CC BY
24
УДК 681.7.055
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ЗРЕНИЯ ОТ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ ЯРКОЙ ВСПЫШКИ
Артем Сергеевич Борцов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (923)730-89-14, e-mail: artem.borcov999@gmail.com
Игорь Олегович Михайлов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного,10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)344-29-29, e-mail: mio@sibmail.ru
В статье предлагается теоретическое обоснование и конструктивное решение жидкостного оптического компонента для пассивно-активной защиты органов зрения человека от поражающих факторов яркой вспышки. Приведены достоинства и недостатки практического использования жидкостных оптических компонентов и предложено конструктивное решение оптического компонента, лишенного ряда недостатков, характерных для данного типа оптических элементов, применительно к разрабатываемой конструкции. Представлена принципиальная схема и принцип действия устройства защиты глаз и оптико-электронных устройств от ярких площадных и точечных источников.
Ключевые слова: система защиты, орган зрения, яркая световая вспышка, жидкостные линзы, принцип действия устройства, принципиальная схема устройства.
LIQUID OPTICAL ELEMENT IN THE SYSTEM OF PROTECTION FROM THE DESTRUCTIVE FACTORS OF THE BRIGHT FLARE OF LIGHT
Artem S. Bortsov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (923)730-89-14, e-mail: artem.borcov999@gmail.com
Igor O. Mikhailov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (383) 344-29-29, e-mail: mio@sibmail.ru
In the article the theoretical substantiation and constructive solution of liquid optical component for passive-active protection of human organs of sight from striking factors of bright flash is offered. Advantages and disadvantages of practical use of liquid optical components are noted and the constructive solution of an optical component excluding a number of shortcomings, in relation to the developed design is offered. The principal scheme and principle of operation of the device of protection of eyes and optoelectronic devices from bright areal and point sources is presented.
Key words: protection system, organ of vision, bright light flash, liquid lenses, the principle of operation of the device, the concept of the device.
В последнее десятилетие, при разработке концепции современных войн, в ведущих странах военные специалисты отмечают, что придается все большее значение созданию принципиально новых видов оружия. Его отличительной чертой является поражающее действия на людей, не приводящее к смертельным исходам. К этому виду относят оружие, которое способно нейтрализовать или лишать противника возможности вести активное сопротивление или боевые действия без летального действия на человека либо разрушения материальных ценностей. К поражающему оружию органов зрения относится такое оружие как лазерное и источники некогерентного яркого света. В связи с этим фактом, в наше время система защиты органов зрения от таких видов оружия является крайне актуальной [1].
Целью данного исследования является разработка варианта конструкции жидкостного оптического компонента, конструкция которого лишена основных недостатков, связанных с гравитацией Земли и большими диаметрами жидкостных компонентов оптической системы.
Изучение источников научно-технической информации, теоретические исследования и математическое моделирование позволяют наметить пути реализации сформулированной задачи.
Для характеристики поражающих факторов яркой вспышки необходимо понимание её энергетических для фотоприемных устройств (ФПУ) и светотехнических для глаза характеристик.
Самосветящиеся объекты (источники света), в частности, характеризуются значением яркости. Глаз человека реагирует на яркость источника излучения, большие значения которой могут оказаться весьма опасными. Если яркость
5 2
превышает значение 1,6x10 кд/м , то это вызывает болезненные ощущения в глазу.
Ниже приведены количественные характеристики яркости некоторых ярких источников излучения:
3 2
- неоновая лампа 1x10 кд/м ;
4 2
- ясное дневное небо 1,5x10 кд/м ;
42
- газосветная лампа 5x10 кд/м ;
8 2
- кратер обычной угольной дуги 1,5x10 кд/м;
9 2
- Солнце 1,65x10 кд/м;
92
- шаровая ртутная лампа сверхвысокого давления (СВДШ) 1,2x10 кд/м ;
11 2
- импульсная стробоскопическая лампа (ИСШ) 1x10х кд/м ;
Яркость Ьа в данном направлении может быть вычислена на основании
выражения
ь ф
гл '
£ -П-еов а
где Ф - поток лучистой энергии;
£ - площадь;
а - угол с нормалью к излучающей поверхности;
О - телесный угол.
Если за пороговое значение яркости для глаза человека принять значение,
52
равное 1,6x10 кд/м , то для источников излучения с яркостью, превышающей заданное значение, необходимо отсекать поток света, попадающий в глаз, при помощи различного рода затворов.
