Устройство для регулирования светового потока (варианты)
Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована при регулировании величины и спектрального состава принимаемого оптического изображения в обзорно-визирных телевизионных системах. Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив (1), один компенсатор (2) в первом варианте или два компенсатора во втором варианте (2.1 и 2.2). Изображение местности передается объективом (1) в первом варианте через один компенсатор (2) или во втором варианте через два компенсатора (2-1 и 2-2) на ПЗС-матрицу 3. С выхода ПЗС-матрицы 3 видеосигнал передается через усилитель (6) на вход детектора (7), в котором формируется усредненное значение видеосигнала, пропорциональное освещенности местности. Усредненное значение видеосигнала пропорциональное освещенности на местности в первом варианте сравнивается одним компаратором (8) или во втором варианте двумя компараторами (8-1, 8-2) с опорным уровнем сигнала. Если усредненное значение видеосигнала превышает опорный уровень, то в схему управления моментного двигателя (5) в первом варианте или в схемы управления двумя моментными двигателями (5-1, 5-2) во втором варианте поступает управляющий сигнал. По управляющему сигналу компенсатор (2) или компенсаторы (2-1, 2-2) во втором варианте выводятся из хода лучей и заменяются светофильтрами: одним светофильтром (4) в первом варианте или двумя светофильтрами (4-1, 4-2) во втором варианте. Светофильтр (4) выполнен в виде нейтрального или цветного, или в виде склейки нейтрального и цветного. Во втором варианте один из светофильтров (4-1, 4-2) выполнен в виде нейтрального, а другой в виде цветного светофильтра. Компараторы выполнены с гистерезисной характеристикой. Технический результат: упрощение конструкции и схемы управления приводом светофильтров, повышение контрастной чувствительности телевизионного канала (2 н.з. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.).
Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована при регулировании величины и спектрального состава принимаемого оптического изображения в обзорно-визирных телевизионных системах, работающих в условиях изменения освещенности на местности в широких пределах от ˜ 0,1 лк до ˜ 10 5 лк.
Известна телекамера на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, включающая объектив, в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы подключен блок усиления и обработки видеосигнала, к выходу которого подключен вход блока управления ПЗС-матрицей. Выход блока управления ПЗС-матрицей подключен к управляющим шинам фотоприемной ПЗС-матрицы. Перед объективом расположен оптический фильтр, изменяющий коэффициент пропускания в зависимости от интенсивности падающего на него потока излучения в силу проходящих в нем физических процессов (Россия, полезная модель, свидетельство №32347, публ. 2003.09.10).
Известное устройство характеризуется признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения и содержит: объектив, в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала, подключенный к выходу фотоприемной ПЗС-матрицы, оптический фильтр, расположенный на оптической оси.
Расположение оптического фильтра в известном устройстве перед объективом увеличивает габариты. Кроме того, выполнение оптического фильтра в виде оптического фильтра переменной плотности изменяющего
коэффициент пропускания зависит в силу проходящих в нем физических процессов не только от интенсивности падающего потока излучения, но и от температуры, при климатических воздействиях на регулятор светового потока. Применение данного оптического фильтра не позволяет управлять спектральным составом принимаемого оптического изображения.
Известна телекамера на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, включающая объектив в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы подключены последовательно соединенные блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления матрицей выход которого соединен с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы. Вышеперечисленные блоки образуют контур автоматической регулировки экспозиции, а перед ПЗС-матрицей дополнительно расположен оптический фильтр, положение которого (либо на оптической оси, либо со смещением относительно оптической оси) определяется контуром автоматической регулировки потока излучения. Контур автоматической регулировки потока излучения выполнен в виде последовательно соединенных фотоприемника с формирующей оптической системой, усилителя, компаратора, выход которого соединен с исполнительным устройством (Россия, патент №2264047, публ. 10.11.2005 г.).
Известное устройство характеризуется признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства. Устройство содержит: объектив, в фокальной плоскости которого расположена ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала, подключенный к управляющим шинам ПЗС-матрицы, оптический фильтр, который может по команде располагаться на оптической оси перед фоточувствительной поверхностью или со смещением относительно оптической оси посредством исполнительного механизма. Следует отметить, что вывод оптического фильтра с оптической оси, связывающей объектив и фотоприемную ПЗС-матрицу, приводит к
расфокусировке изображения (см. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М. Машиностроение. 1966 с.36) на величину:
,
где t - толщина фильтра;
n - показатель преломления стекла;
- величина рас фокусировки.
