Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов построения низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем видимого и коротковолнового ИК диапазонов . 12
1.1 Электронно-оптический преобразователь, реализующий способ пространственного смешения цветов и ПНВ на его основе 13
1.2 Цветной прибор ночного.видения, реализующий способ поочередного смешения цветов 19
1.3 Цветной ПИВ, основанный на способе одновременного смешения цветов
1.3.1 «Псевдо-цветной» ПНВ,параллельного типа 28
1.3.2 Низкоуровневая-цветная телевизионная камера параллельного типа...30
1.4 Особенности ЭОП и-ГМП, входящих в состав.НУ СЗОЭС видимого диапазона. 31
1.4.1 Цветные гибридно-модульные преобразователи 33
1.5 ПЗС-камеры с электронным умножением 36
1.6 Коротковолновые инфракрасные (КВИК) камеры 40
Выводы по главе 1 44
Глава 2. Сравнительный анализ НУ СЗОЭС, функционирующих на базе ЭОП, ГМП и EMGCD по их чувствительности и разрешающей способности 45
2.1 Обобщенная структурная схема низкоуровневой спектрозональной оптико-электронной системы видимого и.КВИК — диапазонов 45
2.2 Методика определения чувствительности низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем 48
23 Оценка чувствительности для различных схем построения низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем 59
2.3.1 Оценка чувствительности низкоуровневой цветной телевизионной камеры параллельного типа 59
2.3.2 Оценка чувствительности «псевдо-цветного» бинокля с фильтрами 67
2.3.3 Оценка чувствительности «псевдо-цветного» бинокля на базе двух ЭОП с разными спектральными характеристиками фотокатодов 69
2.3.4 Оценка чувствительностинизкоуровневой цветной телевизионной системы на базе «псевдо-цветного» бинокля из двух гибридно-модульных преобразователей с разными спектральными характеристиками фотокатодов 73
2.3.5 Оценка чувствительностинизкоуровневой цветной телевизионной системы на-базе «псевдо-цветного» бинокля с фильтрами и ЭОП с матрицей ПЗС 74
2.3.6 Оценка чувствительности НУ ЦТВС на основе-EMCGD
2.4 Сравнение различных схем низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем по их чувствительности. 80
2.5 Методика определения разрешающей.способности низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем- 83
2.5.1 Оценка разрешающей способности для различных схем.построения, низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем 85
Выводы по главе 2 91
Глава 3. Особенности выбора и оценки параметров «оптических систему используемых в НУ СЗОЭС. Разработка алгоритма совмещения изображений, формируемых каналами видимого и КВИК диапазонов 93
3.1 Основные требования, предъявляемые к оптическим системам НУ СЗОЭС видимого и КВИК диапазонов 93
3.2 Выбор конструктивных параметров;объектива для работы в составе НУ СЗОЭС 94
3.3 Выбор объектива для спектрального диапазона 0,4 -ь 1,7 мкм 98
3.4 Двухканальная система широкого спектра 103
3.5 Расчет систем переноса изображения на основе репродукционных объективов 104
3.6 Метод геометрического совмещения изображений 106
3.6.1 Смещение, поворот и масштабирование изображений 108
3.6.2 Преобразование координат 109
3.6.3 Алгоритм геометрического совмещения изображений камер А и В 113
Выводы по главе 3 115
Глава 4. Способы обеспечения цветности изображения объектов в условиях низкой освещенности. Экспериментальные исследования камер КВИК диапазона 116
4.1 Варианты схем построения НУ ЦТВК видимого диапазона на основе ГМП 116
4.1Л Недостатки НУ ЦТВК, основанных на способе одновременного смешения цветов 116
4.1.2 НУ ЦТВК, последовательного типа с фильтрами, выделяющими излучения цветов (длин волн), дополнительных по отношению к основным(RGB) цветам 118
4.1.2.1 Блок-схема телевизионной камеры с последовательным формированием сигналов 127
4.1.3 Способ получения цветного изображения в условиях низкой освещенности 129
4.2 Исследование эффективности работы телевизионной камеры КВИК диапазона при наличии в атмосфере рассеивающих и поглощающих излучение частиц 141
Выводы по главе 4 147
Заключение
- Цветной ПИВ, основанный на способе одновременного смешения цветов
- Оценка чувствительности для различных схем построения низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем
- Выбор объектива для спектрального диапазона 0,4 -ь 1,7 мкм
- Способ получения цветного изображения в условиях низкой освещенности
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие теории и практики создания оптико-электронных систем (ОЭС) позволяет непрерывно расширять круг их применений, постепенно переходя к решению все более сложных задач, которые еще недавно были недоступны для практической реализации.
