Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор светосильных объективов ОЭП 13
1.1. Объективы ПНВ 13
1.2. Объективы тепловизионных приборов 34
Выводы по первой главе 43
2. Разработка и исследование светосильных оптических систем, работающих в диапазоне 0,6 - 0,9 мкм 44
2.1. Учет влияния внешних условий, состояния подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы при формировании изображения объекта на фотокатоде ЭОП 44
2.2. Обоснование требований к ЧКХ объектива ПНВ 53
2.3. Исследование базовых двухлинзовых схем ахроматических объективов с исправленной сферической аберрацией 56
2.3.1. Развитие относительного отверстия объектива 106
2.4. Экспериментальная проверка теоретических рассуждений 113
Выводы по второй главе 119
3. Разработка светосильных оптических систем, работающих в тепловизионных приборах 121
3.1. Влияние внешних условий среды, спектрального диапазона работы, характеристик приемника излучения и условий наблюдения на качество изображения 121
3.2. Согласование пятна рассеяния, создаваемого объективом с размерами пикселя матричного ФПУ в тепловизионных приборах «смотрящего» типа и оценка разработанных объективов 132
3.3. Разработка объективов с переменным фокусным расстоянием 140
Выводы по третьей главе 154
Заключение 155
Список используемых источников 160
Приложения 166
- Объективы тепловизионных приборов
- Обоснование требований к ЧКХ объектива ПНВ
- Согласование пятна рассеяния, создаваемого объективом с размерами пикселя матричного ФПУ в тепловизионных приборах «смотрящего» типа и оценка разработанных объективов
- Разработка объективов с переменным фокусным расстоянием
Введение к работе
Наибольшую часть информации об окружающем мире человек получает через зрение. Эта возможность вытекает из того фундаментального положения, что любой объект, имеющий температуру выше температуры абсолютного нуля, излучает в пространство энергию. Улавливая и преобразовывая эту энергию можно судить о протекании различных процессов, связанных с данным объектом. Наиболее естественным и удобным способом восприятия информации об объекте является визуальный способ. С помощью зрения человек может ориентироваться в пространстве, контролировать внешнюю и внутреннюю среду, исследовать и управлять различными процессами, происходящими в социальной и научно - технической сферах.
Однако, процесс активного восприятия информации с помощью зрения возможен только в довольно узком диапазоне электромагнитного излучения. Участок длин волн, доступный для непосредственного восприятия светочувствительными элементами сетчатки глаза человека без каких - либо промежуточных преобразований, лежит в границах от 0,380 до 0,76 мкм. Такие границы не случайны, ибо, нижняя граница солнечного излучения, достигающего земной поверхности лежит в области длин волн 0,29 мкм и приспособленность глаза к лучам с меньшей длиной волны ничем не обоснована. Более того, если бы рецепторов сетчатки достигало ультрафиолетовое излучение с длинами волн менее 0,38 мкм, то при долгом воздействии оно было бы способно вызвать ослепление, т.к. ультрафиолет вызывает разрушение органических веществ. С другой стороны, если бы сетчатка воспринимала более длинноволновое чем 0,76 мкм излучение, то под воздействием собственного излучения внутренней поверхности глаза человек был бы в буквальном смысле ослеплен, и как биологический вид не смог бы нормально функционировать в окружающем его мире. Таким образом, приспособленность человека к восприятию излучения с длинами волн 0,38 - 0,76 мкм биологически оправдана и отвечает требованиям по обеспечению его жизнедеятельности и, в то же время, согласованна с самым мощным
источником излучения - Солнцем, до 50% излучения которого приходится на видимый диапазон.
К сожалению, рациональное использование зрительных функций возможно только при условии достаточной освещенности, т.е. в светлое время суток или при использовании внешнего источника подсветки. В темное время суток или при сложных условия наблюдения (дождь, снег, различные дымы и туманы и т.д.) возможности зрения резко ограничиваются. Для того, чтобы преодолеть эти ограничения, применяют различные виды оптико-электронных приборов (ОЭП), построенных на усилении слабых световых потоков, исходящих от исследуемого объекта или лежащих в области длин волн, недоступных прямому восприятию с последующим преобразованием данного излучения в видимое.
