Оптическая панорамическая система

Оптическая панорамическая система

Реферат

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может найти применение при создании бинокулярных приборов панорамного наблюдения, ориентирования, обнаружения, разведки местности и распознавания целей.

Известны оптические панорамические системы оптических приборов, например, зенитных визиров, которые позволяют наблюдать все пространство вокруг наблюдателя при неизменном положении окуляра (см., например, В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов, Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 г., с.334, 335, рис.IV.19б [1], Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора. М.В.Савостьяновой. Изд. 3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 г., с.36-37, рис.26 [2]). Идеологической основой их является панорамическая система Герца, включающая отражатель с компенсатором наклона в виде выпрямляющей призмы, оборачивающую систему и окулярную часть из объектива, крышеобразной призмы и окуляра. Указанная возможность панорамического наблюдения достигается тем, что верхняя, головная часть прибора, содержащая отражатель, например, в виде прямоугольной призмы с отражательной гранью, может поворачиваться на 360° вокруг вертикальной оптической оси прибора, формируя панорамный оптический сигнал. Чтобы изображение предмета на окуляре при этом все время оставалось прямым, вслед за указанной призмой до объектива зрительной трубы или между линзами оборачивающей системы, в параллельном пучке лучей устанавливается трапецеидальная выпрямляющая призма Дове, которая, поворачиваясь одновременно с первым, головным отражателем в ту же сторону, но со скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя, будет компенсировать поворот изображения, возникающий от поворота головного отражателя. Наиболее близким аналогом выбрана оптическая панорамическая система, описанная в книге Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора М.В.Савостьяновой. Изд.3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 г., стр.36-37, рис.26 [2]. Как свидетельствует ряд публикаций, упомянутая система Герца ввиду ее удачной классической схемы построения и достоинств много лет не модернизировалась (см., например, журнал "Военный парад", 2003 г., №4, с.100. В.Хромов, Г.Княжев. Орудийной панораме Герца - 100 лет [3]), однако давно назрела необходимость ее модернизации ввиду имеющихся недостатков.

Недостатком приведенных выше систем является их монокулярность, которая ограничивает возможности этих систем с точки зрения информативности, не позволяет получить информацию о рассматриваемой местности по глубине пространства, уменьшает разрешающую способность глаза, имеет меньшую обнаружительную, распознавательную способность, а потому менее эффективна при использовании по отношению к бинокулярным системам. Кроме того, монокулярность вызывает ускоренную утомляемость глаз наблюдателя, что может привести к дополнительным потерям информации при наблюдении.

Задачей изобретения является создание оптической панорамической бинокулярной системы, которая позволит повысить информативность и эффективность наблюдения, уменьшит утомляемость оператора.

