, на которое проецируется изображение оптической помехи. Включение соответствующего элемента электрохромного фильтра производится многоканальным переключателем 13 по сигналам многоканального формирователя управляющего напряжения 12.
На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая соответствие номера элемента изображения (i, j) оптической помехи в плоскости чувствительных элементов матричного фотоприемника 10 номеру элемента (i, j) электрохромного фильтра, изменяющего свой коэффициент пропускания (nг, nв - количество элементов матричного фотоприемника и электрохромного фильтра по горизонтали и вертикали соответственно).
Экспериментально установлено, что оптимальная освещенность входного отверстия объектива 1 прибора ночного видения II не должна превышать 1 люкс. Для этого измерительный канал освещается эталонным источником излучения в виде импульсного светодиода 8, создающим в плоскости матричного фотоприемника 9 пороговую освещенность Епор=1 люкс. В случае превышения порогового уровня освещенности - Ет>Eпор коэффициент пропускания электрохромного фильтра уменьшается до уровня, обеспечивающего оптимальные условия наблюдения:
где Еопт - оптимальная освещенность входного зрачка объектива 1 прибора ночного видения I; τу - управляемый коэффициент пропускания электрохромного фильтра; Ет - текущее значение освещенности входного зрачка объектива 1 прибора ночного видения I.
Из формулы (2)
при Еопт=1 люкс; k=1 люкс-1 - коэффициент согласования размерности.
На фиг.4 представлена расчетная зависимость коэффициента пропускания электрохромного фильтра от величины освещенности в плоскости матричного фотоприемника 10.
На фиг.5, 6 изображены типовые расчетые зависимости коэффициента пропускания электрохромного фильтра 2 от величины управляющего напряжения и закон изменения управляющего напряжения при увеличении освещенности прибора ночного видения I излучением оптической помехи.
В заявляемом устройстве, таким образом, предлагается использовать оптический фильтр из электрохромного материала:
1) электрохромный фильтр выполняется в виде мозаичной структуры, каждый элемент которой имеет автономное электрическое управление коэффициентом пропускания в зависимости от положения источника оптической помехи в поле зрения прибора ночного видения;
2) электрохромный фильтр устанавливается не перед объективом, как в известных устройствах [1, 2], а за ним, в фокальной плоскости объектива, чем обеспечивается фокусировка источника оптической помехи в некоторую точку поля формируемого изображения; это не приводит к нежелательной засветке всего поля зрения и обеспечивает непрерывную работоспособность электронно-оптического преобразователя независимо от наличия помехи;
3) в устройство вводится измерительный канал, состоящий из координатно-чувствительного матричного фотоприемника и схемы формирования управляющего напряжения, подаваемого на соответствующий элемент электрохромного фильтра; в результате происходит резкое уменьшение коэффициента пропускания этого элемента на время, равное длительности действия помехи; в то же время остальное поле зрения прибора остается прозрачным, что позволяет наблюдать изображение окружающего пространства с заданным качеством.
Таким образом, вышеописанное устройство для защиты прибора ночного видения от оптических помех позволяет достигнуть цели изобретения, а именно: обеспечить защиту прибора ночного видения от оптических помех, создающих освещенность на входе в объектив прибора, превышающую заданное пороговое значение, без прерывания процесса наблюдения. При этом помеха действует локально и лишь кратковременно выводит из строя только небольшую часть поля зрения прибора, а в остальном же поле зрения защита обеспечивает заданные дальность видимости и качество изображения.
Литература
1. Барачевский В.А., Василевский О.Н., Сущев Г.А. и др. Расширение светового диапазона телевизионных камер с помощью электрохромных светофильтров // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. - 1981. - Вып.2. - С.13-18.
2. Барачевский В.А., Лашков Г.И., Цехомский В.А. Фотохромизм и его применение. - М.: Химия, 1977. - 280 с.
3. Sci. New. Lett., 1965, v.88, №4, р.55; Missiles Rockets, 1966, v.18, №17, р.23.
4. Ицелева Л.Н., Полушкин Д.Ю., Сихарулидзе Д.Г. и др. Светозащитные очки на основе жидких кристаллов // ОМП. - 1990. - №1. - С.38-40.
5. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. - М.: Наука, 1978. - 384 с.
6. Брежнев В.А., Гарфинкель Б.И., Долгополый Ю.Е. и др. Перспективы пассивно-матричных жидкокристаллических экранов и быстродействующих затворов // Электрон. пром-сть. - 2002. - №1. - С.14-24.
7. Пат. Великобритании №2128362А, 1984 // Бюл. ВНИИПИ. - 1984. - 107-12-84.
8. Европатент №0436845, 1989 // Бюл. ВНИИПИ. - 1989 - №29. - 91-07-17.
9. Томилин М.Г., Данилов В.В., Оптические устройства на жидких кристаллах для защиты наблюдателя от слепящих источников излучения // ОМП. - 2004. - №2. - С.14-24.
1. Устройство защиты приборов ночного видения от оптических помех, содержащее измерительный канал, включающий в себя микрообъектив и фотоприемное устройство, и электрохромный фильтр, отличающееся тем, что в него введен канал формирования эталонного сигнала, включающий в себя оптически сопряженные светоделительное зеркало, эталонный источник излучения, электрически соединенный с генератором импульсов, а фотоприемное устройство измерительного канала выполнено в виде матричного (позиционно-чувствительного) фотоприемника излучения оптической помехи, формирующего управляющий сигнал в зависимости от мощности и координат изображения оптической помехи в плоскости чувствительных элементов матричного фотоприемника, электрически соединенного через введенные в тракт измерительного канала, многоканальную схему сравнения, многоканальный формирователь управляющего напряжения и многоканальный коммутатор с электрохромным фильтром; при этом генератор импульсов первым своим выходом соединен с эталонным источником излучения, а вторым выходом - с многоканальной схемой сравнения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрохромный фильтр установлен в фокальной плоскости объектива прибора ночного видения и непосредственно примыкает к фотокатоду прибора.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что матричный фотоприемник излучения оптической помехи и электрохромный фильтр выполнены в виде матриц размером nxn элементов; при этом каждый элемент электрохромного фильтра имеет автономное электрическое управление коэффициентом пропускания излучения оптической помехи.
