Оптическое устройство
Оптическое устройство включает объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и адаптивную апертурную маску, содержащую области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области, не пропускающие излучение. Апертурная маска снабжена средством поворота этих областей вокруг центра апертуры объектива и изменения их числа с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства. Технический результат - обеспечение высокоэффективной блокировки отраженных бликующим элементом зондирующих лучей независимо от расположения зондирующего источника. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к оптике и, в частности, к области конструирования оптических приборов различного назначения.
Известно, что любой оптический прибор, используемый для наблюдения или кино-, фотосъемки, дает обратные блики - отражение попадающего на объектив оптического излучения от оптических элементов прибора, которое позволяет определить местонахождение наблюдателя и/или прибора.
Существуют способы обнаружения оптических систем, обеспечивающих построение изображения, по обратным бликам, возникающим при их облучении оптическим излучением, например лазерным. Эти способы хорошо известны и запатентованы (US 6603134 [1], US 8063348 [2] и US8228591 [3]).
Причиной возникновения обратных бликов (другие термины - «ретроотражение» и «световозвращение») является хорошо известный эффект «кошачьего глаза», обусловленный отражением попадающего в оптическую систему света от оптического элемента с отражательной поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива системы. Световые лучи, отраженные от поверхности, расположенной вблизи от фокальной поверхности объектива, коллимируются при обратном прохождении через этот объектив и распространяются в направлении источника света.
В случае собственно кошачьего глаза отражающим свет элементом оптической системы выступает сетчатка, а хрусталик обеспечивает коллимацию отраженных лучей при их выходе из глаза. В случае рукотворных оптических систем отражение происходит, в частности, от матрицы или линейки твердотельных фотоприемников, входной поверхности (катода) микроканальной пластины, фотопленки и т.д. В случае наблюдательных и прицельных оптических устройств отражение происходит от пластинки с визирной сеткой.
Наиболее яркими и легко обнаруживаемыми являются обратные блики от поверхностей деталей оптического тракта, расположенных в окрестности фокальной поверхности объектива прибора (стеклянные пластинки с окулярными сетками и визирными крестами, фотоприемные матрицы различной конструкции, входные поверхности катодов микроканальной пластины, фотопленки и т.д.). Световые лучи, отраженные от таких поверхностей, коллимируются при обратном прохождении через этот объектив и распространяются в направлении источника света.
В дальнейшем для светочувствительной матрицы или линейки, фотопленки и пластинки с визирной или прицельной сеткой используется термин «бликующий элемент». Пластинка с визирной или прицельной сеткой будет отдельно именоваться «визирной пластинкой».
Способы подавления обратного блика от оптических систем, обеспечивающих построение изображения, можно разделить на две больших группы. К первой группе относятся способы, обеспечивающие блокировку внутри оптической системы световых лучей, отраженных от его бликующих элементов. Типичным представителем первой группы является использование наклона поверхности бликующего элемента на угол, достаточный для вывода отраженных от него лучей за пределы зрачка оптической системы.
Известен прием уменьшения мощности обратного блика путем наклона светочувствительных поверхностей оптико-электронных устройств и фотопленок или пластинок с визирной сеткой по отношению к фокальной поверхности оптического прибора (Modeling the detection of optical sights using retro-reflection, Proceedings of SPIE, Vol.6950, 2008 [4] и Retroreflection reduction by masking apertures, Optical Engineering 49(4), 2010 [5]).
Наклон светочувствительной поверхности оптико-электронного прибора или пластинки с визирной сеткой к фокальной поверхности оптической системы позволяет направить значительную долю отраженных внутри системы лучей мимо ее входного зрачка. При этом отраженный свет попадает на стенки и внутренние диафрагмы оптической системы, что препятствует его выходу наружу через объектив системы. Однако наклон фотоприемного устройства или фотопленки приводит к потере фокусировки и снижению качества изображения на краях поля зрения. Наклон пластинки с визирной сеткой уменьшает точность наблюдательных и прицельных оптических приборов.