К одной из таких проблем, в частности, относится задача создания низкоуровневых (НУ) спектрозональных оптико-электронных систем (СЗОЭС), работающих в видимом и коротковолновом инфракраксном (КВИК) диапазонах (Dl = 0,4 1,7 мкм) при малых уровнях входных полезных сигналов.
Одной из важнейших сфер применения НУ СЗОЭС диапазона 0,4 1,7 мкм (в особенности для нужд министерства обороны и силовых ведомств) является обнаружение и распознавание объектов (целей) в условиях низкой освещенности. При этом наличие нескольких спектральных каналов, входящих в состав НУ СЗОЭС, позволяет существенно повысить эффективность выделения полезных сигналов на фоне естественных природных ландшафтов.
Однако, в процессе проектирования таких систем, приходится большое внимание уделять выбору типов и параметров преобразователей «излучение-сигнал».
Это, в частности, связано с тем, что для обеспечения высокого спектрального разрешения, в состав НУ СЗОЭС вводят фильтрующие элементы, приводящие к значительным потерям исходящей от цели энергии излучения и, в конечном итоге, к снижению отношения сигнал/шум. Данное обстоятельство приводит к необходимости использования в составе НУ СЗОЭС преобразователей «излучение-сигнал», обеспечивающих высокое усиление и возможно более низкий уровень шумов.
Необходимо отметить, что теории и практике построения таких преобразователей изображения (ПИ) посвящены работы В.Г. Волкова, И.Л. Гейхмана, Н.Ф. Кощавцева, Д.С. Соколова, И.Н. Сурикова, А.С. Терехова и других известных ученых.
Однако специфика использования упомянутых ПИ в НУ СЗОЭС в этих работах отражена достаточно фрагментарно.
Необходимо также отметить, что в нашей стране и за рубежом рядом исследователей (В.В. Тарасовым, Ю.Г. Якушенковым, Ю.С. Сагдуллаевым, A. Bodkin, A. Sheinis, Mc J. Cann) достаточно полно проработаны принципы построения оптико-электронных систем с матричными приемниками излучения, работающих в двух и более спектральных диапазонах.
В работах этих авторов рассмотрены различные аспекты функционирования таких систем и, в том числе, дан анализ особенностей распространения видимых и ИК волн в атмосфере. В частности, подробно описаны достоинства КВИК-диапазона для ведения наблюдения в ночное время суток, к которым относятся: высокий уровень естественной ночной освещенности (ЕНО) на длине волны , высокий уровень контраста цели, повышенная прозрачность атмосферы и ряд других факторов.Однако в этих работах отсутствуют инженерные методики расчета НУ СЗОЭС с гибридно-модульными преобразователями (ГМП) и ТВ-камерами видимого и КВИК диапазонов.
По этим причинам, и с учетом существенно возросшего интереса специалистов к области спектра 0,4 1,7 мкм, тема диссертации, направленная на разработку методов расчета и выбора параметров НУ СЗОЭС, представляется весьма актуальной.
Целью работы является решение задачи разработки методов расчета и выбора параметров низкоуровневых спектрозональных ОЭС видимого и коротковолнового ИК диапазонов, имеющее существенное значение для отрасли знаний «технические науки».
Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать обобщенную структурную схему НУ СЗОЭС, являющуюся основой для проведения начального этапа проектирования систем этого класса.
-
Разработать методики расчета и выбора параметров основных элементов НУ СЗОЭС:
преобразователей «излучение-сигнал»: ГМП, ПЗС-камер и камер КВИК диапазона;
оптических систем, предназначенных для работы в диапазоне длин волн от 0,4 до 1,7 мкм.
-
Разработать метод комплексирования изображений, формируемых отдельными спектральными каналами НУ СЗОЭС.
-
Проверить адекватность предложенных методов на примерах расчета базовых элементов реальных НУ СЗОЭС.
Предметом исследования являются НУ СЗОЭС видимого и коротковолнового ИК диапазонов и методы их расчета.