Первый класс приборов, выполняющих эту функцию - приборы ночного видения (ПНВ) - работают по отраженному от объекта свету Солнца и звезд. К другому классу относят тепловизизоры, воспринимающие собственное излучение объектов и также преобразующие его в форму, удобную для восприятия. Основным узлом прибора будь то тепловизор или прибор ночного видения является приемник изображения, исходя из параметров которого определяют возможные тактико-технические характеристики проектируемой системы. Применяемые до недавнего времени приемники обладали из-за несовершенства технологии изготовления не всегда достаточно высоким качеством изображения - низкой разрешающей способностью, малым отношением "сигнал / шум", а приемники тепловизионных приборов - большими размерами единичного элемента и т.д. От системы формирования изображения не требовалось качества, близкого к идеальному, так как приемник огрублял полученное изображение и совершенствование оптической системы не приносило результата, сопоставимого с затратами на такое улучшение.
Технологический скачок, наблюдаемый в настоящее время, привел к появлению приемников изображения, приближающихся по своим качественным характеристикам к предельно возможным. Теперь для того, чтобы в полной ме-
ре обеспечить выполнение заданных в техническом задании параметров, оптическая часть системы должна иметь максимально достижимые характеристики. Получается обратная ситуация — приемник в состоянии обеспечить качественное изображение, но система формирования изображения очень часто "не дотягивает" по своим характеристикам до нужного уровня. Такая парадоксальная ситуация складывается, по большей части из-за того, что разработчики оптических систем, зачастую поставленные в жесткие временные и финансовые рамки, не имеют возможности находить лучшее решение поставленной задачи и используют старые схемные решения, разработанные для приборов и систем, использующих приемники изображений предыдущих поколений. Применение, без существенной модернизации оптических систем объективов, работающих совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) ранних поколений и формирующих изображение приемлемого качества практически не оправдывает себя, так как такие объективы получаются несогласованными по параметрам с современными ЭОП 11+ или III поколений. Более того, повышение разрешающей способности ЭОП III поколения до 75 мм"1 заставляет разрабатывать объективы с заведомо большим разрешением, т.к. итоговая разрешающая способность системы "объектив + ЭОП" зависит и от разрешающей способности объектива, и от ЭОП. И если разрешение объектива будет меньше чем разрешение ЭОП, то ОЭП, в конечном итоге, не сможет полностью использовать все те преимущества приемника, которые последний предоставляет.
Следует отметить что отечественные ЭОП пока уступают ЭОП зарубежных производителей по разрешающей способности. Следовательно, для того чтобы обеспечить одинаковое качество изображения объектив для работы с отечественным ЭОП должен соответствовать более жестким допускам, чем если бы применялся зарубежный.
Очень трудно получить систему, которая наилучшим образом удовлетворяла всем предъявляемым условиям. Основное требование, применяемое к оптической системе, заключается в создании объектива с большим относительным отверстием для того, чтобы приемник воспринимал как можно больший
поток излучения от объекта, что очень важно в темное время суток или при сложных условиях наблюдения. Часто ставится требование по обеспечению относительно большого поля зрения системы. Для удовлетворения этим требованиям объектив должен иметь весьма внушительные размеры.
Известно, что при отсутствии ограничений на количество можно создать оптическую систему, отличающуюся высоким качеством изображения. Для малогабаритных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне спектра эти возможности ограничены: количество элементов должно быть минимальным, с целью снижения массы прибора; выбор необходимых марок материала затруднен особенностью преломления в ИК диапазоне или физико-химическими свойствами самого материала. Комбинируя различные марки материалов, можно получить систему с исправленным хроматизмом, который, как известно, является одной из основных причин, препятствующих получению изображения высокого качества. Для видимой области составлены таблицы ахроматических пар, но для работы в диапазоне 0,6 - 0,9 мкм (основная область работы большинства ПНВ) таких данных, к сожалению нет. Поэтому разработчик, обладая заданным набором марок материалов, вынужден тратить время на определение наилучшего их сочетания и определения оптимальных параметров линз, получающихся при этом. Данный процесс может занять довольно длительное время, что в условиях современного производства не всегда приемлемо.
Объективы для работы в ПНВ относятся к категории сверхсветосильных и поэтому влияние остаточных аберраций, снижающих качество изображения, здесь особенно заметно. Аберрации приводят к снижению четкости изображения, обеспечению которой придается гораздо большее значение, нежели другим оптическим характеристикам. Другим требованием является предел разрешения. Может показаться, что если объектив имеет высокое разрешение, то он обеспечивает хорошее качество изображения совместно с ЭОП. Однако, к объективам ПНВ это допущение не применимо - разрешающая способность и четкость должны рассматриваться как разные характеристики.
