CC BY
107
УДК 681.751
АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ С ДИСКРЕТНОЙ СМЕНОЙ УВЕЛИЧЕНИЯ
Дмитрий Андреевич Радостев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (983)130-90-89, e-mail: dimkaradostev@gmail.com
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
Представлен обзор оптических приборов с дискретной сменой увеличения. Приведена сравнительная характеристика современных прицелов Российского производства и зарубежных аналогов. Быстрый переход между режимами наблюдения с узким и широким полями зрения является основным преимуществом оптических приборов с данной сменой увеличения.
Ключевые слова: оптические приборы с переменные характеристики, оптические системы, прицел, дискретная смена увеличения.
ANALYSIS OF OPTICAL DEVICES WITH DISCRETE CHANGE OF MAGNIFICATION
Dmitry A. Radostev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (983)130-90-89, e-mail: dimkaradostev@gmail.com
Tatyana N. Khatsevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Professor, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
The review of optical devices with a discrete change of magnification is presented. The comparative characteristic of modern sights of the Russian manufacture and foreign analogues is resulted. A quick transition between observation modes with a narrow and wide field of view is the main advantage of optical instruments with this change in magnification.
Key words: variable characteristics, optical systems, sight, discrete change of magnification.
Введение, актуальность
Оптические приборы с переменными характеристиками приобретают всё большую популярность среди потребителей. В оптических приборах смена увеличения может обеспечиваться двумя способами: дискретным и панкратиче-ским [1]. Дискретная смена увеличения в военных наблюдательных, визирных и прицельных оптических приборах позволяет пользователю быстрее реагировать на изменения обстановки, осуществляя переход от наблюдения в широком
поле зрения к наблюдению в узком поле зрения при большем увеличении. Кроме того, оптические приборы, в частности прицелы, с дискретной сменой увеличения на сегодняшний день имеют меньшую массу и габариты, по сравнению с приборами с панкратической сменой увеличения [2]. Вышесказанное определяет актуальность разработки новых оптических приборов наблюдения, визирования и прицеливания, обеспечивающих быстрый переход между наблюдением в широком и узком полях зрения, обладающих высокими техническими и потребительскими показателями.
Основой оптического прибора наблюдения, визирования и прицеливания с дискретной сменой увеличения является оптическая схема: именно она определяет, каким способом осуществляется смена увеличения и поля зрения в приборе, каковы габаритные размеры и масса прибора, каким образом обеспечивается точная установка линии визирования, ввод углов прицеливания, поправок, выверки и т. п.
Предметом исследования являются оптические системы приборов наблюдения, визирования и прицеливания, обеспечивающие дискретную смену оптических характеристик.
Целью исследования является анализ схемных решений, реализованных в оптических приборах со сменой увеличения, и выбор на его основе такого решения, которое может быть положено в основу разработки нового малогабаритного оптического прицела со сменой увеличения, производство которого обеспечивало бы конкурентные преимущества производителю.
В исследовании использованы общие методы научного исследования: классификация, сравнение, анализ.
Классификация
Оптические системы военных оптических приборов наблюдения, визирования и прицеливания относятся к телескопическим системам. Большинство телескопических систем со сменой увеличения обеспечивают последовательное представление наблюдателю пространства объектов с изменяемыми (сменными) увеличениями и полями. Основанием для классификации (типологии) телескопических систем со сменными характеристиками является такой существенный признак, как способ изменения в процессе эксплуатации прибора оптической схемы и (или) ее элементов, приводящий к изменению видимого увеличения при сохранении телескопичности (афокальности). Классификация телескопических систем по указанному признаку представлена в табл. 1.
Телескопические системы с применением сменных объективов или окуляров (п.1 табл. 1) в большей степени используются в стационарных приборов или приборах, устанавливаемых на подвижных основаниях. В малогабаритных приборах для изменения увеличенияпригоден способ ввода или вывода части объектива внутри прибора (п.1.1 в табл. 1), позволяющий обеспечить меньшие габаритные размеры и постоянство длины прибора при смене увеличения.