Методы исследования базируются на положениях общей теории расчета сложных оптико-электронных систем.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Предложена обобщенная структурная схема НУ СЗОЭС.
-
Разработаны методы расчета и выбора параметров основных элементов НУ СЗОЭС.
-
Разработан метод комплексирования изображений, формируемых спектральными каналами НУ СЗОЭС.
-
Предложен новый способ получения цветного изображения в условиях низкой освещенности.
Достоверность предложенных методов была подтверждена путем сопоставления расчетных параметров отдельных элементов вновь создаваемых НУ СЗОЭС с данными, полученными в результате их лабораторных испытаний, а также применением этих методов в практике производства современных приборов ночного видения (ПНВ).
Практическая значимость работы:
-
Предложенные методы позволяют с единых позиций осуществлять расчет и выбор параметров вновь создаваемых НУ СЗОЭС диапазона 0,4 – 1,7 мкм, а также совершенствовать характеристики элементной базы уже существующих изделий.
-
Использование разработанных методов позволяет проводить сравнительный анализ различных вариантов вновь создаваемых НУ СЗОЭС и выбирать из них наиболее рациональные схемы построения без проведения дорогостоящих натурных экспериментов. Это, в свою очередь, позволяет существенно сократить средства на разработку этих систем.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Обобщенная структурная схема НУ СЗОЭС видимого и коротковолнового ИК диапазонов может служить основой для проведения начального этапа проектирования вновь разрабатываемых систем этого класса.
-
Методы и методики расчета и выбора параметров основных элементов НУ СЗОЭС, а именно:
-
методика оценки чувствительности и разрешающей способности преобразователей «излучение-сигнал», используемых в НУ СЗОЭС видимого и КВИК диапазонов;
-
методика выбора и оценки параметров оптических систем, используемых в НУ СЗОЭС диапазона 0,4 1,7 мкм;
-
метод совмещения изображений, формируемых рабочими спектральными каналами СЗОЭС;
-
-
Способ получения цветного изображения в условиях низкой освещенности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на IV Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004г; на VII Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации «Распознавание – 2005», Курск, 2005г; на VI Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2009», Санкт-Петербург 2009г.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, представлены в 7 научных публикациях, в том числе одна статья в журнале, вошедшем в перечень ВАК РФ. По теме диссертации получен патент на изобретение №2308116 МПК 7 H01J 31/56 от 14.12.2005г. «Электронно-оптический преобразователь и способ получения видеоизображения».
Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 163 стр. состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа содержит 49 рисунков, 7 таблиц и 1 приложение.
Цветной ПИВ, основанный на способе одновременного смешения цветов
Структурная схема цветного ПИВ, реализующего способ поочередного смешения цветов (ЦПНВ «последовательного» типа) приведена на рис. 1.5 [12]. Она содержит объектив 1, ЭОП 2, окуляр 3 и цветовой модулятор в.виде двух дисков со светофильтрами, один из которых (4) размещен перед фотокатодом ЭОП, а второй (5) - за его экраном. Диски 4 и 5 жестко укреплены на оси 6 двигателя 7 и содержат секторы с R; G, В светофильтрами (рис. 1.6). Светофильтры одного цвета на обоих дисках 4 и 5 расположены соосно, т.е. один за другим вдоль оптической оси. Экран ЭОП покрыт люминофором белого свечения. Принцип работы прибора заключается в следующем. Излучение от источника низкой интенсивности падает на объект наблюдения. Часть отраженного от него света улавливается объективом 1, который формирует на фотокатоде ЭОП 2 цветное изображение объекта. Вследствие вращения дисков цветового модулятора перед фотокатодом и за экраном ЭОП периодически оказываются фильтры «красного», «зеленого» и «синего» цветов. В результате из светового потока, отраженного от объекта наблюдения, фильтрами диска 4 (рис. 1.6) периодически выделяются электромагнитные колебания с длинами волн, соответствующими основным цветам (например, X в = 430 нм, A, G = 530 нм и A, R = 600 нм).