Например, для стекла марки К8, К 108, при n=1,516, t=1,5 мм, величина расфокусировки составит =0,56 мм. Допустимая величина расфокусировки для объективов обзорно-визирных ТВ-систем с полями зрения от 1° до 3° составляет ˜ 0,05 мм. Количественно величину расфокусировки определяет уменьшение коэффициента передачи контраста не превышающее ˜ 10%. Уменьшение коэффициента передачи контраста в тракте формирования оптического изображения приводит к уменьшению коэффициента модуляции в видеосигнале и, следовательно, ухудшению таких характеристик, как дальность обнаружения и распознавания малоразмерных объектов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство для регулирования светового потока, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси объектив, два оптических спектральных фильтра (в дальнейшем светофильтры), преобразователь свет-сигнал. Светофильтры расположены на одной оси вращения, смещенной относительно оптической оси, и связаны с приводами исполнительных механизмов, обеспечивающих возможность их встречного синхронного вращения. С преобразователем свет-сигнал последовательно соединен усилитель, детектор и исполнительные механизмы. (Россия, патент №1591742, публ. 08.13.1993 г.).
К недостаткам близкого аналога можно отнести: большие габариты устройства, обусловленные использованием громоздких электромеханических приводов светофильтров и сложная схема управления.
Задачей заявляемой полезной модели является создание компактного устройства с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и схемы управления приводом светофильтров, а также в повышении контрастной чувствительности телевизионного канала.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для регулирования светового потока содержит объектив, по меньшей мере, один светофильтр, преобразователь свет-сигнал и, по меньшей мере, один исполнительный механизм. Выход преобразователя свет-сигнал через усилитель подключен к входу детектора. Объектив и преобразователь свет-сигнал расположены на одной оптической оси.
Отличие от близкого аналога состоит в следующем:
В первом варианте исполнения заявляемой полезной модели на оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал дополнительно установлен оптический компенсатор длины хода с возможностью замены светофильтром посредством исполнительного механизма, выполненного в виде моментного двигателя. Выход детектора подключен к входу компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего - к схеме управления моментным двигателем. Преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга. Причем, светофильтр выполнен в виде нейтрального или цветного, или склейки нейтрального и цветного светофильтра, оптический компенсатор длины хода оптических лучей и светофильтр выполнены одинаковой толщины и связаны между собой.
Кроме того, оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла.
Во втором варианте исполнения первый светофильтр выполнен в виде нейтрального светофильтра, а второй - в виде цветного светофильтра. На оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал
дополнительно установлены два оптических компенсатора длины хода оптических лучей с возможностью одновременной или последовательной замены светофильтров посредством исполнительных механизмов. Исполнительные механизмы выполнены в виде моментных двигателей. Каждый оптический компенсатор длины хода оптических лучей и светофильтр попарно связаны и выполнены одинаковой толщины. Выходы детектора подключены к входам компараторов с гистерезисной характеристикой, а выходы последних - к схемам управления соответствующих моментных двигателей. Преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга.
Кроме того, второй вариант исполнения устройства отличается тем, что:
- оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла;
- выход детектора подключен к входу первого компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего подключен к схеме управления первым моментным двигателем. При этом схема управления вторым моментным двигателем соединена с устройством формирования команд от оператора или с цифровым вычислительным устройством. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
На фиг.1 представлена структурная схема первого варианта устройства для регулирования светового потока с одним светофильтром;
На фиг.2 представлена структурная схема второго варианта устройства для регулирования светового потока с двумя светофильтрами.
По первому варианту исполнения устройство для регулирования светового потока содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, компенсатор длины хода оптических лучей 2, фотоприемную ПЗС-матрицу 3 с устройством аниблюминга, а также светофильтр (спектральный или нейтральный) 4, установленный вне хода оптических
лучей. Светофильтр 4 и компенсатор длины хода оптических лучей 2 закреплены на коромысле, поворот которого выполняет моментный двигатель 5 со схемой управления. Компенсатор 2 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из оптического стекла (марки К8 или К108), толщина которой равна толщине светофильтра 4. Устройство содержит подключенный к выходу ПЗС-матрицы 3 усилитель 6, к выходу которого последовательно включены детектор видеосигнала 7, компаратор 8 с гистерезисной характеристикой, выход которого подключен к ключевой схеме управления моментным двигателем.