Задача решается конструкцией оптической панорамической системы, содержащей головной отражатель, размещенный в головке прибора и установленный с возможностью поворота вокруг вертикальной оптической оси этой системы, выпрямляющую призму, установленную на этой оси, до объектива окуляра, с возможностью поворота одновременно с поворотом головного отражателя вокруг той же вертикальной оптической оси в ту же сторону с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя, неподвижную окулярную часть с последовательно установленными объективом и окуляром, а также оборачивающую систему, установленную после головного отражателя. В поле зрения окуляра установлена плоскопараллельная пластинка с измерительной сеткой прицеливания. При этом отличием предлагаемого решения от прототипа является то, что за головным отражателем по ходу лучей в его поле зрения до выпрямляющей призмы установлены симметрично относительно оптической вертикальной оси параллельно друг другу две идентичные головные оптические телескопические системы, установленные с возможностью синхронного с головным отражателем поворота относительно той же оптической вертикальной оси в том же направлении с той же скоростью, что и головной отражатель. Назначение этих головных оптических телескопических систем - формирование поля панорамического изображения на каждый глаз отдельно. Расстояние между параллельными ветвями телескопических оптических систем определяется необходимой глубиной анализируемого пространства при заданном увеличении системы и является чисто расчетной инженерной величиной. Лучшим вариантом построения головной оптической системы с точки зрения простоты, надежности и небольших габаритов будет телескопическая двухлинзовая оптическая система Кеплера (см., например, [2], с.15, рис.11). Каждая головная телескопическая система снабжена своим головным ромбическим отражателем, идентичным другому, установленным также с возможностью поворота вокруг той же вертикальной оптической оси синхронно со своей головной телескопической системой в ту же сторону, причем выходной зрачок каждой головной телескопической системы совмещен с выходной отражающей гранью своего головного ромбического отражателя для обеспечения минимальных габаритов всей системы. Оба головных ромбических отражателя параллельных симметричных головных телескопических систем выполнены идентичными для исключения нарушения бинокулярности наблюдения и ошибок в связи с этим и установлены так, что линия пересечения их выходных отражающих граней пересекает вертикальную оптическую ось под прямым углом. Это позволяет направить параллельные пучки лучей от каждой головной телескопической системы на выпрямляющую призму симметрично относительно вертикальной оптической оси. При несоблюдении этих условий нарушится параллельность хода лучей входных и выходных зрачков, что может привести к потерям информативности всей системы в целом. Окулярная часть дополнена второй окулярной ветвью для второго глаза наблюдателя с объективом и окуляром, идентичными объективу и окуляру первой окулярной ветви соответственно. Перед окулярной частью всей системы неподвижно симметрично относительно вертикальной оптической оси установлены два идентичных друг другу окулярных ромбических отражателя каждый для своей окулярной ветви так, что линия пересечения их входных отражающих граней пересекается под прямым углом с оптической вертикальной осью. Для формирования пучка лучей на каждую входную грань окулярных ромбических отражателей, до них, на вертикальной оптической оси неподвижно установлена окулярная телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен с входными гранями окулярных ромбических отражателей. Призматические отражатели окулярной части, как и в прототипе, служащие для изменения направления оптической оси с целью удобства наблюдения, могут быть установлены каждый не между объективом и окуляром, как в прототипе, а в поле зрения выходной грани своего окулярного ромбического отражателя непосредственно за ним, до объектива каждой окулярной ветви. Эти отражатели, выполненные в виде отражательной призмы с крышей, могут служить оборачивающей системой изображения. Головной отражатель может быть выполнен в виде прямоугольной призмы с отражательной гранью либо в виде головного зеркала. В качестве ромбических отражателей может быть использована призма БС-0° (ромб) (см. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общей редакцией В.А.Панова, Ленинград, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980 г., с.172 [4]). Указанные ромбические отражатели служат для параллельного переноса оптического бинокулярного панорамического сигнала. В качестве выпрямляющей призмы могут быть использованы трапецеидальная призма Дове АР-0° [4, с.170], призма Пехана [4, с.170]. В зависимости от типа используемой выпрямляющей призмы будет зависеть ее место расположения в оптической системе. Если использовать в качестве выпрямляющей призмы трапецеидальную призму Дове, последняя работает в параллельном пучке лучей, и для обеспечения ее работы ее можно расположить либо сразу за головными ромбическими отражателями, формирующими на выходе параллельный пучок лучей, перед окулярной двухлинзовой телескопической системой, либо между средними линзами окулярной четырехлинзовой телескопической системы. При использовании призмы Пехана в качестве выпрямляющей последняя будет работать в сходящемся пучке лучей и должна быть установлена между линзами окулярной двухлинзовой телескопической системы, обеспечивающей этот сходящийся пучок лучей на указанном участке. Однако призма Пехана более сложна в изготовлении, а потому менее предпочтительна.

Описанная конструкция оптической системы позволит сформировать оптический панорамический сигнал для обоих глаз наблюдателя и обеспечить построение бинокулярной оптической системы при сохранении преимуществ панорамирования. Построение такой системы, предусматривающей не только выполнение окулярной части бинокулярной, но и позволяющей сформировать панорамный сигнал для обоих глаз наблюдателя, неизвестно.

