Проектирование оптических и оптико-электронных визиров

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
И.М. Илюхин, С.Б. Каледин 
Проектирование оптических  
и оптико-электронных визиров 
Учебное пособие  
1 

УДК 621.384.3 
ББК 32.94 
 
И49 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book1436.html 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
Рецензент 
д-р техн. наук, зав. отделом ГЕОХИ РАН В.Н. Носов  
Илюхин, И. М. 
И49  
 
Проектирование оптических и оптико-электронных визиров : учебное пособие / И. М. Илюхин, С. Б. Каледин. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 
82, [2] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4426-7 
Предложена методика проектирования оптико-электронных и оптических приборов наблюдения (оптических, оптико-телевизионных, тепловизионных и ночных визиров), позволяющая рассчитать и оптимизировать 
параметры их основных функциональных блоков с учетом требований технического задания и возможностей зрительной системы человека-оператора. Расчет параметров визиров сопровождается необходимым для этого 
справочным материалом, примерами и учебными программами для вычисления на ПЭВМ. Рассмотрены особенности работы и исполнения систем 
технического зрения, в состав которых в качестве обязательного функционального блока входят телевизионные и реже тепловизионные устройства 
видения.  
Для студентов кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
  УДК 621.384.3 
 
  ББК 32.94 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4426-7 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
2 

Предисловие 
В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы эскизного проектирования специального класса оптических и оптико-электронных приборов (ОЭП), предназначенных для решения 
наблюдательных задач в различных областях науки и техники.  
По особенностям исполнения и используемого спектрального 
диапазона оптического излучения такие приборы классифицируют 
на оптические визиры (ОВ), оптико-телевизионные визиры (ОТВ), 
тепловизоры (ТпВ) и приборы ночного видения (ПНВ). Особую 
группу ОЭП наблюдения образуют так называемые системы технического зрения (СТЗ), а также лазерные приборы видения 
(ЛПВ), спецификой работы которых является подсветка наблюдаемых объектов, в том числе лазерным излучением.  
В первых четырех главах пособия рассмотрено проектирование 
ОВ, ОТВ, ТпВ и ПНВ, а в пятой — основы функционирования 
СТЗ, так как телевизионные и тепловизионные камеры являются 
обязательной составной частью СТЗ. Особенности работы активных ЛПВ подробно описаны в [1] и в настоящем пособии не приведены. 
Первые четыре главы пособия построены по единому плану: 
кратко обсуждается схемотехника современных приборов наблюдения, приводится справочный материал и примеры расчета соответствующего класса оптико-электронных визиров (ОЭВ). Предлагаемые методики расчета визиров поддерживаются специально 
разработанными учебными программами, позволяющими пользователю выполнить его на персональном компьютере.  
Оптико-электронным визирам присущи следующие определяющие их работу особенности:  
– их используют для решения чисто наблюдательных задач типа опознавания или идентификации удаленных или невидимых 
человеческим глазом объектов; 
3 

– процесс наблюдения реализует человек-оператор, который 
воспринимает визуализированное прибором изображение объекта 
и принимает соответствующее решение по его распознаванию; 
– в них реализуются преобразования типа «оптическое излучение — электрический сигнал — свет». 
Поэтому геометрические и светотехнические параметры приборов наблюдения, в первую очередь экрана дисплея, должны 
быть максимально согласованы (оптимизированы) с возможностями зрительной системы человека-оператора.  
Цель учебного пособия — формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков в области проектирования 
оптико-электронных приборов наблюдения с использованием методов математического моделирования. 
Основными задачами для достижения этой цели являются: 
изучение назначения и принципов действия ОЭП наблюдения, 
методов моделирования этих приборов на функциональнологическом и схемотехническом уровнях; 
решение практических задач, связанных с проектированием 
ОЭП наблюдения совместно с преподавателем; 
самостоятельная проработка литературных источников по 
наиболее важным разделам дисциплины. 
Изучение данного пособия будет способствовать формированию элементов следующих компетенций в соответствии с ОС 
МГТУ им. Н.Э. Баумана по данному направлению. 
Общепрофессиональные компетенции: 
понимает роль математических и естественных наук, способен 
к приобретению новых математических и естественнонаучных 
знаний с использованием современных образовательных и информационных технологий; 
способен использовать основные законы естественнонаучных 
дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы 
математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования; 
способен собирать и анализировать научно-техническую информацию по тематике исследования, учитывать современные 
тенденции развития и использовать достижения отечественной и 
зарубежной науки, техники и технологии в профессиональной деятельности; 
4 