Колебания с такими же (или близкими) длинами волн выделяются фильтрами1 второго диска 5 из спектра излучения, формируемого люминофором белого свечения экрана ЭОП 2. Благодаря высокой скорости вращения дисков 4 и 5 (порядка 3000 об/мин) и инерционности зрительного аппарата человека происходит аддитивное смешение последовательно воспроизводимых элементов сцены «красного», «зеленого» и «синего» цветов. В. результате изображение объекта наблюдения, сформированное на экране ЭОП 2, воспринимается через окуляр 3 в цвете. Наряду с R, G, В фильтрами на основе цветных стекол в диске 4 цветового модулятора могут быть установлены интерференционные светофильтры, обеспечивающие выделение более узких спектральных зон.
Достоинствами предлагаемого устройства является простота реализации, и отсутствие проблем, связанных с совмещением отдельных цветных (R, G, В) изображений:
К недостаткам следует отнести наличие вращающегося цветофильтра и-невысокую чувствительность. В , случае наблюдения» объекта в- других областях спектра (например, в ИК или УФ), в диске. 4, расположенном перед фотокатодом- ЭОП 2, устанавливаются фильтры с максимумами-- коэффициента пропускания в «коротковолновой», «средневолновой» и «длинноволновой» областях спектра выбранного диапазона.
Рассмотрим другой- вариант построения. ПНВ «последовательного» типа, который, позволяет получать цветное изображение объекта наблюдения на экране электронно-лучевой трубки [29]. Структурная схема такого ПНВ с одним RGB - диском приведена на рис. 1.7.
Принцип, его работы заключается в следующем. Излучение, отраженное от объекта концентрируется объективом 1 на фотокатоде ЭОП 2. Спектральная, чувствительность фотокатода относительно- равномерна в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,68 мкм: Усиленное по яркости изображение с экрана ЭОП 2 оптической системой 18 переносится на чувствительную площадку преобразователя оптического изображения в телевизионный сигнал 19, выполненного, например, в виде ПЗС-камеры. В совокупности элементы 2, 18 и 19 представляют собой ГМП. Полученный телевизионный сигнал поступает на электронный коммутатор R, G, В пушек 21 цветной электронно-лучевой трубки 22.
Последовательное включение R, G, В пушек для формирования на экране трубки изображений соответствующих цветов осуществляется по команде блока управления 20, связанного с оптопарой 11 диска 4 цветового модулятора. Диск 4, показанный на рис. 1.8, содержит R, G, В фильтры и жестко закреплен на оси 6 двигателя 7. При вращении диска 4 на фотокатоде ЭОП 2 последовательно формируются изображения объекта наблюдения в «красном», «зеленом» и «синем» цветах. ± л. AS -(9 Рис. 1.7. Структурная схема цветного ПНВ «последовательного» типа с одним RGB -диском [29]:
Цветовой модулятор [29] Синхронно с вращением диска 4 через оптопару 11 и блок управления 20 подаются команды на коммутатор R, G, В пушек 21. В результате на экране электронно-лучевой трубки последовательно, с частотой выше предельной частоты мельканий для глаза человека, формируются изображения объекта в основных цветах, что воспринимается наблюдателем как цветное изображение.
В структурной схеме ПНВ «последовательного» типа [29], представленной на рис. 1.9 реализуется активный режим его работы. диск цветового модулятора; 6 — ось двигателя; 7 - двигатель; 9 - источники излучения основных длин волн (R, G, В); 10 - блок управления; 11 - оптопара В данной схеме также содержатся объектив» 1, ЭОП 2 с люминофором белого свечения, окуляр 3 и модулятор 5. Модулятор в данном варианте включает в себя цветоделитель 8 и оптически связанные с ним источники излучения 9 основных длин волн (R, G, В), выполненные, например, в виде светодиодов, и диск 5 со светофильтрами, установленный на оси 6 двигателя 7. Диск 5, как и в предыдущем варианте, состоит из трех секторных R, G, В фильтров.
Устройство работает в автоколлимационном режиме. Объект наблюдения- поочередно освещается через цветоделитель 8 и объектив 1 одним из трех светодиодов 9. Светодиоды 9 включаются блоком переключения источников излучения 10 по сигналам оптопары 11 синхронно с вращением диска 5. Таким образом; при выходе на оптическую ось светофильтра диска 5 синего цвета включается светодиод синего свечения. При выходе светофильтра зеленого цвета включается І светодиод зеленого свечения и т.д. Для работы устройства в ИК- или в УФ-диапазонах подбираются светодиоды с максимумами излучательной. способности- в «коротковолновой», «средневолновой»- и «длинноволновой» частях выбранного спектрального диапазона.