Ко второй группе относятся способы перехвата отраженных от бликующего элемента световых лучей уже на выходе из системы. Примерами такого способа являются установка перед объективом оптической системы бленд или фильтров.
Для частичного подавления таких обратных бликов можно использовать различные светозащитные бленды, которые, кроме того, снижают помехи в оптико-электронных приборах, обусловленные попаданием прямого или рассеянного солнечного света или других оптических помех в объектив прибора (RU 2073903 [6]).
Бленды обеспечивают частичное подавление обратных бликов за счет следующих факторов. Во-первых, они сужают угловое поле, в пределах которого источники интенсивных оптических помех способны произвести засветку объектива оптического прибора, приводящую к образованию бликов. Во-вторых, они сужают угловое поле, в пределах которого обратные блики, выходящие из объектива, могут беспрепятственно наблюдаться на удалении от прибора.
Недостатком бленд является то, что они имеют большие габариты и эффективны лишь для перехвата рассеянного внутри оптического тракта излучения. Они не эффективны для блокировки зондирующего излучения, зеркально отраженного бликующими элементами оптического прибора в пределах используемого поля зрения этого прибора.
Известно устройство маскировки оптико-электронных приборов от средств лазерной пеленгации, представляющее собой съемную бленду с "антибликующим" стеклом, закрепленным в бленде прижимным кольцом. С целью снижения мощности отраженного лазерного излучения на поверхность стекла нанесено поглощающее покрытие, составляющее около 10% величины поля зрения. Кроме этого, стекло имеет клиновидность, которая направляет отраженное лазерное излучение в сторону от источника подсветки (RU 2005103900 [7]).
Недостатками известного устройства является то, что оно попросту смещает изображение поперек фотоприемника. При этом лишь часть изображения остается на приемнике, а другая часть теряется. Для достижения такого же эффекта можно обойтись без «антибликующего стекла», а просто использовать более узкопольный, а потому и более дешевый оптический прибор с фотоприемником меньшего размера.
Известно устройство для подавления обратного блика от оптической системы, включающее установку светофильтра, поглощающего или отражающего нежелательное излучение на входе в оптическую систему (Retroreflection reduction by masking apertures, Optical Engineering 49(4), 2010 [5]). Известен также прибор, в котором для сохранения отражательным интерференционным светофильтром способности ослаблять излучение не только при входе в прибор, но и после его отражения от фотоприемника предлагается располагать светофильтр в окрестности входной апертуры прибора (WO 2009/099668 [8]).
Недостатком известного прибора, описанного в WO 2009/099668, является то, что для применения узкополосных светофильтров, ослабляющих зондирующее излучение при входе в прибор и отраженный блик при его выходе из прибора, необходимо заранее знать спектр зондирующего излучения, используемого для обнаружения оптического прибора по световозвращению. Однако это не всегда возможно, даже если зондирующее излучение является монохроматическим. Кроме того, могут одновременно применяться зондирующие лазеры, излучающие на разных, в том числе перестраиваемых, длинах волн (US 8063348 [2], US 8228591 [3]), что делает совершенно неэффективным использование светофильтров для ослабления световозвращения зондирующего излучения.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому прибору с адаптивной апертурной маской является известное устройство для уменьшения световозвращения, основанное на установке на входе в оптический прибор защитной диафрагмы, перекрывающей часть апертуры прибора (RU 39207 U [9]). В описании к RU 39207 U пояснено, что за счет симметрии пропускающих и не пропускающих свет частей диафрагмы относительно центра апертуры объектива прибора происходит блокировка диафрагмой значительной части отраженных от бликующего элемента лучей, и поэтому может достигаться существенное повышение скрытности прибора.
Недостатком известного устройства является то, что световозвращение значительно ослабляется только для зондирующих источников излучения, расположенных в пределах определенной части поля зрения устройства. В частности, использование предложенной в [9] диафрагмы в виде кругового сектора с углом при вершине, равным 180° (см. Фиг.1 в описании к [9], где заштрихован не пропускающий свет участок диафрагмы), обеспечивает подавление световозвращения лучей света, только если они испускаются источником, расположенным перед прибором со стороны от оптической оси устройства, противоположной стороне объектива, перекрытой непрозрачным участком диафрагмы. Световозвращение лучей, испускаемых источником, находящимся с той же стороны от оси устройства, где располагается перекрытая непрозрачным участком диафрагмы часть объектива устройства, не блокируется полностью.