Классификация телескопических систем с последовательным представлением наблюдателю пространства предметов со сменными характеристиками
Способ смены увеличения
Описание способа
Пример схемного решения
1. Изменение фокусного расстояния объектива или окуляра
Производятся следующие изменения в оптической системе:
1.1 - вывод одного объектива из хода лучей и ввод в ход лучей другого объектива (или его части);
1.2 - вывод из хода лучей одного окуляра и ввод в ход лучей другого окуляра
1,2 - сменные объективы; 3 - другие элементы оптической системы; Схема представлена по п. 1.1
2. Изменение увеличения оборачивающей системы
Производятся следующие изменения в оптической системе:
2.1 - вывод из хода лучей одной оборачивающей системы (ее компонента) и ввод другой оборачивающей системы (ее компонента);
2.2 - перемещение компонентов оборачивающей системы вдоль оптической оси:
2.3 - введение в оборачивающую систему дополнительных компонентов;
2.4 - поворот оборачивающей системы на 180°
1 - объектив; 2,3 - элементы оборачивающей системы; 4 - окуляр; Схема представлена по п.2.1
Окончание табл. 1
Способ смены увеличения
Описание способа
Пример схемного решения
3. Использование телескопической системы га-лилеевского типа и изменение ее увеличения
Производятся следующие изменения в оптической системе:
3.1 - перед объективом дополнительно устанавливается насадка в виде телескопической системы га-лилеевского типа. Количество насадок может быть несколько;
3.2 - телескопическая система галилеевского типа интегрирована в оптическую систему прибора и имеет возможность поворота на 180° и (или) вывода из хода лучей. Количество телескопических систем галилеевского типа может быть несколько;
3.3 - перемещение внутреннего компонента гали-леевской системы вдоль оптической оси [3]
1,2- компоненты системы Галилея; О - ось разворота; ТС1 - телескопическая система 1; ТС2 - телескопическая система 2; Схема представлена по п.3.2
1 гт
г т з тс
Г
Л
Схема представлена по п. 3.3 с ходом лучей в положении компонента
2 (II).
ТС - телескопическая система
Изменение линейного увеличения оборачивающей системы любым из способов (п. 2.1 - 2.4) является эффективным и часто используемым способом дискретной смены увеличения в малогабаритных приборах.
Смена увеличения, осуществляемая перемещением внутреннего компонента галилеевской системы вдоль оптической оси (п.3.3), позволяет заменить поворот галилеевской системы на линейное перемещение с целью уменьшения габаритных размеров. В табл.1 на схеме по п.3.3 представлены следующие компоненты: 1, 3 - неподвижные положительные компоненты; 2 (I), 2 (II) - положение подвижного отрицательного компонента для наибольшего и наименьшего увеличения; & расстояние между неподвижными компонентами 1 и 3.
Специальным требованием при разработке визирных и прицельных оптических приборов является неизменность положения визирной линии прибора при смене увеличения. Как известно, визирная линия представляет собой спроецированную в пространстве предметов линию, соединяющую вершину визирного (прицельного) знака и заднюю узловую точку объектива.
Если в процессе смены увеличения происходит изменение эквивалентного фокусного расстояния части оптической системы, расположенной перед сеткой с нанесенным на ней визирным (прицельным) знаком, то неизменность визирной линии будет иметь место лишь для случая, когда вершина визирного (прицельного) знака находится на оптической оси и децентрировки при установке подвижных компонентов отсутствуют. В противном случае требуется применение в конструкции оптико-кинематических способов компенсации увода визирной линии [3].
Если смена увеличения осуществляется компонентами схемы, расположенными по ходу лучей после сетки с визирным знаком, то увод визирной линии при смене увеличения не возникает.