Высокосветосильные и сверхвысокосветосильные компактные оптические системы трудно рассчитать и еще труднее изготовить без существенного снижения качества изображения, неизбежного при массовом производстве таких объективов. Здесь следует заметить, что понятие "качество", примененное к оценке изображения не имеет однозначного толкования и носит, по большей части, субъективный характер, ориентированный на конкретный тип ОЭП. Известны критерии качества, основанные на критериях Рэлея, Штреля, Марешаля, на допустимых остаточных аберрациях и т.д. Наиболее полным на сегодняшний день является критерий, основанный на оценке оптической передаточной функции (ОПФ ил ЧКХ), при этом оптическая система представляется как фильтр пространственных частот и ее влияние на качество изображения может быть описано кривой пропускания этих частот. Ясно, что кривая пропускания пространственных частот оптической системой должна быть согласована с кривой восприятия тех же частот приемником. Также следует сказать (для частного случая), что сложно найти в литературных источниках опубликованные данные, в которых произведен анализ влиянии сферохроматической аберрации на качество изображения объективов, работающих в области спектра 0,6 - 0,9 мкм и были бы приведены данные, способствующие выбору материалов, уменьшающих влияние сферохроматизма.
При разработке объективов работающих совместно с матричными приемниками изображения в спектральном диапазоне 8-14 мкм нужно учитывать то, что собственное тепловое излучение механической и оптической частей объектива не должно влиять на распределение освещенности в плоскости изображения.
Современные тепловизоры являются сложными и дорогостоящими оптико-электронными системами. По сравнению с ПНВ пассивного типа тепловизоры обладают рядом достоинств, в частности: полной независимостью от уровня освещенности объекта, гораздо большей дальностью действия, безотказной работой в условиях слепящих засветок, возможностью обнаружения замаскированных транспортных средств и засад и т.д. Помимо военных целей тепловизи-
онные методы наблюдения и контроля в настоящее все увереннее применяются для решения сугубо мирных задач: выявление различных патологических процессов в медицине, охране природы, обнаружению людей под завалами, контроля технологических процессов и дефектоскопии на производстве, неразру-шающего дистанционного контроля различных конструкций и сооружений и т.д. Список применения тепловизионных систем стремительно расширяется. Все это стало возможным благодаря тому, что на данном этапе развития техники появились технологии, позволяющие разрабатывать и производить приемники инфракрасного излучения, размеры и технические характеристики которых позволяют создавать малогабаритные приборы с высоким быстродействием и, зачастую, не нуждающиеся в охлаждении до глубоких криогенных температур. Благодаря разработке и применению матричных приемников ИК излучения стало возможным, в ряде случаев, отказаться от сканирующего устройства без потери качества изображения. Разрабатываются тепловые приемники ИК излучения основанные на различных принципах регистрации теплового излучения: собственные детекторы, примесные детекторы, фотоэмиссионные детекторы, детекторы с квантовыми ямами.
Для реализации всех потенциальных возможностей приемника по регистрации теплового излучения необходима соответствующая оптика. Как правило, большинство объективов, разрабатываемых для работы в тепловизионной аппаратуре имеют относительное отверстие от 1:1. Качество тепловизионного изображения принято оценивать по критерию Джонсона - числу пространственных периодов миры, укладывающихся в критический размер объекта, вдоль которого ведется анализ изображения. В зависимости от решаемой задачи число Джонсона изменяется от 6, что необходимо для обнаружения объекта в поле зрения прибора до 36 - для его идентификации. Отсюда можно определить разрешение, которое должна иметь система формирования-изображения.
Для решения задач по обнаружению, опознаванию или идентификации объекта от оптической системы требуются разные характеристики которые, однако, желательно изменять в течение коротких временных промежутков. По-
этому объективы тепловизоров стараются разрабатывать с возможностью смены увеличения - дискретного или непрерывного. Трудности при разработке таких объективов заключаются в сохранении постоянства величины относительного отверстия, стабильности качества изображения, сохранении приемлемых габаритов системы и обеспечении простой функции перемещения компонентов.
Расчет объективов со сменой увеличения намного сложнее, чем расчет обычных типов объективов, прежде всего из-за того, что для обеспечения качественного изображения при разных фокусных расстояниях требуется разное количество элементов, которые могут положительно влиять на качество при одном фокусном расстоянии, но при переходе к другому фокусу их влияние может стать отрицательным. Для того чтобы избежать подобного негативного влияния, смену увеличения можно проводить введением дополнительных элементов в ход пучка лучей в объективе, однако габариты получающейся при этом системы не позволяют создать компактный прибор.
Таким образом, очерчен круг проблем, с которыми сталкивается разработчик оптических систем при расчете светосильной оптики для ПНВ и тепло-визионных приборов. Решению этих вопросов и посвящена данная диссертация. Целью диссертационной работы является исследование и разработка светосильных объективов малогабаритных оптико-электронных наблюдательных приборов.