Это поясняется Фиг.2б данной заявки, на которой показан ход лучей от источника излучения, зондирующего местность в поисках наблюдательных и прицельных оптических приборов, и ход лучей, отраженных от бликующего элемента 6 оптического прибора, объектив которого 1 защищен маской 2. Видно, что при расположении источника излучения с той же стороны от оси прибора, что и не пропускающий свет участок защитной маски 2, значительная часть световых лучей может беспрепятственно выходить из объектива после отражения от бликующего элемента 6.
Заявляемое оптическое устройство с адаптивной апертурной маской направлено на обеспечение высокоэффективной блокировки отраженных бликующим элементом зондирующих лучей независимо от расположения зондирующего источника.
Указанный результат достигается тем, что оптическое устройство включает объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и адаптивную апертурную маску, содержащую области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области, не пропускающие излучение, при этом апертурная маска снабжена средством поворота этих областей вокруг центра апертуры объектива и изменения их числа с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства.
Указанный результат достигается также тем, что области, не пропускающие излучение, выполнены из непрозрачного материала в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, а средство, обеспечивающее возможность их совместного движения в виде единого сектора с углом при вершине 180°, а также разделения на отдельные круговые секторы и взаимного их смещения - в виде набора механических приводов с ручным или автоматическим управлением.
Указанный результат достигается также тем, что устройство снабжено вспомогательной оптической системой с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с приводами кругового перемещения области или областей маски, не пропускающих излучение.
Указанный результат достигается также тем, что области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и не пропускающие его, сформированы на электрически управляемом транспаранте, перекрывающем апертуру объектива, а средство, обеспечивающее возможность их перемещения внутри апертуры и изменение их числа - в виде блока подачи сигналов на электрически управляемый транспарант.
Указанный результат достигается также тем, что устройство снабжено вспомогательной оптической системой с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с блоком подачи управляющих сигналов на электрически управляемый транспарант, перекрывающий апертуру объектива.
Указанный результат достигается также тем, что оно снабжено расположенным в его фокальной окрестности фотоприемником, выполненным с возможностью определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен со средством поворота и изменения числа прозрачных и непрозрачных областей апертурной маски с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства.
Адаптивная апертурная маска в заявляемом устройстве выполнена с не пропускающим свет участком в виде кругового сектора, ограниченного выходящими из центра апертуры устройства радиусами, образующими угол 180°, причем этот непрозрачный участок выполнен с возможностью вращения вокруг оптической оси устройства, а также может быть выполнен с возможностью разделения его на нечетное число частей, представляющих собой круговые секторы, расположенные симметрично пропускающим свет участкам относительно оси устройства. Это позволяет при обнаружении зондирующих световых лучей расположить надлежащим образом не пропускающий свет сектор и за счет этого обеспечить надежную блокировку отраженных бликующим элементом устройства зондирующих лучей. Симметричное расположение пропускающих и не пропускающих свет участков апертурной маски устройства необходимо, чтобы во всех случаях обеспечивался такой ход попадающих в устройство лучей, который представлен на фиг.2а данной заявки, и тем самым оптимизировать блокировку отраженных бликующим элементом зондирующих лучей.
В частных случаях реализации устройства область или области маски, не пропускающие излучение, выполнены из непрозрачного материала в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180, а средство, обеспечивающее возможность их совместного движения в виде единого сектора с углом при вершине 180°, а также разделения на составляющие круговые секторы и взаимного их смещения - в виде набора механических приводов с ручным или автоматическим управлением. При этом ручной привод может применяться самим оператором, а автоматический с использованием соответствующих средств, его обеспечивающих. Например, устройство может быть снабжено вспомогательной оптической системой с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства, с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление пучка зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с приводами кругового перемещения области или областей маски, не пропускающих излучение.
