RU2242777C2

RU2242777C2 - Pseudo binocular night goggles

Info

Publication number: RU2242777C2
Application number: RU2003101420/28A
Authority: RU
Inventors: Е.М. Амелин (RU); Е.М. Амелин; С.С. Богданов (RU); С.С. Богданов; Н.И. Гусарова (RU); Н.И. Гусарова; М.В. Кускова (RU); М.В. Кускова; Ю.Г. Эдельштейн (RU); Ю.Г. Эдельштейн
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН"
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-12-20

Abstract

FIELD: night vision devices; infra-red imaging.

SUBSTANCE: goggles have input lens, electro-optical transducer and pseudo binocular system which has in turn magnifier and right-angle prism which integrates two identical optical branches at output of the prism. One more magnifier, indicator and photoreceiving array removable module are introduced additionally. There is infra-red objective at input of photoreceiving array. Output of objective is connected to input of indicator. Right-angle prism is mounted for 90 deg rotation in relation to optical axis of pseudo binocular system. Focal lengths of additional magnifier, magnifier of pseudobinocular system and infra-red objective meet the relations given in invention formula. Binocular vision goggles are able to work any time of day and night at any weather conditions including smoke and dust and to provide detection and identification of infra-red images at low contrasts of temperature of background elements.

EFFECT: improved efficiency of operation.

1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к оптическому приборостроению, в частности к комбинированным приборам наблюдения объектов по их отраженному и собственному тепловому излучению как вблизи, так и на значительном расстоянии от оператора в любое время суток, в любых погодных условиях, в присутствии дымов и пыли.The proposed device relates to optical instrumentation, in particular to combined instruments for observing objects by their reflected and intrinsic thermal radiation both close and at a considerable distance from the operator at any time of the day, in any weather conditions, in the presence of smoke and dust.

Устройство может использоваться для поиска пострадавших в результате промышленных и природных катастроф в условиях ограниченной видимости, для контроля за перемещением транспорта и людей, для служб охраны различных объектов, определения мест возможных возгораний, для прицеливания и стрельбы из укрытия в любое время суток и т.д.The device can be used to search for victims of industrial and natural disasters in conditions of limited visibility, to monitor the movement of vehicles and people, for security services of various objects, to determine the places of possible fires, to aim and shoot from a shelter at any time of the day, etc. .

Известны тепловизионные очки, включающие модуль фотоприемного устройства (ФПУ) с инфракрасным (ИК) объективом и видеосмотровое устройство, состоящее из индикатора, поворотного зеркала и монокуляра, через который наблюдается изображение объектов с экрана индикатора. (см. Proceedings of SPIE, 1998, рр 566-571, фиг.3, фиг.4). Устройство позволят осуществлять видение объектов в любое время суток по их собственному тепловому излучению. Однако в осенне-весенний период, после выпадения осадков, когда тепловые контрасты между элементами фона низкие, ориентирование и привязка к местности в таком устройстве существенно затруднена. Кроме того, в таком устройстве невозможно осуществить бинокулярное зрение.Thermal imaging glasses are known, including a photodetector module (FPU) with an infrared (IR) lens and a video viewing device consisting of an indicator, a rotary mirror and a monocular through which an image of objects from the indicator screen is observed. (see Proceedings of SPIE, 1998, pp 566-571, FIG. 3, FIG. 4). The device will allow the vision of objects at any time of the day by their own thermal radiation. However, in the autumn-spring period, after precipitation, when the thermal contrasts between the elements of the background are low, orientation and reference to the terrain in such a device is significantly difficult. In addition, in such a device it is impossible to carry out binocular vision.

Известны псевдобинокулярные очки ночного видения, содержащие установленные последовательно входной объектив, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу, оптически сопряженную с экраном ЭОП, прямоугольную призму с отражающими гранями, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив, поворотное плоское зеркало, коллективную линзу и окуляр.(см. например, Волков В.Г. Надголовные приборы ночного видения, Специальная техника №5 2002 г, с.8, рис. 9). Данное устройство, как наиболее близкое к предлагаемому по конструкции оптической схемы, принято за прототип. Устройство обеспечивает бинокулярное зрение, однако обладает рядом существенных недостатков: работает ограниченное время суток в условиях освещенности ≥10^-3 лк, не обеспечивает видение в условиях задымленности и пыли, не обеспечивает обнаружения и распознавания тепловых объектов, в том числе замаскированных, и ведение прицельной стрельбы из укрытия.Known pseudobinocular night vision goggles containing a sequentially mounted input lens, an electron-optical converter (EOC) and a pseudobinocular system including a sequentially located magnifier, optically paired with an image intensifier screen, a rectangular prism with reflective faces, pairing two identical optical branches at its output, each of which contains a lens, a rotary flat mirror, a collective lens and an eyepiece. (see, for example, Volkov V.G. Head-mounted night vision devices, Special ehnika №5, 2002, page 8, Fig. 9). This device, as the closest to the proposed design of the optical circuit, is taken as a prototype. The device provides binocular vision, however, it has a number of significant drawbacks: it works for a limited time of day in conditions of illumination of ≥10 ^-3 lux, does not provide vision in smoke and dust conditions, does not provide for the detection and recognition of thermal objects, including masked ones, and for aimed shooting from the shelter.