На защиту выносятся следующие научные и практические результаты работы.
Научные результаты работы:
Исследованы базовые двухлинзовые компоненты с исправленной хроматической аберрацией, работающие в спектральном диапазоне 0,6 - 0,9 мкм. Составлена таблица двухлинзовых компонентов-ахроматов с исправленной сферической аберрацией и указанием оптических сил линз объектива.
Предложен критерий оценки качества изображения объектива ПНВ в системе "объектив + ЭОП", исходя из качества ЭОП, заявленного изготовителем.
Предложено рациональное, с точки зрения критерия «сложность конструкции / качество изображения», соотношение между размерами предельно допустимого пятна рассеяния объектива и светочувствительного пикселя приемника излучения.
Разработаны оригинальные оптические схемы объективов с дискретной сменой фокусного расстояния с одним и двумя подвижными компонентами, обеспечивающие стабильность относительного отверстия, размера апертур-ной диафрагмы и длины объектива, а также телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Приведены варианты панкратических объективов.
Практические результаты работы:
Выполнены расчеты серии светосильных объективов для работы в современных ПНВ и тепловизионных приборах:
базовых двухлинзовых компонентов, исправленных в отношении хроматической и сферической аберраций, и предназначенных для создания на их основе светосильных объективов ПНВ;
светосильных объективов с величиной относительного отверстия от 1:1,4 до 1:1,2, предназначенных для формирования изображения на линейке светочувствительных элементов;
светосильных объективов, в том числе с увеличенным полем зрения, предназначенных для работы в ПНВ и очках ночного видения;
светосильные объективы с дискретной сменой увеличения, предназначенные для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8-14 мкм, фокусное расстояние которых изменяется в пределах/ = 30 - 90 мм,/ = 40 - 120 мм,/ = 60-180 мм;
- двухкомпонентного четырехлинзового светосильного объектива с двумя
асферическими поверхностями, вынесенным зрачком и промежуточным изо
бражением, предназначенного для работы в тепловизионном приборе;
светосильного панкратического объектива, фокусное расстояние которого изменяется от 60 до 240 мм, предназначенного для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8 — 14 мкм;
группы базовых светосильных объективов с двумя, тремя и четырьмя оптическими элементами, предназначенных для создания на их основе систем с увеличенным полем зрения и/или относительным отверстием.
светосильный проекционный объектив с изменяемым линейным увеличением, работающий в спектральном диапазоне 0,83-0,96 мкм, предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОПIII поколения.
Реализация результатов.
объектив с полем зрения 2со = 40 и относительным отверстием D/f =1 : 1.15 запущен в серийное производство для очков ночного видения, выпускаемых ОАО "Катод" (г. Новосибирск)
светосильный объектив с фокусным расстоянием 205 мм, диаметром входного зрачка 100 мм, задним фокальным отрезком 16 мм, предназначенный для работы в оптико-электронных приборах определения координат объекта в диапазоне 0,6 - 1 мкм использован в Сибирской государственной геодезической академии при проведении поисковой НИР «Сеть - Геодезия», выполняемой в рамках Гособоронзаказа НИЛ ПОЭСТ НИС СГГА по Государственному контракту № 1262 от 20.05.02г
светосильный проекционный объектив с изменяемым полем зрения, работающий в спектральном диапазоне 0,83 — 0,96 мкм, предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОП III поколения использован в производственной деятельности ООО «Экран ФЭП»;
Акты о внедрении результатов диссертационной работы приведены в Приложении В.
Объективы тепловизионных приборов
Одним из отличий тепловизионных приборов от приборов ночного видения является то, что они регистрируют не только отраженное, но и собственное тепловое излучение объекта, границы которого обычно делят на два интервала: а) средний ИК диапазон 3-5 мкм и б) дальний ИК диапазон 8-14 мкм. Указанные диапазоны обладают рядом преимуществ по сравнению с видимым и ближним инфракрасным диапазонами, а именно — большей дальностью видения в условиях пониженной прозрачности атмосферы, работой при больших перепадах интенсивности излучения (работает как фильтр), хорошим пропусканием атмосферой. Фиксируя температуру каждого элемента приемника излучения и обрабатывая полученные сигналы, тепловое излучение преобразуются в тепловизоре в видимое. Практически все области применения тепловизоров относятся к военной технике, оставляя гражданскому сектору лишь небольшую часть. Связано это, прежде всего, с высокой ценой таких приборов, в частности основных их узлов: приемника излучения (с устройством охлаждения или без него) и объектива. Несомненным преимуществом обладают приборы, работающие в нескольких спектральных интервалах одновременно, однако они сложны в изготовлении, имеют высокую стоимость. Принципиально существует три пути при построении многоспектральных систем [6]: 1. Комплексированные системы - система объединяется чисто конструктивно из нескольких самостоятельных приборов. 2. Комбинированные системы - система состоит из двух и более каналов, объединенных в единый корпус и имеющих общие для всех каналов элементы. 3. Интегрированные системы — комбинированные приборы с использованием единого интегрированного изображения, полученного на основе суммирования изображений отдельных каналов и представления его на едином индикаторе в синтезированном виде.