Устройство работает следующим образом. Изображение местности передается объективом 1 через компенсатор 2 на фотоприемную ПЗС-матрицу 3. Диапазон автоматического регулирования экспозиции в передающих камерах с ПЗС-матрицами изменяется от 1/50 сек. до 1/10000 сек., что позволяет обеспечить работу в линейной области световой характеристики ПЗС-матрицы при освещенностях на местности до ˜30000 лк. С выхода фотоприемной ПЗС-матрицы 3 видеосигнал передается через усилитель 6 на вход детектора 7, в котором формируется усредненное значение видеосигнала, пропорциональное освещенности местности Ем. Усредненное значение видеосигнала Uсредн пропорциональное освещенности на местности (например, когда освещенность на местности превышает ˜30000 лк.) сравнивается компаратором 8 с опорным уровнем Uэт.1 и, полученный при превышении Uсредн>Uэт1 управляющий сигнал, поступает на электронный ключ в обмотке управления моментного двигателя 5 (Столов Л.Н., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока М. Энергоатомиздат 1989). Моментный двигатель 5 поворачивает коромысло, выводит из хода лучей компенсатор 2 и устанавливает светофильтр 4. Если в качестве светофильтра применяется нейтральный светофильтр (например, из стекла марки НС-7), то происходит ослабление входного оптического изображения местности по интенсивности. Для усиления ослабления можно использовать склейку из нескольких нейтральных фильтров или фильтр с
напылением, обеспечивающим требуемое ослабление светового потока. Ослабление светового потока при установке перед ПЗС-матрицей светофильтра приводит к уменьшению усредненного значения видеосигнала Uсредн. В этом случае, при условии U средн>Uэт1, управляющий сигнал от компаратора 8 продолжает поступать на электронный ключ в обмотке управления моментного двигателя 5, а возврат компаратора 8 в исходное состояние определяется шириной его гистерезисной характеристики (см. В.Л. Шило Линейные интегральные схемы. М. Сов. Радио. 1979, с.208). Если в качестве светофильтра применяется красный светофильтр (например, из стекла марки КС-19), то спектральный коэффициент пропускания и спектральная характеристика приемника связаны соотношением:
,
где 
- спектральный коэффициент пропускания;
S() - спектральная характеристика приемника;
S - спектральная характеристика фильтра.
Прием входного оптического изображения в таком случае выполняется только в ближней ИК-области спектра, где пропускание атмосферы лучше.
Пропускание атмосферы в зависимости от используемого спектрального диапазона приведено в ряде источников (например, Щербаков Я.Е. «Расчет и конструирование аэрофотоаппаратов», М. Машиностроение 1974 с.24 или Чапурский Л.И. «Отражательные свойства природных объектов» Часть 1, М.О. 1986 с.108.). Коэффициент пропускания атмосферы и контрастная чувствительность телевизионного канала связаны соотношением:
Свх=С о×а,
где: Свх - контраст элементов оптического изображения на входном зрачке объектива;
Со - исходный контраст элементов изображения на местности;
а - коэффициент пропускание атмосферы в используемом диапазоне длин волн.
Для увеличения ослабления светового потока можно использовать склейку спектрального фильтра с нейтральным фильтром.
По второму варианту исполнения устройство для регулирования светового потока содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, два компенсатора длины хода оптических лучей 2-1, 2-2 фотоприемную ПЗС-матрицу 3 с устройством антиблюминга. Помимо этого устройство содержит два светофильтра 4-1, 4-2, установленных вне оптической оси, и два моментных двигателя 5-1, 5-2. Каждый из светофильтров 4-1, 4-2 и компенсаторы 2-1, 2-2 попарно закреплены на коромыслах, поворот которых выполняют моментные двигатели 5-1, 5-2. Компенсаторы 2-1, 2-2 выполнены в виде плоскопараллельной пластинки из оптического стекла, например, из стекла марок К8 или К108. Толщина каждого компенсатора 2-1, 2-2 равна толщине механически связанных с ними светофильтров 4-1, 4-2. Устройство содержит, подключенный к выходу ПЗС-матрицы 3, усилитель 6, к выходу которого последовательно включен детектор видеосигнала 7. Выход детектора видеосигнала 7 подключен к компараторам с гистерезисной характеристикой 8-1, 8-2, выходы которых подключены к соответствующим схемам управления в обмотке управления моментных двигателей 5-1, 5-2.