Настоящее изобретение решает задачу создания очков ночного видения с бинокулярным зрением, работоспособных в любое время суток при любых погодных условиях, в том числе в присутствии дымов и пыли, и обеспечивающих при этом обнаружение и распознавание тепловых объектов, в том числе и замаскированных, и привязку этих объектов к местности в условиях низких температурных контрастов элементов фона, а также ведение прицельной стрельбы из укрытия без потери видимости окружающей обстановки.The present invention solves the problem of creating night vision goggles with binocular vision, operable at any time of the day in any weather conditions, including in the presence of fumes and dust, and providing for the detection and recognition of thermal objects, including masked ones, and the binding of these objects to the terrain in conditions of low temperature contrasts of background elements, as well as conducting targeted firing from cover without loss of visibility of the environment.

Для решения этой задачи в известных псевдобинокулярных очках ночного видения, содержащих установленные последовательно входной объектив, ЭОП и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу, оптически сопряженную с экраном ЭОП, прямоугольную призму с отражающими гранями, сопрягающую две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив, поворотное плоское зеркало, коллективную линзу и окуляр, введены дополнительная лупа, состоящая из последовательно размещенных положительного мениска, оптически сопряженного с прямоугольной призмой, первого отрицательного мениска, двояковыпуклой линзы и второго отрицательного мениска, индикатор, экран которого оптически сопряжен со вторым отрицательным мениском дополнительной лупы, и модуль матричного фотоприемного устройства с ИК объективом на входе, выход которого подключен к входу индикатора, причем прямоугольная призма установлена с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы, а фокусные расстояния дополнительной лупы и лупы псевдобинокулярной системы удовлетворяют соотношениюTo solve this problem, in well-known pseudobinocular night-vision goggles containing a sequentially installed input lens, an image intensifier tube and a pseudobinocular system, including a sequentially located magnifier, optically conjugated with an image intensifier screen, a rectangular prism with reflective faces, matching two identical optical branches at its output, each of which contains a lens, a swivel flat mirror, a collective lens and an eyepiece, an additional magnifier consisting of successively placed positive a meniscus optically conjugated to a rectangular prism, a first negative meniscus, a biconvex lens and a second negative meniscus, an indicator whose screen is optically paired with a second negative meniscus of an additional magnifier, and an array photodetector module with an IR lens at the input, the output of which is connected to the indicator input, moreover, the rectangular prism is mounted rotatable 90 ° relative to the optical axis of the pseudobinocular system, and the focal lengths of the additional magnifier and magnifier ps the eudobinocular system satisfy the relation

гдe f₁ - фокусное расстояние лупы псевдобинокулярной системы,where f ₁ is the focal length of the magnifier of the pseudobinocular system,

f₂ - фокусное расстояние дополнительной лупы,f ₂ - the focal length of the additional magnifier,

- размер диагонали экрана индикатора,

- diagonal screen size of the indicator,

- диаметр экрана ЭОП,

- screen diameter of the image intensifier tube,

а фокусное расстояние ИК объектива модуля матричного фотоприемного устройства удовлетворяет соотношениюand the focal length of the IR lens of the matrix photodetector module satisfies the ratio

где f_ик - фокусное расстояние ИК объектива,where f _ik is the focal length of the IR lens,

a, b - размер матрицы фотоприемного устройства в вертикальном и горизонтальном направлении, соответственно,a, b - matrix size of the photodetector in the vertical and horizontal direction, respectively,

f_экв - эквивалентное фокусное расстояние коллективной линзы и окуляра,f _eq is the equivalent focal length of the collective lens and eyepiece,

f_o - фокусное расстояние объектива псевдобинокулярной системы.f _o - the focal length of the lens of the pseudobinocular system.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором представлена общая схема предлагаемого устройства.The proposed device is illustrated in the drawing, which shows a General diagram of the proposed device.