При первом способе построения система получается весьма громоздкой, имея вдобавок низкий КПД из-за работы только тех каналов, которым в данный момент благоприятствует состояние атмосферы (прозрачность, влажность и т.д.). Второй способ также не лишен недостатков: из-за наличия нескольких приемников изображение приходится разводить по разным каналам, увеличивая тем самым габариты прибора. Наиболее рациональным представляется третий путь, при котором сигнал на выходе прибора является суммой сигналов, полученных по разным входам.
Соответствие визуализированной тепловой картины реальному процессу зависит, в первую очередь, от параметров ФПУ (размеры и форма пикселей, формат приемника, минимальная разрешаемая разность температур и т.д.). С точки зрения оптики интерес представляют лишь геометрические параметры ФПУ - размер пикселя и формат ФПУ. При современной технологии изготовления ФПУ стандартный размер светочувствительного элемента получается в пределах 15-35 мкм, в зависимости от диапазона работы прибора. Пятно рассеяния объектива должно иметь размер, сравнимый с размерами единичного элемента приемника. Также как и в ПНВ, объективы тепловизионных приборов должны иметь максимально возможную светосилу для обеспечения необходимой дальности работы прибора, обеспечивать равномерную освещенность и качество изображения по всему полю зрения, и в ряде случаев изменяемое фокусное расстояние.
К некоторым неудобствам работы в интервале 3 — 14 мкм относится недостаточно широкий выбор оптических материалов, прозрачных в указанной области спектра и пригодных для работы в полевых условиях, повышенная чувствительность оптических компонентов к изменению температуры окружающей среды, введением в оптическую систему охлаждаемых диафрагм с целью повышения температурной разрешающей способности. С этими недостатками можно мириться до определенной степени, в отличие от аберраций, от которых следует избавляться или как-то их компенсировать.
Помимо аберраций в плоскости изображения могут наблюдаться другие нежелательными эффекты, с которыми приходится сталкиваться при работе в среднем и дальнем РЖ-диапазонах: эффект нарцисса, двоение изображения, экранирование части поля зрения при использовании зеркальных или зеркально-линзовых систем. Избавиться от центрального экранирования возможно только отказавшись от идеи центрированности оптической системы, т.е. наклоном главного зеркала на определенный угол [19, 28, 69], но при этом в системе возникают специфические аберрации децентрированных систем, устранение которых требует особых методов расчета оптической части прибора.
Часто для исправления хроматизма в системах, работающих в интервале 8-14 мкм, на преломляющие поверхности линз наносят дифракционные эле менты. В ряде систем для уменьшения количества компонентов преломляющим поверхностям придают асферические формы. Во многих системах для умень шения диаметра первого компонента входной зрачок располагают в непосред ственной близости от этого компонента или непосредственно на нем. Величина углового поля в пространстве объектов определяется геометри ческими размерами ФПУ и во многих случаях имеет разные значения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При наличии в системе сканирующего устройства поле зрения прибора будет определяться углом поворота и мгновенным полем зрения сканера. Из-за высокого температурного коэффициента показателя преломления применяемых материалов приборы, работающие в среднем и дальнем ИК -диапазонах, имеют компенсационные механизмы. Методы температурной компенсации делятся на активные и пассивные. К активным относится ручная и механическая подфокусировка плоскости изображения. К пассивным - подбор материалов линз и оправ системы таким образом, чтобы суммарное изменение фокусного расстояния равнялось нулю во всем диапазоне рабочих температур прибора. Как правило, объективы, предназначенные для работы в тепловизионной аппаратуре, состоят из одиночных менисков, разделенных воздушными промежутками. Необычные значения оптических постоянных ряда материалов позволяют создавать системы с хорошим качеством и малым числом элементов (рис. 1.2.1-1.2.6).