В качестве примера рассматривается источник излучения - импульсный фото осветитель (лампа-вспышка).
На рис. 1 приведены графики, поясняющие временные характеристики работы затвора, отсекающего поток от яркого источника света, в данном случае импульсной лампы-вспышки.
0 ОД 2 4 6
Рис. 1. График реакции затвора на яркую вспышку
Время, от момента яркой вспышки до поражающего фактора, занимает определенный период, который проходит за 0,1 секунды, что позволяет отреагировать затвору и защитить органы зрения от поражения. Данные графика позволяют сделать вывод, что затвор успевает среагировать и защитить глаз от поражения сетчатки. Работа затвора действует до того момента пока поражающее действие яркой вспышки не станет меньше пороговой яркости для глаза человека.
В последние годы значительно возрос интерес к оптическим системам с жидкими (жидкостными) линзами (ЖЛ), основанными на различных физических принципах. В частности, их применение может оказаться эффективным в военном деле, измерительной и медицинской технике, дистанционно управляемых устройствах систем безопасности, в камерах мобильных устройств и др. Но в свою очередь у жидких линз имеется ряд недостатков, которые ограничивают сферу их применения, и это необходимо учитывать при проектировании технических устройств.
Существенным ограничением в применении ЖЛ относительно большого диаметра является ориентация в пространстве ее оптической оси. Только если ось ЖЛ перпендикулярна поверхности Земли, то ее сферическая преломляющая поверхность будет симметрична относительно оси. Во всех остальных
случаях гравитация Земли будет искажать форму поверхностей жидкой линзы и ухудшать качество даваемого ей изображения; при этом наибольшие искажения будут наблюдаться при ориентации оптической оси ЖЛ параллельно поверхности Земли.
Еще одним недостатком жидких линз является ограничение скорости изменения формы жидкого компонента, в зависимости от принципа его работы (гидравлический, электрический, пьезоэлектрический и др.). Это необходимо учитывать в разрабатываемом устройстве, изменяющем форму ЖК из плоскопараллельной пластины в отрицательный компонент оптической системы [4].
На основании изложенных принципов предлагается конструктивное решение жидкостного оптического компонента, конструкция которого лишена основных недостатков, связанных с гравитацией Земли и большими диаметрами ЖК.
В качестве примера на рис. 2 представлен вариант конструкции жидкостного оптического компонента, работа которого основана на гидравлическом принципе.
а) 5)
Рис. 2. Жидкостный оптический компонент на гидравлической основе:
1 - корпус (оправа), 2 - ограничительное стекло, 3 - оптическая жидкость, 4 - мембрана, 5 - поршень
Внутри корпуса (оправы) 1 расположены прозрачные эластичные мембраны 4, полость между которыми заполнена оптической прозрачной жидкостью 3. Повышенное давление жидкости в корпусе прижимает мембраны к стеклянным плоскопараллельным пластинам 2. Давление регулируется при помощи поршня 5, связанного с электромагнитом. Для поступления в камеру воздуха предусмотрены маленькие технологические отверстия на оправе 1.
Так как оптическая жидкость будет находится под постоянным давлением, то конструкция может быть установлена в любом положении и выполнена в достаточно большом размере по сравнению с известными жидкими линзами [3].
В момент яркой вспышки, фотоприемник устройства генерирует электрический сигнал, вызывающий срабатывание электромагнита, приводящего в действие поршень, который понижает давление внутри полости с оптической жидкостью, и жидкостный оптический компонент примет форму отрицательной линзы (рис. 2 б), что позволит рассеять поражающий поток от вспышки по большей площади.
Для определения коэффициента снижения светового потока, поступающего в глаз человека или на ФПУ, при помощи программы 7ешах было проведено моделирование оптической системы, содержащей жидкостный оптический компонент (рис. 3).
Жидкостный оптический компонент
Рис. 3. Жидкостный оптический компонент в оптической системе
в состоянии покоя
В данной системе жидкостный компонент выполняет роль плоскопараллельной пластины. На рис. 4 представлены пятна рассеивания для различных точек поля и график частотно-контрастно характеристики (ЧКХ) оптической системы, в которой установлен жидкостный компонент.
В момент яркой вспышки жидкостный оптический компонент из плоскопараллельной пластины резко становится отрицательным компонентом этой системы (рис. 5). На рис. 6 приведены результаты оценки качества оптической системы с отрицательной ЖК.
