Достоинством системы Кеплера является то, что в плоскости изображения может быть установлена сетка (шкала). Она позволяет решать измерительные задачи по определению дальности до объекта наблюдения, в то время как другие оптические системы не могут быть использованы для этих целей.
Для того чтобы измерить расстояние R до объекта наблюдения, необходимо знать ориентировочный линейный размер объекта L, выраженный в метрах, и его угловой размер У. Последний определяется по шкале оптической системы в условных единицах, называемых тысячные (рис. 1.4.4, а). Величина У измеряется, исходя из цены деления шкалы (расстояния между двумя соседними делениями). Эта цена составляет 5 тысячных, такому же значению соответствует собственный размер малого штриха деления. Расстояние между двумя большими делениями и размер штриха большого деления — 19 тысячных.
Значение расстояния R (м) рассчитывается по формуле:
Так, например, на рис. 1.4.4, а представлен случай, когда в поле зрения оптической системы находятся человек и автомобиль.
Рис. 1.4.4. Определение расстояния до объекта:
а — по шкале, установленной в оптической системе Кеплера;
б — с использованием линейки или других подручных средств
Известно, что средний рост человека составляет 1 м 70 см (L = 1,7 м), а его угловой размер для случая, изображенного на рисунке, У= 10 тысячных, таким образом расстояние от наблюдателя до человека составляет величину:
Длина другого объекта — автомобиля около 4,5 м (L = 4,5м), его угловой размер — У= 15 тысячных, следовательно дальность до автомобиля в рассметриваемом примере имеет значение:
Однако необходимо знать, что существует метод оценки дальности до объекта и с помощью подручных средств, например обычной линейки. Он основан на том, что угловой размер 1 мм на удалении 50 см от глаз составляет около 2 тысячных. Таким образом, если определить величину видимого размера объекта на удалении 0,5 м от глаз, то примерное расстояние будет иметь значение:
где d [мм] — видимый размер объекта на удалении 0,5 м. Для случая, изображенного на рис. 1.4.4, б, линейный видимый размер фигуры имеет значение d 10 мм, а реальный размер — L 0,5 м. Следовательно, дальность до объекта:
Вместо линейки может быть использован любой другой небольшой предмет геометрические размеры которого известны: спичечная коробка, карандаш, пластиковая карта, бумажная купюра и т. п.
Основной недостаток оптической системы Кеплера — переворачивание изображения, из-за чего наблюдатель видит все вверх ногами. Для устранения недостатка в систему вводят компоненты, обеспечивающие восстановление нормального положения изображения. В качестве таких элементов используют либо дополнительные линзы (рис. 1.4.5, а), например в подзорных трубах или телескопах, либо призмы (рис. 1.4.5, б), например в биноклях (рис. 1.4.6) или артиллерийских панорамах.
Для ведения скрытного наблюдения необходимо тщательно выбирать позицию с учетом местных условий и окружающего ландшафта. Для этих целей идеально подходят густая листва деревьев, различные строения, места складирования крупногабаритных предметов. Однако в ряде случаев оказывается затруднительно выбрать удобное место, и наблюдение приходится вести из-за угла, через препятствие и т. п. В этом случае хорошую услугу могут оказать упомянутые выше артиллерийские панорамы или другие оптические системы перископического типа, имеющие достаточно малые геометрические размеры входного объектива и изменяющие направление распространения оптических лучей.
Простейший перископ может быть изготовлен своими силами с использованием всего двух параллельно расположенных зеркал (рис. 1.4.7). Каркас для него также несложно сделать, применяя плотный картон, древесно-волокнистую плиту (ДВП), пластик.
Ведя скрытое наблюдение за объектом с помощью оптико-механического прибора, необходимо помнить о таком коварном демаскирующем
Рис. 1.4.5. Восстановление нормального изображения в приборах с оптической системой Кеплера:
а — зрительные трубы и телескопы; б — бинокли и артиллерийские панорамы
факторе, как солнечные блики на стекле вашей оптической системы, которые могут быть видны на расстоянии, достигающем нескольких километров. Чтобы не быть обнаруженным, необходимо выбирать позицию. Для наблюдения таким образом, чтобы прямые солнечные лучи не попадали на оптические стекла. Также надо знать, что существуют профессиональные оптические приборы, например военного назначения, с так называемой просветленной оптикой. Их отличительной особенностью является то, что на поверхность стекла входного объектива нанесена специальная пленка, толщина которой подобрана таким образом, чтобы лучи света, отраженные пленкой и стеклом, взаимно компенсировались,
Рис. 1.4.6. Оптико-механические приборы для наблюдения за объектами с больших расстояний:
а — полевой бинокль с 20-кратным увеличением; б — бинокль фирмы Pentax с 10-кратным увеличением; в — 8-кратный монокуляр фирмы Pentax с блендой; г — 8-кратные мини-монокуляры для скрытного наблюдения; д — 6-кратный бинокль фирмы Olympus
Рис. 1.4.7. Перископическая система для скрытного наблюдения
исключая появление бликов. Приборы с просветленной оптикой имеют
характерный темный цвет входных линз объектива.