У апертурной маски могут иметься два режима работы. В первом режиме не пропускающий свет участок маски, выполненный в виде кругового сектора с углом 180° при вершине, может поворачиваться вокруг оси устройства как целое. В процессе работы в этом режиме апертурная маска поворачивается таким образом, чтобы в любой момент времени не пропускающий свет участок маски перекрывал часть апертуры объектива, расположенную по отношению к оси устройства со стороны, противоположной расположению зондирующего источника света. За счет этого не пропускающий свет участок маски обеспечивает блокировку отраженных от бликующего элемента оптического устройства зондирующих лучей при любом расположении зондирующего источника по отношению к оси устройства (см. Фиг.2а).
При малых расстояниях от источника зондирующего излучения до центра углового поля зрения устройства, работающего в первом режиме, даже незначительная вибрация устройства может приводить к изменению взаимного расположения источника излучения и не пропускающего свет участка маски относительно оси устройства. В этой ситуации, при работе устройства в первом режиме, не пропускающий свет сектор должен поворачиваться на большие углы, чтобы в любой момент занять оптимальное положение относительно источника излучения. Если средство, обеспечивающее вращение не пропускающего свет сектора в апертуре, имеет быстродействие, недостаточное для реакции на изменения взаимного расположения источника излучения и этого сектора относительно оси устройства, то могут ухудшиться характеристики устройства.
Указанным недостатком не обладает второй режим, при котором не пропускающий свет участок маски, первоначально имеющий форму полукруга, разделяется на несколько круговых секторов, сумма углов при вершине которых остается равной 180°, причем соседние не пропускающие свет круговые секторы маски располагаются на одинаковых углах друг к другу и каждому не пропускающему свет сектору соответствует симметричный ему сектор, пропускающий свет без искажений. Во втором режиме угловая ориентация маски, состоящей из нескольких не пропускающих свет секторов, внутри апертуры устройства относительно оси зондирующего пучка мало влияет на эффективность блокировки световозвращения устройства.
С другой стороны, конфигурация маски, используемая во втором режиме, не обеспечивает эффективной блокировки световозвращения при расположении зондирующего источника даже на небольшом удалении от центра поля зрения устройства. Расчеты, выполненные применительно к одному из серийно выпускаемых прицелов, доступных в продаже, показали, что многосекторная маска, используемая во втором режиме, эффективна в случае, когда угол между осью зондирующего пучка и осью прицела не превышает величину 0,4°. Отметим, что эта величина зависит от числовой апертуры и поля зрения устройства и должна рассчитываться для параметров конкретного устройства.
Таким образом, первый и второй режимы работы оптического устройства могут дополнять друг друга и обеспечивают высокоэффективное подавление световозвращения при любом положении зондирующего источника относительно оси устройства, в том числе при быстром изменении положения источника излучения в окрестности центра поля зрения устройства.
Необходимое для достижения результата положение не пропускающего свет участка апертурной маски в апертуре устройства может задавать оператор оптического устройства на основе поступающей информации о местоположении зондирующего источника света.
Предпочтительным способом установки и поддержания оптимального расположения не пропускающей свет части маски в апертуре устройства является применение вспомогательной оптической системы, регистрирующей зондирующее излучение и определяющей местоположение его источника относительно оптической оси устройства, а также вырабатывающей сигнал, параметры которого определяются этим положением. В первом режиме работы устройства сигнал, вырабатываемый фотоприемником такой системы, например матричным, передается на привод, который вращает маску до тех пор, пока радиус, делящий пополам не пропускающий свет участок маски, не займет относительно оптической оси устройства положение, противоположное расположению зондирующего источника света.
Указанное положение маски в апертуре оптического устройства обеспечивает блокировку отраженных от бликующего элемента зондирующих лучей. При изменении взаимного расположения оптической оси устройства и оси зондирующего излучения адаптивная маска автоматически поворачивается вокруг оптической оси таким образом, чтобы восстановить эффективную блокировку отраженных от бликующего элемента зондирующих лучей.