Обоснование требований к ЧКХ объектива ПНВ
Определим влияние объектива на качество изображение объекта в системе "объектив + ЭОП". В качестве интегральной характеристики используем ЧКХ и проследим ее изменение во всем диапазоне пространственных частот работы ЭОП. Результирующая ЧКХ ОЭП является результатом произведения ЧКХ его передаточных звеньев (объектив, ЭОП и т.д.). В частности, результирующая ЧКХ системы "ЭОП + Объектив" Г(У)эоп+об является результатом произведения ЧКХ ЭОП Г(у)эоп и ЧКХ объектива T(v)o6 во всем диапазоне пространственных частот работы ЭОП от нуля до граничной частоты \ ф
Анализируя представленные в научно - технической литературе и рекламных каталогах фирм — производителей данные по разрешающей способности электронно-оптических преобразователей, построим модель ЭОП, разрешающая способность которого в целях упрощения и сокращения расчетов ограничена величиной 50 мм"1. ЧКХ этой модели ЭОП можно описать следующей функцией
Из (6) принимая, что при уровне контраста Т= 0,1 разрешение ЭОП составляет Уэоп = 50 мм"1, вычислим значение параметра а. Далее по полученным данным построим график ЧКХ ЭОП Т(уэои) в диапазоне пространственных частот у= 0 - 50 мм"1 (рис.2.2.1). С целью определения допустимого падения разрешающей способности системы в целом на этот же график наносятся кри В таблице 3 приведены числовые значения ЧКХ объектива 7Ху)05 при которых ЧКХ системы "ЭОП + Объектив" ЛУЬоп+об будет иметь значения 0,9Т(у)эол, 0,%Т(У)ЭОП .0АТ(У)ЭОП- Величины Т(у)эоп+об 0,4Т(у)эоп не представляют практического интереса из-за малого разрешения и низкого уровня контрастности изображения.
Итак, выведены требования к качеству изображения, которым должен удовлетворять объектив ПНВ в зависимости от требований к качеству изображения и характеристик применяемого ЭОП. Принимая, что в самом худшем случае снижение разрешающей способности ПНВ не должно составлять 20 % от разрешающей способности ЭОП, получим, для рассматриваемого ЭОП, что разрешающая способность объектива в центре поля зрения должна быть не менее v = 40 мм"1 при уровне передачи контраста T(v) = 0,44, при снижении разрешающей способности ПНВ на 10% разрешение объектива должно быть не менее v = 40 мм 1 при уровне передачи контраста T(v) = 0,7.
Как было отмечено в первом разделе, число Джонсона для 100% вероятности обнаружения цели составляет менее 6. Уменьшение количества выделяемых штрихов на изображении характерного размера объекта ведет к уменьшению вероятности его обнаружения. Поэтому, для решения разных задач требуются оптические системы с разными характеристиками. Так, для задачи только обнаружения объекта система должна иметь максимально возможную дальность действия. В связи с этим объектив при наблюдении точечных объектов должен иметь наибольший диаметр, а при наблюдении протяженных - наибольшее относительное отверстие. При этом качество изображения такой системы может быть существенно ниже, чем при.решении задач идентификации, при решении которой требуется высочайшая четкость в изображении деталей объекта, «отодвигая» дальность действия прибора на второй план. Соответственно объектив должен обеспечивать требуемое качество изображения, а величину относительного отверстия можно уменьшить. Системы, решающие задачу или комплекс задач по распознаванию объекта, должны иметь как качественное изображение по всему полю зрения, так и сравнительно большую дальность действия.
Оптические системы, применяемые в ПНВ, имеют высокую светосилу с целью максимально полного использования излучения от объекта, большая часть которой лежит в инфракрасной области спектра, т.е. области недоступной прямому наблюдению невооруженным специальными приборами глазом. Большое относительное отверстие таких типов оптических систем определяет высокие требования к их сборке и юстировке из-за малой величины глубины резкости d в пространстве изображений, которая может быть оценена по формуле и в случае D/f = 1:3 составляет 27 мкм, в случае D/f = 1:2 - 12 мкм, а при величине относительного отверстия D/f =1:1 глубина резкости будет всего 3 мкм, т.е. меньше величины кружка рассеяния. Кроме того, система должна работать по целям, расположенным на разных расстояниях от прибора. Вычислим по формуле минимальное (гиперфокальное) расстояние LMUHt на котором объект еще будет изображаться резко для представленных выше трех систем с разной величиной относительного отверстия. Результаты расчетов приведены в таблице 4.