Структурная схема, представленная-на рис. k 10» [29] также реализует активный режим работы, и обеспечивает возможность наблюдения объекта в полной темноте.
В этом варианте подсветка объекта наблюдения осуществляется поочередно источниками излучения» 9, выполненными; например, в виде светодиодов с излучением основных длин волн (R, G, В). Излучение от источников 9 проходит через модулятор 4 (в виде цветоделителя» 23) и объектив 1. Элементы 2, 3 и 5 представляют собой- ГМП. Синхронное управление включением светодиодов и R, G, В пушек осуществляется блоком управления 10. Как и в схеме на рис. 1.9, возможно получение цветного изображения в ИК- или УФ-диапазонах.
Оценка чувствительности для различных схем построения низкоуровневых спектрозональных оптико-электронных систем
При S = 500 мкА/лм; иэ =5000 В; у= 5 кд/Вт и ц = 65000 коэффициент усиления МКП: М = 1600 соответствует приложенному напряжению иМкп 1000 В. Тогда ток проводимости МКП 1С = —мш « 8 1(Гб А. Покажем, R что при освещенности фотокатода Ек=4,3-10"5 лк, в соответствии с (2.18), 1вых 8-10 А. Найдем ток фотокатода, исходя из его площади s=2,545-10 м , освещенности и эффективной интегральной чувствительности: 1фк = s-EK-SG = 2,6-10",2А.Ток с выхода МКП составит: 1вых= 1фк -М = 2,6-10"12- 1600 = 4,2-10"9 А, /вьа = 4,2-10-9А 8-Ю-7 А. Таким образом, условие работы зеленого канала в линейном диапазоне при повышенном значении коэффициента преобразования ЭОП rj = 65000, обеспечивающем чувствительность НУ ЦТВК Ес= 4,3-10"5 лк, выполняется. Проанализируем возможность повышения чувствительности синего канала с Есв 1,8-10"2 лк до Есв — 4,3-10 5 лк. Для синего канала при освещенности на местности Е = 4,3-10"5лк, освещенность на фотокатоде (при /2ОЯ=0,464; /7=0,75 и тФВ тОБ = 0,0014) составит Ек= 2,08-10"8 лк. Эффективная интегральная чувствительность фотокатода в синем канале передачи изображения составит SB = S-KnB =500- 0,215 = 108 мкА/лм. Тогда плотность тока фотоэмиссии: JRB = EK-SB — 2,24-10" А/м . Т.к. jKB / jo = 170, то условие (2.17) не выполняется - синий канал не работоспособен при Е= 4,3-10"5 лк.
Оценим повышение чувствительности НУ ЦТВК в синем канале при повышении коэффициента преобразования ЭОП до значения TJ = 65000. В этом случае Есв = 8,2-10"3 лк. При такой освещенности на местности освещенность на фотокатоде ЭОП синего канала составит Ек= 4-Ю"6 лк, а плотность тока фотоэмиссии: JKB = EK-SB — 4,3-10" А/м .
Т.к. JKB = 4,3-10"10А/м2» j0= 10"12 А/м2, условие (2.17) выполняется. Таким образом, анализ работы низкоуровневой цветной телевизионной камеры параллельного типа, проведенный с учетом спектральной чувствительности многощелочного фотокатода и спектральных характеристик пропускания объектива и трех светофильтров показал, что чувствительность такой камеры составляет Ес— 8,2-10"3 лк.
Существенно увеличить чувствительность камеры можно, если перейти к ЭОП 3-поколения с GaAs-CsO фотокатодом, используя при этом фильтры со смещением максимумов их спектральных характеристик вправо по оси А,.
В «псевдо-цветном» бинокле для образования цветного изображения смешиваются два «монохроматических» излучения: красное и зеленое. По этому принципу создается цветной ПНВ, работающий по схеме, представленной на рис. 1.13.