Помимо рассмотренных выше чисто механических устройств, обеспечивающих реализацию адаптивной апертурной маски в заявляемом устройстве, необходимый результат может достигаться с помощью, так называемых, электрически управляемых транспарантов. В настоящее время коммерчески доступны такие транспаранты с размерами апертуры до десятков сантиметров. Как правило, в них применяются либо жидкие кристаллы, либо PLZT- керамика.
Варианты реализации управляемых амплитудных транспарантов с использованием пленочных поляризаторов приводят к существенным потерям света даже в тех областях транспаранта, которые работают в режиме пропускания света. Однако существуют способы непосредственной амплитудной модуляции оптического излучения без использования поляризационных эффектов. В частности, известны жидкокристаллические управляемые модуляторы на основе эффекта динамического рассеяния. Пространственные модуляторы света на PZLT-керамике также могут изготавливаться без поляризаторов. При этом потери света в участках модулятора, работающих в режиме пропускания, не превышают 15%-20%.
Электрически управляемые амплитудные транспаранты могут оказаться более удобными на практике, так как могут работать беззвучно и обладают, вообще говоря, более высоким быстродействием, чем рассмотренные выше для примера механические устройства. Второй режим работы оптического устройства с адаптивной маской также удобнее реализовывать с помощью электрически управляемого транспаранта, не требующего сложной системы электрических приводов для создания нескольких перемещающихся непрозрачных круговых секторов в пределах апертуры устройства.
В частных случаях реализации можно отказаться от вспомогательной оптической системы и обеспечить расположение в фокальной окрестности объектива устройства вспомогательного фотоприемника, выполненного с возможностью определять направление зондирующего оптического излучения, или использовать для этой цели фотоприемник устройства, если он имеется. Соответственно, выход фотоприемника соединен со средством поворота и изменения числа прозрачных и непрозрачных областей апертурной маски с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии, в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства. При использовании вспомогательного фотоприемника необходимо разместить в оптическом тракте устройства полупрозрачное зеркало, направляющее часть светового потока к вспомогательному фотоприемнику.
Переход устройства от работы в первом режиме (когда непрозрачный участок маски выполнен в виде кругового сектора с углом при вершине, равным 180°) ко второму режиму (когда непрозрачные секторы с суммарным углом при вершинах, равным 180°, равномерно распределяются по апертуре) можно автоматизировать, задав функцию смены режима в зависимости от величины угла между пучком зондирующего излучения и осью оптического устройства.
Если положение зондирующего источника близко к центру поля зрения устройства или, что то же самое, угол между осью пучка зондирующего излучения и осью устройства мал, то применимы оба режима, если же зондирующий источник находится на некотором удалении от центра поля зрения, - то применим только первый режим. Оптимальное расстояние от изображения зондирующего источника до центра углового поля зрения устройства, при котором производится смена режимов работы устройства, может быть определено экспериментально или расчетным путем, в зависимости от быстродействия апертурной маски и оптических параметров устройства.
В частных случаях, например при маленькой амплитуде рассмотренной выше вибрации оптического устройства, можно вообще не применять второй режима работы устройства. Как показали расчеты и измерения на примере серийно выпускаемого прицела, первый режим обеспечивает блокировку световозвращения, если зондирующий источник находится точно в центре поля зрения устройства. Световозвращение нарастает при перемещении источника на ту сторону от оси устройства, где находится непрозрачный участок маски в виде полукруга. Однако, при угловом расстоянии от центра поля зрения до источника менее 0,2° световозвращение все еще пренебрежимо мало у рассмотренного нами для примера прицела, имеющегося в продаже. Поэтому, если вибрация устройства или другие факторы не приводят к очень быстрым перемещениям изображения источника более чем на 0,2° в окрестности центра углового поля зрения устройства, то можно не использовать второй режим. Подчеркнем, что величина указанного угла зависит от параметров объектива и бликующего элемента устройства и должна рассчитываться в зависимости от этих параметров.
Сущность заявляемого оптического устройства с адаптивной апертурной маской поясняется примерами реализации и графическими материалами.