готов использовать компьютер как средство управления информацией, способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях; 
способен использовать языки, системы и инструментальные 
средства программирования в профессиональной деятельности; 
способен пользоваться основными приемами проведения эксперимента, обработки и представления экспериментальных данных; 
готов использовать элементы начертательной геометрии и инженерной графики; способен применять современные программные средства создания и редактирования изображений и чертежей 
и подготовки конструкторско-технологической документации; 
способен использовать методы расчета и проектирования элементов и устройств, основанных на различных физических принципах действия; 
способен к профессиональной эксплуатации оптико-электронного оборудования. 
Компетенции в проектно-конструкторской деятельности: 
способен осуществлять анализ состояния научно-технической 
проблемы, определять цели и выполнять постановку задач проектирования; 
способен осуществлять проектирование конструкций оптикоэлектронных средств с применением современных САПР и пакетов прикладных программ; 
способен к анализу поставленной проектной задачи в области 
оптотехники на основе подбора и изучения литературных и патентных источников; 
готов к участию в разработке функциональных и структурных 
схем на уровне модулей узлов и элементов оптической техники по 
заданным техническим требованиям; 
способен применять современную элементную базу электротехники, электроники и микропроцессорной техники при разработке систем, приборов и узлов оптотехники; 
готов к разработке, составлению и использованию отдельных 
видов технической документации на детали, сборочные единицы. 
Выпускник МГТУ им. Н.Э. Баумана по направлению подготовки «Электронные и оптико-электронные приборы и системы 
специального назначения» программы специалитета, для которого 
в основном предназначено данное учебное пособие, должен обла5 

дать следующими профессионально-специализированными компетенциями: 
способен проводить математическое моделирование оптикоэлектронных приборов и систем специального назначения на базе 
стандартных пакетов автоматизированного проектирования оптико-электронных систем; 
способен рассчитывать и проектировать основные детали и узлы оптических и оптико-электронных приборов и систем, предназначенных для научных исследований, ориентации и навигации, 
высокоточных линейных и угловых измерений, обработки информации; 
способен использовать волоконные и интегрально-оптические 
элементы для специальных оптико-электронных систем; 
способен разрабатывать оптико-электронные системы обработки изображений и распознавания образов. 
6 

Список основных сокращений 
АРЯ 
— автоматическая регулировка яркости  
ВКУ 
— видеоконтрольное устройство 
ЕНО 
— естественная ночная освещенность 
ЗС 
— зрительная система 
КПВС — канал передачи видеосигнала 
ЛПВ 
— лазерные приборы видения 
МКУЯ — микроканальный усилитель яркости 
МПИ — матричный приемник излучения 
МПФ — модуль передаточной функции 
ОВ 
— оптический визир 
ОМС — оптико-механическое сканирование 
ОПФ — оптическая передаточная функция 
ОС 
— оптическая система 
ОТВ 
— оптико-телевизионный визир 
ОЭВ 
— оптико-электронный визир  
ОЭП 
— оптико-электронный прибор 
ПИ 
— приемник изучения 
ПНВ 
— приборы ночного видения 
ПФ 
— передаточная функция 
СТЗ 
— система технического зрения 
ТК 
— телевизионная камера 
ТМ 
— телевизионный монитор 
ТпВ 
— тепловизор 
ТПИ 
— телевизионный приемник излучения 
ФВК 
— функция взаимной корреляции 
ФПС — фотоприемная система 
ФПУ — фотоприемное устройство 
ЭТ 
— электронный тракт 
 