Для ее реализации выберем ЭОП 3-поколения, обладающий высоким отношением сигнал/шум, с параметрами: - коэффициент преобразования rj = 20000; - электронно-оптическое увеличение ГЭо = 1 1; - интегральная чувствительность фотокатода 5=1000 мкА/лм; - коэффициент усиления МКП М 400; - напряжение в зазоре МКП - экран 1/э =4000 В; - светоотдача экрана у =4 кд/Вт. В соответствии с методикой (раздел 2.1), выражение (2.11), описывающее чувствительность «псевдо-цветного» бинокля, приобретет вид: -2 Г2 Е = эо ТСПИ СПИ Р ОБ ТФ ТОБ W -K-IJR «г2 Г2 F - К Г30 ПО ХСПИ СПИ Р ОБ ТФ ТОБ Л V Зададим параметры составных частей бинокля для расчета чувствительности красного и зеленого каналов такими же, как и в 2.3.1. С учетом требования равной чувствительности для каждого канала получим следующие результаты расчета: - для красного канала при rj =20000 (М=430): EcR = — = 0.054лк; cR 0.9-0.377-0.75-0.464-0.126-20000-0.739 для зеленого канала при т\ =60000 (М=1300): EcG = —— = 0.054лк. cG 0.9 0.377 0.75 0.464 0.089 60000 0.348 Таким образом, при освещенности на местности Е = 0,054 лк (звездное небо и полная луна) и в сумерки наблюдатель с помощью сравнительно простой конструкции «псевдо-цветного» бинокля может анализировать информативное цветное изображение фоно-целевой обстановки. Дополняя схему построения «псевдо-цветного» бинокля ПЗС камерами, получим низкоуровневую цветную телевизионную камеру параллельного типа, состоящую из двух каналов.
Для образования цветного изображения будем регистрировать поток излучения двумя ЭОП с разными фотокатодами, имеющими максимальную спектральную чувствительность в разных областях спектра, с разными катодолюминесцентными экранами (с красным и еленым свечением соответственно) и далее, на уровне психофизического восприятия, формировать квазицветное изображение (как было описано в 1.3.1). В отличие от конструкции «псевдо-цветного» бинокля, представленной на рис. 1.13, рассматриваемая конструкция не содержит цветных фильтров — их роль выполняют фотокатоды ЭОП. Как и в предыдущих случаях, это ЭОП бипланарной конструкции с микррканальным усилением сигнала. Для красного канала «псевдо-цветного» бинокля возьмем все тот же ЭОП 3-го поколения с GaAs-CsO фотокатодом. Для зеленого канала понадобится ЭОП, изготовленный по технологии 2+-го поколения, с бищелочным фотокатодом KSbCs. Спектральные характеристики GaAs-CsO и KSbCs фотокатодов представлены на рис. 2.3. В отличие от ЭОП 2+ -поколения с многощелочным фотокатодом, интегральная чувствительность KSbCs фотокатода не превышает значений S = 90 мкА/лм и приводит к низким значениям коэффициента преобразования.
Параметры ЭОП 2 -поколения с KSbCs фотокатодом: коэффициент преобразования 77=7000; электронно-оптическое увеличение Гэо = 1,1; интегральная чувствительность фотокатода S = 90 мкА/лм; коэффициент усиления МКП М-1000; напряжение в зазоре МКП - экран U3 =5000 В; светоотдача экрана у— 5 кд/Вт. Выражение (2.11), описывающее чувствительность «псевдо-цветного» бинокля на базе ЭОП с фотокатодами GaAs-CsO и KSbCs, приобретет вид:
Выбор объектива для спектрального диапазона 0,4 -ь 1,7 мкм
Необходимо также отметить, что, независимо от выбранной схемы построения НУ СЗОЭС, входящие в её состав объективы должны обладать не только высокой светосилой, но и хорошим светопропусканием. Эти требования являются до некоторой степени противоречивыми, поскольку исправление аберраций в светосильном объективе неизбежно связано с усложнением его конструкции из-за увеличения числа компонентов что, в свою очередь, приводит к уменьшению его светопропускания: Из практики известно, что приемлемое качество изображения; в линзовых объективах может быть обеспечено при относительных отверстиях 1:1,5 - 1:1,2 [9- 16]. В зеркальных и зеркально-линзовых системах, в которых используются компоненты с асферическими поверхностями, относительное отверстие может быть увеличено до значений 1:1,2 — 1:0,9; Однако их эффективная . светосила обычно ниже, из-за наличия в осесимметричных зеркальных и зеркально-линзовых объективах центрального экранирования; ! Выбор принципиальной; конструкции объектива. — это наиболее ответственный этап проектирования; выполнение которого связано с необходимостью всестороннего анализа- множества; различных факторов, относящихся; к конкретной оптической системе и условиям ее эксплуатации.. Одним- из наиболее общих вопросов, решаемых на этом: этапе проектирования;, является вопрос о рациональном использовании; в= конструкции оптической системы линзовых и зеркальных компонентов; .