Согласование пятна рассеяния, создаваемого объективом с размерами пикселя матричного ФПУ в тепловизионных приборах «смотрящего» типа и оценка разработанных объективов
Разрешающую способность тепловизионного прибора при работе с протяженными объектами традиционно оценивают по разрешению двух близко расположенных линий конечной ширины. При решении задачи обнаружения на предельных дистанциях объект имеет малую протяженность по всем направлениям и чаще всего представляется в виде геометрической точки. Поэтому определение разрешающей способности прибора, работающего в режиме обнаружения целей, следует проводить по диску малого диаметра. В этом случае единственной информацией, которую можно получить с помощью прибора, является определение положения источника. Для этого система должна с максимальной определенностью ответить на вопрос: является ли данное точечное изображение изображением объекта или это флуктуация шума. Как следствие этой задачи система должна различать (разрешать) два близкорасположенных точечных источника. Для этого требуется, чтобы существовала минимально необходимая разница яркостей между двумя соседними элементами, лежащими на поверхности объекта или изображения. Иными словами, необходим минимальный контраст между точкой объекта (изображения) и окружающим ее фоном. Если такого контраста нет, то разрешить два элемента поверхности, какими бы яркими они не были, не представляется возможным.
Однако в случае двух близкорасположенных источников можно предположить наличие двух объектов в данном месте пространства, даже если на изображении нет характерной разницы в яркостях и объекты изображаются в виде одной светящейся точки. В этом случае точечное изображение будет иметь характерную овальную форму, по которой можно предположить о возможном присутствии второго излучающего источника. Изображение с высоким уровнем контраста способно передать практически без искажений все подробности объекта. Параметры воспринимаемых деталей, представляющих интерес для наблюдения (их цвет, форма, распределение яркости и т.д.) бесконечно разнообразны, поэтому критерии разрешающей способности предложены лишь для некоторых простейших случаев: различно ориентированные периодические структуры, граница светлого и темного полей, точечный объект и протяженный объект (линия) на равномерном фоне. Не существует единого и точного условия, выполнение которого гарантировало бы 100% разрешение двух близкорасположенных источников излучения любым наблюдателем, независимо от его уровня подготовки и условий наблюдения. Сильное влияние на разрешающую способность оказывает характер распределения энергии (треугольное, П - образное, дифракционное и так далее) излучения в пятне рассеяния, формируемом объективом, которое, в свою очередь, зависит от величины остаточных аберраций и дифракции. По сути, характер распределения интенсивности излучения в изображении объекта связан с величиной отношения сигнал / шум, и возможность различить два точечных объекта существенно зависит от их отношения [37]. Критерии, не принимающие в расчет шумы, субъективны, но, тем не менее в первом приближении пригодны для оценки качественных характеристик разрабатываемой аппаратуры.
Разрешающую способность тепловизионного прибора следует согласовывать с размерами единичного элемента светочувствительного приемника. В работе [38] предлагается рассчитывать оптическую систему тепловизора таким образом, чтобы размер кружка рассеяния объектива был в два раза больше, чем размер единичного элемента приемника, что, по мнению авторов, позволяет достичь минимального температурного разрешения прибора на местности. По данным [75]: «совершенствование неохлаждаемых многоэлементных приемников излучения и технологии их изготовления стало приводить к тому, что наиболее существенной составляющей в структуре цены на ИК-систему с таким приемником с конца 90 годов часто является стоимость оптической системы». Представляется интересным вывести критерий, выполнение которого позволит оптимально соотносить между собой размеры пятна рассеяния, которые определяются сложностью изготовления и, соответственно, стоимостью оптической системы и одиночного пикселя в тепловизионнои системе с матричным ФПУ без микросканирования.
Для этого предположим, что имеется в пространстве объектов два близкорасположенных источника некогерентного излучения. Оптическая система собирает поступающий от этих источников поток излучения и формирует на приемнике изображение. Предположим также, что распределение освещенности в кружке рассеяния соответствует дифракционному, а «перемычка» между центральными максимумами в изображении двух источников составляет 5%, т.е. соответствует предельному контрасту для обнаружения объекта. Наименьший элемент, который можно распознать в изображении объекта, ограничивается размерами единичного пикселя. Для оптимального использования фоточувствительного элемента необходимо стремится к тому, что бы вся его площадь была полностью засвечена падающим излучением, причем на один элемент приемника приходился один элемент разложения объекта. Для реализации этого условия необходимо так рассчитать фокусирующую оптическую систему (объектив), чтобы размер кружка рассеяния был сравним с размером единичного пикселя приемника (рис. 3.2.1а). Известно, что при увеличении размеров кружка рассеяния за счет абераций в нем происходит перераспределение световой энергии, при этом часть энергии из центрального максимума уходит в порядковые максимумы. Если размер кружка рассеяния больше размера элемента, то энергия порядковых максимумов будет распределяться по соседним элементам, ухудшая светораспределение на поверхности приемника, что приводит к уменьшению контраста и, в конечном итоге, к падению разрешающей способности. Если диаметр D пятна рассеяния соответствует гипотенузе между сторонами элемента, то такой кружок будет гарантированно закрывать всю площадь светочувствительного пиксела, а часть энергии распределится по соседним элементам (рис. 3.2.16).