Обеспечение вышеназванных специальных требований по стабильности положения визирной линии накладывает свои ограничения и на оптическую систему, и на конструкцию изделия.
Так же в отдельную классификацию можно вынести приборы с одновременным представлением разных полей зрения. Оптическая система таких приборов имеет два канала с разными полями зрения, одновременно представляемые наблюдателю, что исключает процедуру переключения и потерю объекта из поля зрения.
Прицелы данного типа позволяют вести наблюдение за объектами одновременно двумя увеличения, осматривать большое поле зрения вокруг объекта и более детально рассматривать выбранную цель .Пример поля зрения прицелов данной схемы представлен на рис. 1 [4].
Большая область наблюдается с широким полем зрения, в то же время центральная область прицельного знака расположена внизу с большим увеличением для детального рассмотрения объекта. Данный вид телескопических систем не так распопростанен, как классические приборы со сменой увеличения, из за своей сложности при проектировании и дороговизны изделия.
Рис. 1. Вид поля зрения прицела с одновременным малым и большим полем зрения
Сравнительный анализ приборов
На сегодняшний день на рынке представлены наиболее распространенные прицелы с дискретной сменой увеличения [5]: Specter DR DualRole 1-4x Combat Sight, Specter DR Dual Role 1.5-6x Combat Sight, Specter TR 1-3-9 Weapon Sight фирма производитель Elkan [6]; 1:4x32 QR-TS 35mm PITBULL COMPACT SCOPE фирма производитель Valdada [7], прицел сменного увеличения ПСУ [8], ПО 1/4, ПО 1,5/6 [9] производитель АО «НПЗ» [10].
Сравнительные технические характеристики данных приборов представлены в табл. 2.
Многообразие различных методов смен увеличения позволяет проектировать приборы с различными характеристиками. Сравнительный анализ приборов с дискретной сменой увеличения позволил выявить наиболее распространённые методы смены увеличения. Оптические схемы, спроектированные по п.2.3 имеют меньшую массу и схожие параметры, в отличии от приборов п. 1.1.
Смена увеличения и принцип работы оптических прицелов данных представителей схожие, в отличие от прицела Specter DR Dual Role 1-4x Combat Sight. Ввод углов прицеливания в приборе осуществляется путём внешней выверки. В корпусе конструктивно предусмотрена подвижка прибора по вертикали и горизонтали, с помощью внешних механических подвижек.
Схематическое представление конструкции прибора и оптической системы данного прибора представлен на рис. 2.
Сравнительные характеристики оптических прицелов с дискретной сменой увеличения
Наименование прицела Г, крат 2т, градус Dp, мм D' >■ Up' , мм S' г up' , мм L, мм m, г Диапазон выверки, т. д. В соответствии с табл.1
Specter DR Dual Role 1-4x Combat Sight 1/4 24/6 32 8 70 184 640 ±17 1.1
Specter DR Dual Role 1.5-6x Combat Sight 1,5/6 16/4 42 7 70 184 700 ±17 1.1
Specter TR 1-3-9 WeaponSight 1/3/9 16/ 6/2 30/ 30/12 11,7/ 10/3,3 74/ 70/78 265 850 ±25/ ±8/±17 3.2
1:4x32 QR-TS 35mm PITBULL COMPACT SCOPE 1/4 25,6/ 7,2 32 32/8 89 184 652 19 3.3
ПСУ 1/4 20/6,5 32 8 70 189 700 ±10 3.3
ПО 1/4 1/4 24/6 32 10/7 73,5 175 540 ±10 2.3
ПО 1,5/6 1,5/6 16/4 42 10/7 73 192 650 ±10 2.3
1 2 3 4 5 6 7
о о
б)-
ОЕ
Рис. 2. Схематическое представление конструкции прибора
и оптической системы: а) увеличение 1 крат; б) увеличение 4 крат; 1, 4 - неподвижные компоненты объектива; 2,3 - система смены увеличения (обеспечивается совместным разворотом компонентов на 180 градусов относительно оптической оси); 5- призменная оборачивающая система; 6 - окуляр, 7 - выходной зрачок наблюдателя
В настоящее время на рынке представлены двухканальные оптические прицелы с одновременным представлением двух полей зрения. Примером приборов с одновременным представлением наблюдателю полей зрения с разными увеличениями являются приборы компании «РусОптикСистем» ЕЕ 1.5/6*24 [11] и ПОГ1/3,5*14 [12]. Прибор ЕЕ 1.5/6*24 включает в себя общий окуляр и два параллельно расположенных объектива. Оптические каналы прибора имеют различное увеличение. Каждый канал имеет объектив, сетку и оборачивающую систему. Окуляр располагается на оси канала, с наименьшим увеличением. Объективы имеют равные фокусные расстоянии. Сетка прицела расположена в общей фокальной плоскости объективов. Канал с большим увеличением дополнительно снабжен оптическим элементом, расположенным перед фокальной плоскостью и выполненным с возможностью смещения оси оптического канала с большим увеличением.