На Фиг.1 схематично представлено изображение адаптивной апертурной маски, когда несколько круговых секторов, не пропускающих излучение, сдвинуты с образованием единого сектора с углом при вершине, равным 180°, приводимого во вращение вручную. На Фиг.2а схематично представлен ход лучей при использовании адаптивной апертурной маски, показанной на фиг.1. На Фиг.2б показано, что, если не обеспечить подстройку положения кругового сектора в апертуре оптического устройства под расположение источника зондирующего оптического излучения, то отраженные от бликующего элемента зондирующие лучи выходят из объектива в сторону их источника.
На Фиг.3 схематически изображено устройство с автоматическим приводом адаптивной апертурной маски. На Фиг.4 проиллюстрирован первый режим работы адаптивной апертурной маски (когда не пропускающая свет часть маски представляет собой единый круговой сектор с углом 180° при вершине) для различных положений источника зондирующего оптического излучения. На Фиг.5 схематично представлено изображение адаптивной апертурной маски для использования во втором режиме, с числом секторов, пропускающих и не пропускающих излучение, равным пяти. На Фиг.6 схематично представлена оптическая схема устройства, отраженная в п.6 формулы изобретения.
Пример 1. В наиболее простом варианте реализации оптическое устройство (см. Фиг.1) включает объектив 1 (на Фиг.1 не показан) и адаптивную апертурную маску 2, содержащую области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта 3 и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области 4, не пропускающие излучение, при этом апертурная маска снабжена средством 5 поворота этих областей вокруг центра апертуры объектива, выполненным в виде рукоятки, приводимой в движение оператором.
При работе устройства в первом режиме не пропускающая свет часть маски представляет собой единое целое. При обнаружении источника зондирующего излучения, который может вызвать обратный блик (см. Фиг.2б) от бликующего элемента 6, оператор поворачивает адаптивную апертурную маску 2 с помощью рукоятки 5 таким образом, чтобы непрозрачная область 4 заняла положение, при котором устраняется световозвращение устройства (см. Фиг.2а).
Этот режим был экспериментально проверен применительно к доступному в продаже прицелу. Коллимированный источник света направлялся на объектив прицела под разными углами к оптической оси и измерялся коэффициент световозвращения прицела. Были проведены измерения индикатрисы световозвращения прицела без апертурной маски, а также с не пропускающей свет маской в виде полукруга, которая располагалось со стороны от оси прицела, противоположной положению зондирующего источника.
Индикатриса коэффициента световозвращения исследованного доступного в продаже прицела без апертурной маски оказалась следующей (слева приведено значение угла между осью зондирующего пучка и осью прицела, а справа - измеренная величина коэффициента световозвращения прицела для этого угла):
0° - 0,080
±1° - 0,065
±2° - 0,055
Ниже приведена индикатриса коэффициента световозвращения при наличии непрозрачной адаптивной маски (заслонки) в виде полукруга, всегда перекрывающей половину входного отверстия объектива серийного прицела со стороны, противоположной положению источнику зондирующего пучка относительно оптической оси:
Таким образом, измерения показали практически полное отсутствие световозвращения в заявляемом оптическом устройстве с адаптивной маской. Если же непрозрачная маска установлена неподвижно во входном отверстии объектива, то световозвращение полностью подавляется только при нахождении источника со стороны, противоположной расположению заслонки, что соответствует конфигурации, изображенной на Фиг. 2а. При перемещении источника на другую сторону от оптической оси (как показано на Фиг.2б) световозвращение возрастает от нуля до 2,9% с увеличением угла между осью пучка и осью прицела от нуля до 2°.
Пример 2. На Фиг.3 схематически представлен первый режим функционирования устройства с использованием автоматической системы управления приводами перемещения непрозрачных областей (заслонок), включающей вспомогательную оптическую систему с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства, с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с приводами кругового перемещения области или областей маски, не пропускающих излучение.