На чертеже изображена оптическая схема оптической панорамической бинокулярной системы наблюдения. Она содержит головной отражатель 1, размещенный в головке прибора и установленный с возможностью поворота вокруг вертикальной оптической оси этой системы. Головной отражатель 1 может быть выполнен как в виде зеркала, так и в виде призмы с отражающей гранью, как это сделано в аналогах. После головного отражателя 1 в его поле зрения симметрично относительно вертикальной оптической оси системы установлены параллельно друг другу две головные оптические телескопические системы, содержащие по две линзы 2 и 3 соответственно для формирования панорамического изображения местности для каждого глаза наблюдателя. Эти головные телескопические системы 2-3 для формирования панорамного бинокулярного изображения установлены с возможностью поворота вокруг той же вертикальной оси синхронно с поворотом головного отражателя в ту же сторону и с той же скоростью. Это может быть достигнуто либо жестким соединением головных телескопических систем 2-3 с головным отражателем 1, либо их синхронным вращением. При необходимости качания головного отражателя 1 вокруг горизонтальной оси для вертикальной наводки жесткое соединение телескопических систем с головным отражателем недопустимо, и поэтому поворот головных двухлинзовых телескопических систем синхронно с головным отражателем достигается иными известными техническими средствам, например, разными передаточными звеньями от одного двигателя или использованием двух синхронизированных двигателей. Головные телескопические системы 2-3 снабжены каждая идентичными головными ромбическими отражателями 4 в виде ромбических призм с двумя параллельными, расположенными под углом в 45° к торцам отражающими гранями - входной и выходной, причем оба головных ромбических отражателя 4 параллельных симметричных головных оптических телескопических систем 2-3 установлены так, что линия пересечения их выходных отражающих граней пересекает вертикальную оптическую ось, вокруг которой совершается поворот, под прямым углом. Оба головных ромбических отражателя 4 также установлены с поворотом синхронно с головными телескопическими системами 2-3. Выходной зрачок каждой головной телескопической системы 2-3 совмещен с выходной отражающей гранью своего ромбического отражателя 4. После головных ромбических отражателей 4, в их выходном параллельном пучке лучей установлена выпрямляющая призма 5, с возможностью одновременного ее поворота с головным отражателем 1 вокруг той же вертикальной оптической оси в ту же сторону с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя 1. Выпрямляющая призма 5 выполнена в виде трапецеидальной призмы Дове. Совместное вращение головного отражателя 1 и выпрямляющей призмы 5 может быть осуществлено известными способами, например, так же, как и в прототипе, с использованием дифференциала, описанного на стр.37 [2] и изображенного на рис.223 [2]. После выпрямляющей призмы 5 перед окулярной частью установлена вторая пара идентичных друг другу окулярных ромбических отражателей - призм 6, по одной на каждый окулярный канал, так, что линия пересечения их входных отражающих граней пересекается под прямым углом с оптической вертикальной осью. Для направления оптического сигнала с выпрямляющей призмы 5 на входные грани окулярных ромбических призм 6 перед ними установлена окулярная телескопическая система из двух линз 7, 8, выходной зрачок которой совмещен с входными гранями окулярных ромбических отражателей 6. Выходные отражающие грани окулярных ромбических призм 6 оптически сопряжены каждая со своей окулярной ветвью, включающей отражатель 9, объектив 10 и окуляр 11. Отражатели 9 окулярных ветвей, по одному на каждую ветвь, установлены в поле зрения второй пары своих окулярных ромбических призм 6, по ходу лучей за ними, до объектива 10. Каждая окулярная ветвь содержит, таким образом, по отражателю 9, объективу 10 и окуляру 11, установленных последовательно друг за другом. В поле зрения одного из окуляров 11 установлена плоскопараллельная пластинка 12 с измерительной сеткой прицеливания.

Оптическая панорамная бинокулярная система работает следующим образом.

После установки оптической панорамической бинокулярной системы на местности и ее наведения на объект включают двигатель (не показано), и начинается совместное вращение головной части прибора с головным отражателем 1 и головными телескопическими оптическими системами 2-3 с головными ромбическими отражателями 4. При этом параллельный пучок лучей, идущий от наблюдаемых объектов, направляется головным отражателем 1 на входные объективы 2 идентичных головных телескопических систем, которые формируют изображение панорамы наблюдаемой местности на оба глаза наблюдателя. После головных телескопических систем 2-3 формируются два параллельных пучка лучей, которые входят в головные ромбические отражатели 4. При этом параллельные пучки лучей имеют меньшие диаметры, обратно пропорциональные увеличениям головных телескопических систем 2-3. Головные ромбические отражатели 4, осуществляя параллельный перенос лучей ближе к оптической оси системы, направляют их в виде более сжатого параллельного пучка на входную грань выпрямляющей призмы 5. Эти параллельные пучки лучей меньшего диаметра обоих каналов с выхода ромбических отражателей 4 попадают на входную грань выпрямляющей призмы Дове 5, в которой изображение выравнивается за счет поворота призмы Дове 5 в ту же сторону, что и головной отражатель 1, но с половинной его скоростью. После выравнивания изображения его пучок лучей направляется на окулярную телескопическую систему из линз 7, 8, которая проецирует изображения входных зрачков 2 на входные отражающие грани окулярных ромбических отражателей 6. Далее оптический сигнал, содержащий видеоинформацию для обоих глаз наблюдателя, с помощью ромбических отражателей 6, выполняющих параллельный перенос лучей, разносятся от оптической оси, распределяясь на каждый канал окулярной системы 10-11. При этом за счет использования идентичных головных телескопических систем 2-3, пары головных ромбических отражателей 4, установленных с возможностью поворота синхронно с головным отражателем 1 и пары неподвижных идентичных окулярных ромбических отражателей 6 со своей телескопической системой 7-8 наблюдатель получает информацию как в обычной бинокулярной системе, при сохранении преимуществ панорамирования.