7
Рис. 3. Схематическое представление оптической схемы прибора:
1,2 - объектив; 3,4 - сетка; 5 - оборачивающая система; 6 - фокальная плоскость окуляра; 7 окуляр; 8 - призма; 9 - оборачивающая система; 10 - выходной зрачок
Рис. 4. Вид поля зрения оптического прицела ЕЕ 1.5/6*24
Рис. 5. Схематическое представление оптической схемы прибора ПОГ1/3,5*14:
1 - объектив; 2, 5 - сетка; 3, 4 - светоделительный куб; 6, 7 - оборачивающая система; 8- фокальная плоскость окуляра; 9 - окуляр; 12, 13, 14 - зеркало; 16 - подсветка; 10 - выходной зрачок
Рис. 6. Вид поля зрения оптического прицела ПОГ1/3,5*14
Данные прицелы позволяет обозревать большое поле зрения при малом увеличении, а центральную часть поля зрения, более детально, с большим увеличением, но эта функциональная возможность реализована посредством достаточно сложного конструктивного решения.
По данным схемам разработаны прицелы ЕЕ 1.5/6*24 и ПОГ1/3,5*14 с характеристиками, представленными в табл. 3, 4.
Таблица3
Характеристики прицела ЕЕ 1.5/6*24
Канал Увеличение, крат Поле зрения, градус Диаметр входного зрачка, мм Удаление выходного зрачка, мм Длина, мм.
1 1,5 16 11 90 120
2 6 1х2 24 90 120
Характеристики прицела ПОГ1/3,5*14
Канал Увеличение, крат Поле зрения, градус. Диаметр входного зрачка, мм Удаление выходного зрачка, мм Длина, мм
1 1 24 10 90 210
2 3,5 3 4 90 210
Сформированное поле зрения данных прицелов, в котором одновременно формируются два изображения: с большим и меньшим увеличением, является основным преимуществом перед панкратической и дискретной сменой увеличения, когда при малом увеличении обозревается большое пространство, а большом увеличении только малая его часть, при этом при изменении увеличения в сторону его возрастания, цель часто теряется из вида.
Выводы и заключение
Оптические прицелыс дискретнойсменой увеличения достаточно широко распространены в оптических системах,разрабатываемых и промышленно выпускаемых приборов. Известная классификация способов смены увеличения дополнена способами, появившимися в последние полтора десятилетия. При рассмотрении анализируемых приборов проведено соответствие их оптических систем классификации. Подтверждено, что оптических систем с дискретной сменой увеличенияи разработка конструктивного исполнения механизмов смены увеличения остаётся актуальной задачей.