7 

Глава 1. Оптические визиры 
Для решения различных наблюдательных задач в условиях визуальной видимости (днем или в сумерках) активно используются 
оптические визиры (ОВ) (зрительные трубы, бинокли, охотничьи 
прицелы и т. п.), характеризуемые высокими техническими показателями и потребительскими качествами.  
В настоящее время такие ОВ, выполненные в виде моно- или 
бинокулярной телескопической системы, дополнительно оснащаются встроенным в них лазерным дальномером. Это позволяет 
осуществлять с их помощью поиск и опознавание интересующих 
наблюдателя объектов (т. е. определять направление на них), а 
также измерять дальность до объекта и даже радиальную скорость 
его перемещения с выводом полученных результатов на специальный экран в поле зрения визира.  
Формируемое оптическим или оптико-электронным визиром 
(ОЭВ) изображение пространства предметов воспринимается зрительной системой (ЗС) человека-оператора, который принимает 
решение по распознаванию интересующего его объекта. Поэтому 
основные параметры любого типа визиров, рассчитываемые на 
этапе проектирования, должны определяться с учетом возможностей ЗС оператора. 
1.1. Зрительная система человека  
и ее возможности  
Зрительная система человека — сложный самонастраивающийся физиологический орган, посредством которого он получает 
более 90 % всей информации об окружающем мире благодаря регистрации электромагнитного излучения в относительно узком 
спектральном диапазоне длин волн 0,38…0,78 мкм. 
Зрительный анализатор объединяет собственно глаз, зрительные нервы и клетки затылочной части коры головного мозга, где 
8 

происходит восприятие созданного глазом изображения наблюдаемого пространства и его анализ. Глаз осуществляет преобразование этого изображения светочувствительным приемником — 
сетчаткой, состоящей из фоторецепторов двух видов: палочек и 
колбочек. Они поглощают оптическое излучение видимой области спектра и преобразуют принятый оптический сигнал в нервные импульсы, которые по зрительным нервам передаются в головной мозг. 
Глаз состоит из глазного нерва, заполненного стекловидным 
телом, прозрачным в видимой и ближней ИК области спектра, и 
зрительного нерва с его оболочками. В передней части глазного 
яблока расположена выпуклая прозрачная оболочка — роговица, а 
за ней радужная оболочка, в центре которой находится зрачок. 
Мышцы радужной оболочки автоматически под действием сигналов из коры головного мозга обеспечивают регулировку диаметра 
зрачка в диапазоне 2…8 мм в зависимости от средней яркости 
наблюдаемого изображения: по мере уменьшения яркости диаметр 
зрачка увеличивается. К мышечному элементу прикреплен хрусталик, который формирует изображение наблюдаемых объектов на 
сетчатке, образующей внутреннюю поверхность глазного яблока. 
Хрусталик может менять кривизну своих поверхностей, за счет 
чего создаваемое им изображение объектов независимо от их удаленности в пределах от  до 150 мм всегда совмещается с сетчаткой. Сетчатка представляет собой мозаику фоточувствительных 
элементов — палочек и колбочек, которые воспринимают сформированное хрусталиком изображение, преобразуют его в нервное 
возбуждение и направляют их в мозг. 
Зрительная система человека обладает свойством настройки в 
соответствии с внешними условиями: 
– направление глаз на наблюдаемый объект (поиск) осуществляется с помощью глазодвигательных мышц;  
– резкое изображение на сетчатке разноудаленных объектов 
создается благодаря изменениям кривизны поверхностей хрусталика (аккомодация);  
– количество света, попадающего в глаз, регулируется диаметром зрачка и изменением чувствительности фоторецепторов в 
процессе их приспособления (адаптации) к средней яркости 
предъявляемого ЗС изображения. 
9