1НП: 6,250 ММ
5РоТ™б1псёпм—
тни ™ 18 2
Р1ЕШ
РНОХЫБ БЕО ЮТ11Е
ТЕ Ь,2500 ММ
0,00 30,00 60,00
5РНТ1Н1_ РРЕОиЕЫСУ СУС1_Е5 РЕ13 М11_1_1МЕТЕР
Р01_УСНК0МР)Т1С ЕИРРКАСТЮЫ МТР
ТНи ТПЫ 1В 2010 □ ПТП Р013 0,6000 ТО 0,9000 ЗиЯРПСЕ: ТМРБЕ
Рис. 4. Основные характеристики оптической системы
Жидкостный оптический компонент
Рис. 5. Жидкостный оптический компонент в оптической системе
в момент яркой вспышки
тни Ш 1В
1Ж КНОШБ ЕЕО ЙЯОШЕ 5СН1_Е В8Й
.0 ШИЗ АРЕ р. 1
6171, 8290, 2Е+00Ч
2РОТ [ПРОЗРИ
Ч72В.ЗЧ 4321,82 7829,11 6913,32 КЕРЕЙЕМСЕ
Т5 0,0000, 6,2500 ММ
С Ё 11 1
СОЫРЮийРТЮЫ 1 ОР
30 , 00
2РРТ1Р1_ РКЕОиЕ1\1СУ 1Ы СУС1_Е2 РЕ13 М11_1_1МЕТЕ13 Р01_УСН130МР)Т1С □1РРРПСТЮЫ МТР
ТНи ТПЫ 18 201В □ НТН РОК 0,6000 ТО 0,9000 (лш. ЗЫРРПСЕ: ТМРЮЕ
Рис. 6. Основные характеристики оптической системы
178
Графики, приведенные на рис. 6, иллюстрируют резкое снижение качества изображения. Если сравнить пятна рассеяния, приведенные на рис. 4 и 6, то в системе с отрицательным жидкостный оптическим компонентом пятно рассеяния в изображении точки увеличивается более чем в тысячу раз. Из этого сравнения следует, что изменение формы ЖЛ, происходящее в момент яркой вспышки, может предотвратить выход из строя ФПУ или защитить сетчатку глаза наблюдателя от поражающего действия яркой световой вспышки.
На рис. 7 представлена принципиальная схема устройства системы защиты комбинированного типа от точечных и площадных источников излучения.
В момент яркой вспышки фотоприемник устройства генерирует электрический сигнал, вызывающий срабатывание жидкостного оптического компонента, который примет форму отрицательной линзы, тем самым защищает наблюдателя и оптико-электронные устройства от поражающих факторов яркой вспышки. Для защиты от поражения точечными источниками излучения, в системе защиты установлен мембранный ограничитель. При попадании на мембранный ограничитель излучения от точечного источника происходит испарение чувствительной поверхности. В результате не происходит попадания поражающего излучения точечного источника в глаз человека или на ФПУ [2].
В заключении можно сказать, что поставленная цель достигнута. Представленная в этой работе предварительная конструкция жидкостного компонента позволяет решить основные проблемы, связанные с реализацией больших диаметров жидкостных компонентов и способом расположения их в оптической системе. Применение жидкостного компонента может быть использовано в наблюдательных приборах или прицелах различного назначения, в которых необходима защита органов зрения или ФПУ от поражения факторами яркой
Рис. 7. Принципиальна схема устройства защиты от точечного и площадного источников излучения
вспышки. Представленные выше схемы позволяют вести дальнейшую разработку конструкции системы защиты ФПУ и органов зрения от поражающих факторов яркой вспышки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борцов А. С., Михайлов И. О. Принципиальная схема устройства системы защиты от поражающих факторов яркой вспышки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 43-46.
2. Чесноков Д. В., Чесноков В. В. Экспериментальное исследование пороговых энергетических и быстродействия тонкоплёночных термооптических затворов в видимом и ИК диапазонах спектра // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). -Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 190-198.
3. Голицын А. В., Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Некоторые варианты оптических систем на основе жидкостных элементов // Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика-2014». - СПб. : Оптическое общество им. Д. С. Рождественского, 2014. - Т. 3. - С. 55.
4. Жидкие линзы - новая элементная база оптических и оптико-электронных приборов / А. В. Голицын, В. С. Ефремов, И. О. Михайлов, Н. В. Оревкова, Б. В. Федоров, В. Б. Шлишевский // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. К Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013». Дифракционные и интерференционные системы и приборы : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 7-11.
© А. С. Борцов, И. О. Михайлов, 2018