Предлагаемые псевдобинокулярные очки ночного видения содержат: входной объектив 1, ЭОП 2 и псевдобинокулярную систему, включающую последовательно расположенные лупу 3, оптически сопряженную с экраном ЭОП 2, прямоугольную призму с отражающими гранями 4, сопрягающими две идентичные оптические ветви на ее выходе, каждая из которых содержит объектив 5 и 5’, соответственно, поворотное плоское зеркало 6 и 6’ соответственно, коллективную линзу 7 и 7’ соответственно, и окуляр 8 и 8’ соответственно. Устройство также содержит дополнительную лупу, состоящую из последовательно размещенных положительного мениска 9, оптически сопряженного с прямоугольной призмой 4, первого отрицательного мениска 10, двояковыпуклой линзы 11 и второго отрицательного мениска 12. Со вторым отрицательным мениском 12 оптически сопряжен экран индикатора 13,вход которого подключен к модулю матричного фотоприемного устройства 14 с ИК объективом 15 на входе. Прямоугольная призма 4 устанавливается с возможностью поворота на 90° относительно оптической оси псевдобинокулярной системы (второе положение призмы показано на чертеже пунктиром).The proposed pseudo-binocular night-vision goggles contain: an input lens 1, an image intensifier 2 and a pseudobinocular system including a sequentially located magnifier 3, optically paired with an image intensifier screen 2, a rectangular prism with reflective faces 4, pairing two identical optical branches at its output, each of which contains the lens 5 and 5 ', respectively, a rotating flat mirror 6 and 6', respectively, the collective lens 7 and 7 ', respectively, and the eyepiece 8 and 8', respectively. The device also contains an additional magnifier, consisting of a sequentially placed positive meniscus 9, optically paired with a rectangular prism 4, a first negative meniscus 10, a biconvex lens 11 and a second negative meniscus 12. An indicator screen 13 is connected optically to the second negative meniscus 12, the input of which is connected to module matrix photodetector 14 with an IR lens 15 at the input. The rectangular prism 4 is mounted rotatably 90 ° relative to the optical axis of the pseudobinocular system (the second position of the prism is shown in dotted lines in the drawing).

Устройство работает следующим образом. Отраженное и собственное тепловое излучение от одних и тех же наблюдаемых объектов поступает одновременно во входной объектив 1 и ИК объектив 15, которые формируют на фотокатоде ЭОП 2 и на матрице фотоприемного устройства 14 изображения этих объектов в области спектра, соответствующей области чувствительности фотокатода ЭОП и матричного фотоприемного устройства. Матричное фотоприемное устройство 14 подключено ко входу индикатора 13, который отображает на экране в видимом диапазоне спектра преобразованное в этом устройстве изображение. В свою очередь изображение, преобразованное в ЭОП 2 также в видимый диапазон, отображается непосредственно на экране ЭОП 2. Экран ЭОП 2 и экран индикатора 13 размещаются соответственно в фокусах лупы 3 и дополнительной лупы, представленной оптическими компонентами 9, 10, 11 и 12. На выходе лупы 3 и дополнительной лупы, состоящей из оптических компонентов 9-12 формируются параллельные пучки лучей. В зависимости от положения призмы 4 относительно оптической оси псевдобинокулярной системы на ее отражающие грани поступают параллельные пучки лучей либо с выхода лупы 3, либо с выхода дополнительной лупы. Причем, для обеспечения постоянства увеличения у наблюдаемых с разных экранов изображений объектов при сохранении одного и того же поля зрения фокусное расстояние ИК объектива 15 определяется из формулы (II), при этом лупа псевдобинокулярной системы 3 и дополнительная лупа, состоящая из оптических компонентов 9-12, совместно с объективами 5, 5’ формируют на передних плоских поверхностях коллективных линз 7, 7’ изображения с экрана ЭОП и экрана индикатора, соответственно, таким образом, чтобы они были одного размера, что достигается выбором фокусных расстояний лупы псевдобинокулярной системы и дополнительной лупы в соответствии с формулой (I).The device operates as follows. Reflected and intrinsic thermal radiation from the same observed objects enters simultaneously into the input lens 1 and IR lens 15, which form on the photocathode of the image intensifier tube 2 and on the matrix of the photodetector 14 images of these objects in the spectral region corresponding to the sensitivity region of the photocathode of the image intensifier tube and matrix photodetector devices. The matrix photodetector 14 is connected to the input of the indicator 13, which displays the image converted in this device on the screen in the visible range of the spectrum. In turn, the image converted to the image intensifier tube 2 also into the visible range is displayed directly on the image intensifier screen 2. The image intensifier screen 2 and the indicator screen 13 are placed respectively in the focuses of the magnifier 3 and the additional magnifier represented by the optical components 9, 10, 11, and 12. On the output of magnifier 3 and an additional magnifier consisting of optical components 9-12 form parallel beams of rays. Depending on the position of the prism 4 relative to the optical axis of the pseudobinocular system, parallel beam beams come to its reflecting faces either from the output of magnifier 3 or from the output of an additional magnifier. Moreover, to ensure a constant increase in the images of objects observed from different screens while maintaining the same field of view, the focal length of the IR lens 15 is determined from formula (II), while the magnifier of the pseudobinocular system 3 and an additional magnifier consisting of optical components 9-12 , together with the lenses 5, 5 'form on the front flat surfaces of the collective lenses 7, 7' the image from the image intensifier screen and the indicator screen, respectively, so that they are the same size, which is achieved by the choice of foci distance of the magnifier of the pseudobinocular system and the additional magnifier in accordance with formula (I).