Фотоприемник 7 изображен квадрантным. Вспомогательная оптическая система условно изображена в виде блока 8 и выполнена любым известным из уровня техники образом. При нахождении источника излучения справа внизу по отношению к оси прибора засветка соответствующего сектора фотоприемника будет максимальна. Засветка условно показана штриховкой соответствующего сектора фотоприемника. Устройство снабжено приводом 9 с шестеренкой 10 на выходном валу. Соответственно, зубцами снабжена и адаптивная маска.
Отметим, что более эффективно применение во вспомогательной оптической системе более сложных фотоприемников, имеющих существенно большее число элементов, чем четыре, в том числе матричных и основанных на микроканальных пластинках. Применение таких фотоприемников повышает точность позиционирования адаптивной маски относительно источника зондирующего излучения и увеличивает эффективность блокировки обратного отражения этого излучения в оптическом устройстве. Однако принцип действия адаптивной маски, работающей в первом режиме, можно пояснить и на примере использования простейшего квадрантного фотоприемника.
Устройство функционирует в первом режиме следующим образом. Зондирующее излучение, попадающее во вспомогательную оптическую систему 8, фокусируется на фотоприемнике 7 и преобразуется в электрический сигнал, подаваемый на привод 9. Этот привод поворачивает адаптивную маску с помощью шестеренки 10 в положение, обеспечивающее максимальную блокировку лучей, отраженных от бликующего элемента оптического устройства. На Фиг.3 показано, что в рассматриваемом примере для достижения указанного результата не пропускающий свет участок маски устанавливается слева вверху по отношению к оси устройства.
На Фиг.4 проиллюстрирована работа устройства с адаптивной маской в первом режиме с помощью схематических картинок. Картинки показывают расположение объектов, наблюдаемое зрителем, находящимся за объективом оптического устройства. Круг условно изображает апертуру оптического устройства; заштрихованная область круга изображает сектор маски, не пропускающий свет. Жирная точка 11 показывает место расположения источника зондирующего излучения. Сетка справа от круга на каждой из картинок условно изображает перемещение источника зондирующего излучения по отношению к центру углового поля зрения устройства, регистрируемое вспомогательной оптической системой с матричным приемником 7 с 8×8 элементами. Видно, что по сигналу от фотоприемника 7, при любом расположении оси пучка зондирующего излучения относительно оси устройства, адаптивная маска помещается со стороны от оси устройства, противоположной расположению оси зондирующего пучка относительно оси устройства.
Следует отметить, что при нахождении источника излучения вблизи от центра углового поля зрения оптического устройства даже незначительные изменения взаимного расположения источника и центра углового поля зрения устройства могут приводить к поворотам адаптивной маски на большие углы (см. Фиг.4а и Фиг.4в). По этой причине вибрация оптического устройства будет способна вызвать постоянное быстрое движение маски при работе устройства в первом режиме.
Заявляемое устройство предусматривает возможность отключения указанного первого режима работы, если угол между осью устройства и осью пучка зондирующего излучения становится меньше величины, заданной оператором прибора. При этом может включаться второй режим, при котором не пропускающая свет часть маски состоит из нечетного числа круговых секторов, например на трех, пяти или семи, которые симметрично расположены относительно оси оптического устройства (см. Фиг.5). Следует отметить, что эффективность блокировки отраженных от бликующего элемента зондирующих лучей возрастает с ростом числа секторов от трех до семи. Однако опыты и расчеты показали, что дальнейшее увеличение числа секторов с одновременным уменьшением угла при их вершинах не требуется.
Указанный второй режим несложно реализовать, так как не пропускающая свет часть маски может быть изготовлена из нескольких составляющих, которые двигаются вместе в первом режиме работы маски, а во втором режиме они разделяются и устанавливаются под одинаковыми углами друг к другу. Как показано в статье Retroreflection reduction by masking apertures, Optical Engineering 49(4), 2010 подобная маска, состоящая из нескольких круговых секторов, ранее описанная в [9], способна эффективно ослаблять световозвращение для зондирующих источников, располагающихся достаточно близко к центру поля зрения оптического устройства.