Большое значение при разработке принципиальной конструкции, оптической системы имеют технологические и экономические факторы. Так,. например; применение компонентов, с асферическими- поверхностями;. как правило упрощает выполнение расчетного этапа- проектирования» и позволяет не. только достичь в рассчитываемых системах малых остаточных аберраций,, но и обеспечивает возможность значительного сокращения их осевых размеров по сравнению с системами, все поверхности которых имеют сферическую форму. Однако изготовление асферических поверхностей все еще остается весьма трудоемким процессом и сопряжено с большими материальными затратами, а несовершенство их практического выполнения в значительной степени снижает качественные показатели оптической системы, полученные при ее расчете [10].
Анализ принципиальных оптических схем объективов, представленных в технической литературе, например в [16] не позволил выявить конструкции линзовых систем, непосредственно пригодных для их использования в составе НУ СЗОЭС, работающих в диапазоне длин волн 0,4 - - 1,7 мкм. При этом, вследствие весьма широкого рабочего спектрального диапазона, величина хроматических аберраций (вторичного спектра) во всех исследованных конструкциях оказалась значительной и заметно влияла на качество изображения. Кроме того, поскольку в объективах НУ СЗОЭС относительное отверстие ОС должно быть велико, была необходима также улучшенная коррекция монохроматических аберраций, и, в первую очередь, сферической аберрации и комы. Это приводило к необходимости разработки новых принципиальных конструкций оптических схем светосильных линзовых и зеркально-линзовых апохроматов.
Предварительная проработка схемы построения объектива позволила выявить тройную комбинацию оптических материалов (ТК16, ОФ4 и флюорит), обеспечивающую апохроматическую коррекцию в спектральном диапазоне 0,42 + 1,7 мкм. На основе этих материалов был рассчитан объектив, принципиальная конструкция которого представлена на рис. 3.3. На рис. 3.4 показаны его частотно-контрастная (а) и аберрационная (б) характеристики. Для уменьшения аберраций высших порядков в этом объективе линзы из крона (ТК16) разделены на три, а из флинта (ОФ4) — на два компонента. Объектив при высокой светосиле (1:1,5) обладает весьма малыми остаточными аберрациями в широком спектральном диапазоне (0,4 - 1,7 мкм).
Частотно-контрастная (а) и аберрационная (б) характеристики светосильного линзового объектива для НУ СЗОЭС С увеличением фокусного расстояния (при сохранении высокой светосилы) массогабаритные характеристики линзовых ОС возрастают, и более предпочтительным становится использование зеркально-линзовых объективов, в которых апохроматическая коррекция может быть выполнена с использованием меньшего числа линзовых компонентов.
Вместе с тем, применение в составе НУ СЗОЭС зеркальных систем менее предпочтительно, так как при высоких относительных отверстиях это требует использования асферических зеркал. Наиболее пригодными для НУ СЗОЭС зеркально-линзовыми апохроматами со сферическими поверхностями являются объективы, построенные по схеме Е.И. Гагенторн [10]. Данная схема обеспечивает высокое качество изображения при большом относительном отверстии. Предварительные расчёты показали, что в видимой области спектра объектив, выполненный по этой схеме, обладает хорошей апохроматическои коррекцией, однако в диапазоне длин волн расширенном до значений 0,5 -ь 1,7 мкм такой объектив не позволяет получить высококачественного изображения»по всему полю. Это объясняется тем, что в нём достаточно велика1 остаточная хроматическая аберрация, вносимая двухлинзовым компенсатором. Кроме того, в объективе присутствует и остаточная кома, величина которой зависит от длины волны и меняет свой знак в пределах указанного спектрального диапазона.