Источники информации

1. В.Н.Чуриловский. Теория оптических приборов. Изд. Машиностроение, Москва-Ленинград, 1966 г., с.334, 335, рис.IV.19б.

2. Оптика в военном деле. Сб. статей под ред. академика С.И.Вавилова и профессора М.В.Савостьяновой. Изд. 3, том II, Изд. Академии наук СССР, Москва-Ленинград, 1948 г., с.36-37, рис.26 - прототип.

3. Журнал "Военный парад", 2003 г., №4, с.100. В.Хромов, Г.Княжев, Орудийной панораме Герца - 100 лет.

4. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общей редакцией В.А.Панова, Ленинград, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980 г., с.170-172.

1. Оптическая панорамическая система, содержащая головной отражатель, установленный с возможностью поворота вокруг вертикальной оптической оси этой системы, выпрямляющую призму, установленную на этой оси с возможностью одновременного поворота с головным отражателем вокруг этой оси в ту же сторону с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости головного отражателя, неподвижную окулярную часть с последовательно установленными объективом и окуляром, отличающаяся тем, что за головным отражателем по ходу лучей в его поле зрения до выпрямляющей призмы установлены симметрично относительно оптической вертикальной оси параллельно друг другу две идентичные головные телескопические системы с возможностью синхронного с головным отражателем поворота относительно той же вертикальной оси в том же направлении с той же скоростью, каждая головная телескопическая система снабжена головным ромбическим отражателем, идентичным другому, установленным также с возможностью поворота вокруг той же оси синхронно со своей головной телескопической системой в ту же сторону, причем выходной зрачок каждой головной телескопической системы совмещен с выходной отражающей гранью своего головного ромбического отражателя, головные ромбические отражатели установлены так, что линия пересечения их выходных отражающих граней пересекает вертикальную оптическую ось под прямым углом, окулярная часть дополнена второй окулярной ветвью для второго глаза наблюдателя с объективом и окуляром, идентичными объективу и окуляру первой окулярной ветви соответственно, перед окулярной частью установлены неподвижно симметрично относительно оптической вертикальной оси идентичные друг другу два окулярных ромбических отражателя каждый для своей окулярной ветви так, что линия пересечения их входных отражающих граней пересекается под прямым углом с оптической вертикальной осью, до второй пары окулярных ромбических отражателей на вертикальной оптической оси неподвижно установлена окулярная телескопическая система, выходной зрачок которой совмещен с входными гранями окулярных ромбических отражателей.

2. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что головные телескопические системы выполнены каждая в виде двухлинзовой оптической системы.

3. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярная телескопическая система выполнена четырехлинзовой, а выпрямляющая призма выполнена в виде призмы Дове и установлена между второй и третьей линзами окулярной телескопической системы.

4. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярная телескопическая система выполнена двухлинзовой, а выпрямляющая призма выполнена в виде призмы Дове и установлена между выходными гранями головных ромбических отражателей в их поле зрения и окулярной телескопической системой.

5. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярная телескопическая система выполнена двухлинзовой, а выпрямляющая призма выполнена в виде призмы Пехана и установлена между линзами этой окулярной телескопической системы.

6. Оптическая панорамическая система по п.1, отличающаяся тем, что окулярные ветви каждая снабжены окулярным отражателем, установленным в поле зрения второй пары своих ромбических отражателей непосредственно за ними, до объектива.