Пример 3. В частных случаях реализации оптическое устройство может быть снабжено расположенным в его фокальной окрестности вспомогательным фотоприемником, выполненным с возможностью определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен со средством поворота и изменения числа прозрачных и непрозрачных областей апертурной маски с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии, в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства.
В этом случае устройство содержит объектив 1, перед которым размещена адаптивная апертурная маска 2, содержащая область или области 3, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области 4, не пропускающие излучение. В оптическом тракте устройства установлено полупрозрачное зеркало 12, обеспечивающее разделение попадающего в устройство светового потока на два: один, направленный к бликующему элементу 6 оптического устройства (таким элементом в случае оптического прицела является пластинка с прицельной сеткой, а в случае применения оптико-электронного приемного устройства это может быть ФЭУ с микроканальной пластинкой, ПЗС-матрица и т.д.), и второй, направленный на вспомогательный фотоприемник 7. Лучи, идущие к вспомогательному фотоприемнику, показаны пунктиром.
Выход вспомогательного фотоприемника 7 после обработки поступает на устройство 9, являющееся приводом для кругового перемещения области или областей маски, не пропускающих излучение, или электронным блоком изменения параметров сигнала, подающегося на электрически управляемый транспарант, если маска выполнена в виде такого транспаранта.
Применение заявляемого устройства с адаптивной маской обеспечивает надежное подавление световозвращения зондирующих лучей при любом расположении источника зондирующего излучения относительно оси устройства. Важным обстоятельством является то, что заявляемое устройство может применяться для уменьшения световозвращения существующих серийных оптических приборов после их незначительной переделки. Причем спектральный диапазон работы этих приборов не существенен. Важно только, чтобы вспомогательная оптическая система, либо сам оптический прибор (как в приведенном выше Примере 3), могли определять положение источника зондирующего излучения, работающего в спектральном диапазоне прибора, относительно центра углового поля зрения прибора.
1. Оптическое устройство, включающее объектив, бликующий элемент с отражающей поверхностью, расположенной в окрестности фокальной поверхности объектива, и адаптивную апертурную маску, содержащую области, пропускающие оптическое излучение без искажений волнового фронта и выполненные в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, и симметричные им относительно центра апертуры объектива области, не пропускающие излучение, при этом апертурная маска снабжена средством поворота этих областей вокруг центра апертуры объектива и изменения их числа с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства.
2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что области, не пропускающие излучение, выполнены из непрозрачного материала в виде одного или нескольких круговых секторов с суммарным углом при вершинах, равным 180°, а средство, обеспечивающее возможность их совместного движения в виде единого сектора с углом при вершине 180°, а также разделения на отдельные круговые секторы и взаимного их смещения - в виде набора механических приводов с ручным или автоматическим управлением.
3. Оптическое устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательной оптической системой с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства, с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с приводами кругового перемещения области или областей маски, не пропускающих излучение.
4. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что адаптивная апертурная маска выполнена в виде электрически управляемого транспаранта, перекрывающего апертуру объектива, а средство, обеспечивающее формирование областей, пропускающих оптическое излучение без искажений волнового фронта и не пропускающих его, с возможностью их перемещения внутри апертуры и изменение их числа - в виде блока подачи сигналов на электрически управляемый транспарант.
5. Оптическое устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательной оптической системой с известной ориентацией оптической оси относительно оптической оси оптического устройства, с расположенным в ее фокальной окрестности фотоприемником, позволяющим определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен с блоком подачи управляющих сигналов на электрически управляемый транспарант, перекрывающий апертуру объектива.
6. Оптическое устройство по п.2 или 4, отличающееся тем, что оно снабжено расположенным в его фокальной окрестности фотоприемником, выполненным с возможностью определять направление зондирующего оптического излучения, при этом выход фотоприемника соединен со средством поворота и изменения числа прозрачных и непрозрачных областей апертурной маски с одновременным изменением величины углов при вершинах секторов и с сохранением симметрии в зависимости от взаимного расположения оптической оси устройства и прямой линии, соединяющей центры апертур устройства и источника зондирующего оптического излучения, используемого для обнаружения устройства.