В настоящее время рассчитана псевдобинокулярная система с дополнительной лупой (оптический выпуск - Л1104-02-В667). Разработана конструкторская документация на предлагаемые псевдобинокулярные очки ночного видения. Собран макет псевдобинокулярных очков ночного видения и проведены его испытания, которые подтвердили правильность заложенных в устройство принципов и преимущество по сравнению с устройством, принятым за прототип и с существующими аналогами в достижении требуемых характеристик по дальности видения в неблагоприятных условиях. В предлагаемом устройстве за счет возможности наблюдения одних и тех же объектов в разных спектральных диапазонах обеспечивается обнаружение замаскированных тепловых объектов, привязка их к местности в условиях низких тепловых фоновых контрастов, а также работа очков в условиях запыления и задымленности. Выполнение матричного ФПУ с ИК объективом на входе в виде съемного модуля позволяет реализовать возможность ведения прицельной стрельбы из укрытия, при мобильном съеме и размещении модуля на стрелковом оружии, без потери видимости окружающей обстановки.At present, a pseudobinocular system with an additional magnifier has been calculated (optical output - L1104-02-B667). Design documentation for the proposed pseudobinocular night vision goggles has been developed. A mock-up of pseudo-binocular night-vision goggles was assembled and its tests were carried out, which confirmed the correctness of the principles laid down in the device and its advantage compared with the device adopted for the prototype and with existing analogs in achieving the required characteristics for the range of vision in adverse conditions. In the proposed device due to the possibility of observing the same objects in different spectral ranges, it is possible to detect masked thermal objects, snap them to the terrain in conditions of low thermal background contrasts, as well as the operation of glasses in dusty and smoky conditions. The implementation of the matrix FPU with an IR lens at the entrance in the form of a removable module allows you to realize the possibility of targeted fire from the shelter, with mobile removal and placement of the module on small arms, without loss of visibility of the environment.

Возможность закрепления очков на маске с оголовьем, либо на шлеме (каске) улучшает эргономические показатели предлагаемого устройства.The ability to fix points on a mask with a headband, or on a helmet (helmet) improves the ergonomic performance of the proposed device.

Claims

Pseudobinocular night-vision goggles containing an input lens mounted in series, an electron-optical converter and a pseudobinocular system, including a sequential magnifier, optically coupled to the screen of the electron-optical converter, a rectangular prism with reflective faces, matching two identical optical branches at its output, each of which contains a lens, a rotary flat mirror, a collective lens and an eyepiece, characterized in that they introduced additional UPA, consisting of a successively placed positive meniscus optically paired with a rectangular prism, a first negative meniscus, a biconvex lens and a second negative meniscus, an indicator whose screen is optically paired with a second negative meniscus of an additional magnifier, and a removable photodetector array module with an infrared lens at the input the output of which is connected to the indicator input, and a rectangular prism is mounted rotatably 90 ° relative to the optical si of the pseudobinocular system, and the focal lengths of the additional magnifier and magnifier of the pseudobinocular system satisfy the relation:

where f ₁ is the focal length of the magnifier of the pseudobinocular system;

f ₂ is the focal length of the additional magnifier;

- diagonal screen size of the indicator;

- the diameter of the screen of the electron-optical converter;

while the focal length of the infrared lens should satisfy the ratio:

where f _ik is the focal length of the infrared lens;

a, b are the linear dimensions of the matrix of the photodetector in the vertical and horizontal directions, respectively;

f _eq is the equivalent focal length of collective lenses and eyepieces of the pseudobinocular system;

f _o - the focal length of the lenses of the pseudobinocular system.