Анализ схемных решений, реализованных в оптических приборах со сменой увеличения, позволил выявить следующие тенденции:
- отмечается усложнение оптических схем и их элементов, обусловленное необходимостью уменьшения габаритных размеров приборов;
- перспективным является увеличение числа дискретных положений при смене увеличений (полей) с двух до трех;
- использование внешней выверки позволяет достичь упрощения оптической системы;
- для компенсации увода визирной линии при смене увеличения применяются оптико-кинематических способы, усложняющие конструкцию прибора;
- использование для смены увеличения изменений (подвижек и т.д.) в части оптической системы, расположенной по ходу лучей за сеткой с визирным знаком, обеспечивает отсутствие увода визирной линии при смене увеличения;
- использование двухканальных оптических схем, обеспечивающих одновременное представление с различным увеличениемдвух полей (или фрагментов поле), исключает потерю объекта при смене увеличения.
Указанные тенденции необходимо принимать во внимание на этапе концептуального проектирования в процессе разработки нового малогабаритного оптического прицела со сменой увеличения, производство которого обеспечит конкурентные преимущества производителю.
В ходе дальнейшейработы над магистерской диссертацией будет предложены и рассчитаны варианты оптических схем для малогабаритного прибора с дискретной сменой увеличения, и на основе вариантного проектирования выбрана схема для разработки технического проекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Запрягаева, Л. А., Свешникова И. С. Расчет и проектирование оптических систем / Л. А. Запрягаева, - М.: Логос, 2000 - 584 с.
2. Волкова К. Д., Хацевич Т. Н. Оптические системы с переменными характеристиками // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. «Си-бОптика-2014»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8 18 апреля 2014 г.). Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 1. - С. 13-20.
3.Хацевич Т.Н., Волкова К.Д., Дружкин Е.В. Оптико-кинематический способ обеспечения стабильности положения визирной линии в оптических приборах с дискретной сменой увеличения // Актуальные проблемы оптотехники : сб. материалов Национальной научно-технической конференции, 21 сентября 2017 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГУГиТ, 2017. - C. 48-58.
4. Патент US20110128620, 2009.
5. Волкова К. Д., Хацевич Т. Н. Дружкин Е.В. Особенности оптического проектирования приборов с дискретной сменой увеличения с учетом технологических возможностей отечественных производителей.
6. Raytheon ELCAN Optical Technologies Specter DR Dual Role 1 - 4x Combat Sight. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.elcan.com, свободный. - Загл. с экрана.
7. 1:4x32 QR-TS 35mm PITBULL COMPACT SCOPE [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.valdada.com, свободный. - Загл. с экрана.
8. Пат. 2532605 Российская Федерация, МПК7 F41G 1/38, G02B 7/02. Оптический прицел [Текст] / Дейснер А.А., Комбаров М.С.; патентообладатели ОАО "Швабе - Оборона и Защита" - № 2013129085/28; заявл. 25.06.2013; опубл. 10.11.2014 Бюл. № 31.
9. Пат. 2547044 Российская Федерация, МПК7 F41G 1/14. Оптический прицел с дискретной сменой увеличения / Хацевич Т. Н., Дружкин Е. В.; патентообладатель ООО «Оптическое Расчетное Бюро» - № 2014120776/12; заявл. 22.05.2014.
10. Прицел ПСУ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.npzoptics.ru/, свободный. - Загл. с экрана.
11. Пат. 2528121 Российская Федерация, МПК7 F41G 1/38, G02B 23/10. Оптический прицел / Благов. П.А., Цивилев Е.В.; Патентообладатель ООО «РусОптикСистем» -№2011116696/28, заявл. 06.06.2013; опубл. 10.09.2014 Бюл. №25.
12. Пат. 2484508 Российская Федерация, МПК7 F41G 1/38, G02B 7/02. Оптический прицел / Благов. П.А., Цивилев Е.В.; Патентообладатель ООО «РсОптикСистем» -№2013126080/28, заявл. 28.04.2011; опубл. 10.06.2013 Бюл. № 16.
© Д. А. Радостев, Т. Н. Хацевич, 2018