Хорошей защитой от бликов может служить и бленда — специальный козырек в виде раструба, надеваемого на объектив оптического прибора. Она, во-первых, предотвращает попадание прямых солнечных лучей на вход объектива, а, во-вторых, существенно ослабляет переотражение лучей за счет специальной формы внутренней поверхности (рис. 1.4.6, в; 1.4.8).
В качестве примера современного оптико-механического прибора можно привести компактный бинокль британской фирмы ВСВ International.
ВСВ Compact 8х21 — оптический прибор для наблюдений, выполненный в ударопрочном и пыленепроницаемом корпусе с резиновым покрытием. При габаритных размерах 9,5х7х4 см его масса не превышает ;• 200 г. Линзы диаметром 21 мм имеют мгновенный угол поля зрения 7° и 8-кратное увеличение, что дает возможность наблюдать за участком местности шириной 130 м на дальности до 1000 м. Фокусировка и оптическая сила линз регулируются в зависимости от индивидуальных особенностей наблюдателя.
1.4.2. Приборы ночного видения
Рассмотренные выше оптико-механические приборы позволяют вести наблюдение при освещенности, близкой к нормальной (в светлое время суток), и при удовлетворительных погодных условиях (ясно или слабая дымка).
Естественно, что в жизни возникают ситуации, когда условия наблюдения затруднены — это вечернее или ночное время суток, чердаки, подвалы и т. п. В этих условиях неоценимую услугу могут оказать так называемые
Рис. 1.4.8. Устройство защиты оптической системы от солнечных бликов
приборы ночного видения и тепловизоры, работающие в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн (X = 0,8...1 мкм).
Основное отличие между первыми и вторыми заключается в том, что тепловизоры реагируют на температурный контраст и поэтому принципиально не работают без охлаждения оптического приемника. Именно это обстоятельство говорит за то, что применение тепловизоров в интересах промышленного шпионажа маловероятно — преимущества при таком целевом назначении они дают незначительные, а по массогабаритным характеристикам существенно уступают приборам ночного видения. Так, на* пример, переносной тепловизор Д-4 имеет габариты 195х212х260 мм и массу 3,4 кг, аналогичные характеристики и у прибора ТМ-100. Это, примерно, в 4—10 раз больше, чем у приборов ночного видения, а «легкий и компактный» тепловизионный датчик V3900 (GEC-Masrconi Ltd — Великобритания), вообще имеет массу около 32 кг. Вследствие этого обстоятельства тепловизионные системы здесь рассматриваться не будут.
Главными достоинствами приборов ночного видения являются:
>- возможность наблюдения объекта в полной темноте или в условиях слабой освещенности;
>- меньшее по сравнению с видимой областью спектра затухание электромагнитных волн ИК-диапазона в осадках.
К недостаткам приборов следует отнести:
>- значительно худшую разрешающую способность, связанную с большой длиной волны (человека, например, можно опознать только по силуэту, так как черты лица не распознаются);
>- нечувствительность человеческого глаза к ИК-излучению.
Для того чтобы объединить достоинства оптико-механических приборов и ИК-приборов и устранить (уменьшить) недостатки последних приборы ночного видения строятся по схеме, изображенной на рис. 1.4.9.
Здесь оптико-механическая система аналогична рассмотренным выше оптико-механическим приборам, и именно она определяет такие характеристики прибора, как мгновенный угол поля зрения и кратность увеличения.
Электрооптический преобразователь преобразует ИК-излучение в видимое, выводя его на небольшой встроенный экран. Эта часть устройства принципиально не работает без источника электрического питания, что можно отнести к еще одному из недостатков приборов ночного видения. В качестве устройства фиксации изображения обычно выступает человеческий глаз или фотоаппарат.
Приборы ночного видения могут работать как в пассивном, так и в активном режиме. Пассивный режим применяется при наличии собственного излучения объекта наблюдения и в условиях слабого рассеянного излучения случайных искусственных или естественных источников, уровень которого превышает 10-5 лк (см. рис. 1.4.16). Активный режим используется в условиях полного отсутствия освещения. Он сопровождается применением источника подсветки объекта наблюдения. Таким источником может быть лазер, например полупроводниковый или на стекле с неодимом, или специальный ИК-прожектор. Прожекторы с мощностью излучения до 100—120 Вт функционируют, как правило, от автономных источников с напряжением питания 12 В. Диапазон расстояний, подсвечиваемых такими прожекторами, варьируется в диапазоне 10... 110 м, в зависимости от мощности источника и ширины луча, вид последнего формируется специальными насадками.