Разработка объективов с переменным фокусным расстоянием
Смена увеличений в оптико-электронных приборах осуществляется либо перемещением компонентов вдоль оптической оси, либо введением в оптическую систему дополнительных элементов. По степени коррекции аберраций, качеству получаемых изображений второй способ предпочтительнее; при жестких массогабаритных ограничениях целесообразнее использовать первый. Многие системы со сменой увеличения имеют компоненты, преломляющие поверхности которых отличаются от сферических (дифракционные, конические, параболоидальные и др.). При смене увеличения может происходить изменение величины относительного отверстия, что во многих тепловизионных приборах недопустимо, так как при этом может уменьшиться дальность работы прибора и объект может быть потерян.
Поэтому в рамках диссертационной работы были проведены исследования по возможности создания систем с дискретной сменой увеличения с использованием не более двух подвижных компонентов, обеспечивающих постоянство расстояния между первой преломляющей поверхностью и плоскостью изображения, неизменность заднего фокального отрезка и относительного отверстия при смене фокусного расстояния, а также соблюдение телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений.
Рассмотрим оптическую систему с фокусным расстоянием f\, обладающую оптимальной коррекцией аберраций и формирующую изображение высокого качества. Пусть задний апертурный угол равен а і и в системе выполнено условие синусов. Если при смене фокусного расстояния сохранить на выходе системы ход апертурного луча без изменения, то положение плоскости изображения и качество изображения не изменятся. Равенство апертурных углов а ц = а і обеспечивает постоянство величины относительного отверстия при смене фокусных расстояний, а величины последних удовлетворяют условию h\ I Г\ - hu // II= const (здесь h - высота апертурного луча на входном зрачке). На рис. 3.3.1. показана параксиальная модель системы, отвечающая вышеназванным условиям. В положении, показанном на рис. 3.3.1, а внутренние компоненты 2 и 3 образуют систему, эквивалентную плоскопараллельной пластине. При расчете реальной системы действие плоскопараллельной пластины можно использовать для компенсации сферической аберрации внешних компонентов 1 и 4, выполняющих силовую роль. Подвижки компонентов 2 и 3 рассчитываются из условия постоянства положения точки F , _. 3 - заднего фокуса системы компонентов 1 - 3. Во втором положении, показанном на рис. 3.3.1 б, оптическая сила компонентов 1 - 3 совместно с компонентом 4 обеспечивает второе значение фокусного расстояния системы /д.
Если в оптической системе предусматривается перемещение компонентов 2 и 3, то апертурная диафрагма может быть выполнена с возможностью изменения своих размеров. Если же положение компонента 3 и размер диафрагмы зафиксированы, как на рис.3.3.2, то изменение фокусного расстояния осуществляется перемещением компонента 2, что позволяет реализовать четырехком-понентную систему с одним внутренним перемещающимся компонентом.
Из представленной на рис. 3.3.2 схемы в тонких компонентах определяются оптические силы элементов 1 - 4, величины перемещений и граничные значения воздушных промежутков при переходе от фокусного расстояния // к фокусному расстоянию/ц. Длина системы d от первого элемента до четвертого постоянна при изменении фокусного расстояния и равна где d]...dn - величина воздушных промежутков между элементами оптической системы.
Чтобы первый параксиальный луч в положении компонентов, соответствующих фокусному расстоянию/ц, шел на выходе из системы по тому же пути, что и в положении, соответствующиему фокусному расстоянию f\, он должен упасть на последний компонент на той же высоте и под тем же углом, то есть {кб)\\ - (ha)\, (0.4)11 = (04)1- Необходимым условием для этого является равенство высот падения первых параксиальных лучей на компоненте 3 в каждом из двух дискретных положений, что обеспечивается размещением апертурной диафрагмы между 3-м и 4-м компонентами. Изменение фокусного расстояния происходит за счет изменения воздушного промежутка, между компонентами 2 и 3.
В общем случае относительно расположения апертурной диафрагмы можно отметить следующее: в первом положении, соответствующем фокусному расстоянию f\, действие компонентов 2 и 3 эквивалентно действию плоскопараллельной пластины, и последние могут находиться в любом месте в промежутке между компонентами 1 и 4, т. е. область размещения апертурной диафрагмы ограничена величиной воздушного промежуткам/. Величина последнего определяется по формуле оптической силы двухкомпонентной системы при известных значениях оптических сил компонентов Фі и Ф4