Работа устройства регулирования светового потока, выполненного по второму варианту, исполнения происходит следующим образом.
При увеличении освещенности на местности усредненный сигнал с детектора 7 Uсредн.1 пропорциональный освещенности на местности Еместн1 поступает на компараторы 8-1, 8-2 управляющий сигнал от компараторов 8-1, 8-2 при U средн1.>Uэт1 и U средн1>U'эт2 (в частном случае Uэт1=U'эт2) поступает на схемы управления моментных двигателей 5-1, 5-2. По управляющим сигналам, принятым от компараторов с гистерезисными характеристиками 8-1 и 8-2, моментные двигатели 5-1 и 5-2 выполняют
поворот коромысел. При этом компенсаторы 2-1 и 2-2 выводятся из хода лучей и на оптическую ось устанавливают светофильтры 4-1 и 4-2. Если в качестве светофильтра 4-1 применяется красный фильтр (например, из стекла марки КС-19), а в качестве светофильтра 4-2 нейтральный светофильтр (например, из стекла марки НС-7), то прием оптического изображения местности осуществляется в ближней ПК-области > 0.7 мкм, где пропускание атмосферы лучше. Для дополнительного ослабления светового потока одновременно с цветным светофильтром устанавливается нейтральный фильтр из стекла марки НС-7 или нейтральный светофильтр с напылением, обеспечивающим требуемое ослабление.
Управление одним из светофильтров может происходить по команде оператора с оценкой контраста воспроизводимых элементов изображения на экране индикатора. При измерении контраста информативных элементов изображения управление светофильтром возможно от цифрового измерительного устройства.
Конструктивно все варианты исполнения заявляемой полезной модели проще, чем у прототипа, т.к. в них отсутствуют сложные кинематические связи. Упрощенная схема управления положением оптических фильтров способствует уменьшению массы устройства, повышает надежность работы, особенно, при температурных воздействиях. Применение ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга повышает быстродействие, так как регулирование светового потока выполняется электронным затвором, а не механическим разворотами колец аттенюатора, как это делается в близком аналоге.
Повышение контрастной чувствительности телевизионного канала происходит при увеличении освещенности на местности за счет того, что оптическое изображение принимается только в длинноволновой области спектра, где пропускание атмосферы лучше.
1. Устройство для регулирования светового потока, содержащее объектив, по меньшей мере, один светофильтр, преобразователь свет-сигнал, выход которого через усилитель подключен к входу детектора, по меньшей мере один исполнительный механизм, объектив и преобразователь свет-сигнал расположены на одной оптической оси, отличающееся тем, что на оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал дополнительно установлен оптический компенсатор длины хода с возможностью вывода из хода лучей и заменой светофильтром посредством исполнительного механизма, выполненного в виде моментного двигателя, выход детектора подключен к входу компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего - к схеме управления моментным двигателем, преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга, оптический компенсатор длины хода оптических лучей и светофильтр выполнены одинаковой толщины, причем светофильтр выполнен в виде нейтрального или цветного, или склейки нейтрального и цветного светофильтра.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла.
3. Устройство для регулирования светового потока, содержащее объектив, по меньшей мере один светофильтр, преобразователь свет-сигнал, выход которого через усилитель подключен к входу детектора, по меньшей мере один исполнительный механизм, объектив и преобразователь свет-сигнал расположены на одной оптической оси, отличающееся тем, что первый светофильтр выполнен в виде нейтрального светофильтра, а второй - в виде цветного светофильтра, а на оптическую ось между объективом и преобразователем свет-сигнал дополнительно установлены два оптических компенсатора длины хода оптических лучей с возможностью одновременного или последовательного вывода из хода лучей и заменой светофильтрами посредством двух исполнительных механизмов, выполненных в виде моментных двигателей, каждый оптический компенсатор и светофильтр попарно связаны и выполнены одинаковой толщины, выходы детектора подключены к входам компараторов с гистерезисной характеристикой, а выходы последних - к схемам управления соответствующих моментных двигателей, преобразователь свет-сигнал выполнен в виде ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оптический компенсатор длины хода оптических лучей выполнен из оптического стекла.
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выход детектора подключен к входу первого компаратора с гистерезисной характеристикой, а выход последнего подключен к схеме управления первым моментным двигателем, при этом схема управления вторым моментным двигателем соединена с устройством формирования команд от оператора или с цифровым вычислительным устройством.