Поэтому, в процессе выполнения работы была проведена оценка коррекционных характеристик такого объектива с целью определения возможности его использования в составе НУ СЗОЭС. Как показал анализ, расширение рабочего спектрального диапазона с сохранением достаточно высокого качества изображения возможно путём применения в объективе комбинации стёкол ТК16, ОФ4, ФК14. Незначительная модификация схемы по сравнению с изначальным вариантом, за счёт введения дополнительного контрзеркала, позволила уменьшить- центральное экранирование до величины 0,46. Принципиальная конструкция такой модернизированной
Способ получения цветного изображения в условиях низкой освещенности
Еще одним вариантом решения проблем, связанных со сложностями совмещения спектроделенных изображений (в системах, основанных на методе одновременного смешения цветов) является разработка ГМП мозаичного типа. Одна из схем такого устройства описана в разделе 1.4.1. настоящей диссертационной работы. Ее недостатком является необходимость прецизионной установки цветной ПЗС-матрицы внутри вакуумированной части корпуса ГМП для обеспечения точного попадания электронов, редуцированных излучением с определенной длиной волны в соответствующие области ее тыльной поверхности.
В данном разделе рассмотрен способ устранения отмеченного недостатка. В предлагаемом способе построения ГМП вместо цветной используется черно-белая ПЗС-матрица, а устройство в целом, после его изготовления на заводе, проходит однократную цветовую калибровку.
Излагаемый ниже способ получения цветного изображения объектов в условиях низкой освещенности разработан при непосредственном участии автора. На способ получен патент Российской Федерации [27].
Способ реализуется с использованием ГМП одного из двух известных типов. Первый тип ГМП, в котором электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица устанавливается внутри вакуумированного объема ЭОП тыльной стороной по отношению к фотокатоду. При этом, предварительно, кремниевая подложка матрицы утончается до величины 10-15мкм. В этом варианте построения ГМП электроны, эмитированные фотокатодом ЭОП, фокусируются, ускоряются его электростатическим полем И направляются"на тыльную сторону ПЗС-матрицы, которая? преобразует электронное изображение объекта в электрический сигнал.
По американской терминологии ГМП1 такого типа носят название (ElectronBombardment CCD)-EBCCDr Таким образом; это преобразователи, в которых используется электронная бомбардировка подложки ПЗС-матрицы.
Второй тип ГМП, в котором ПЗС-матрица находится вне ЭОП. В этом случае изображение с экрана, последнего с помощью оптики І переноса (проекционного объектива,, волоконно-оптической пластины или фокона) проецируется- на чувствительную площадку ПЗС-матрицы, которая преобразует световой сигнал в. электрический. Такие ГМП носят название (Intensifier CCD)-ICCE), и представляют собой-преобразователи «излучение-сигнал», в которых перед ПЗС-матрицей установлен ЭОП.
В обоих случаях, в процессе реализации способа, на входное окно ГМП устанавливают мозаичный фильтр, выполненный в виде совокупности RGB-триад, равномерно распределенных по его поверхности. При этом каждый элемент «триады» выполняет функцию элементарного фильтра красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов.
В качестве примера, рассмотрим вариант реализации предложенного способа получения цветного изображения на основе ГМП первого типа.
Структурная схема ГМП изображена на рис. 4.8. Устройство включает корпус 1, имеющий вакуумированную 2 и невакуумированную 3 части, входное окно (в виде мозаичного фильтра), выполненное на основе газонепроницаемой волоконно-оптической пластины 4. На внутреннюю поверхность ЭОП 4 нанесен фотокатод 5, имеющий относительно равномерную чувствительность в спектральном диапазоне 0,4— 0,68 мкм.
В вакуумированной части 2 корпуса 1 установлена черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица 6 и система фокусировки электронов 7. ПЗС-матрица 6 обращена тыльной поверхностью в сторону входного окна и изолирована от оптического излучения с лицевой стороны.
Разрешающая способность этой матрицы должна быть выше разрешения проецируемого изображения, т.е. число ее пикселей должно превышать число рабочих волокон волоконно-оптической пластины 4.
В невакуумированной части 3 корпуса 1 расположены блок формирования первичного видеосигнала 8 и блок обработки видеосигнала 9.
В выходном окне установлено устройство воспроизведения видимого изображения, выполненное в виде микродисплея 10. Микродисплей 10 может быть построен на базе электронно-лучевой трубки, на основе жидкокристаллической панели или на основе панели органических светоизлучающих диодов. Вне корпуса 1 размещен пульт управления 11. Между электрическими выводами фотокатода 5 и системы фокусировки электронов 7 прикладывается постоянное напряжение порядка 8 -т- 10-кВ. Необходимо отметить, что выбор величины этого напряжения имеет принципиальное значение для правильной работы устройства, его снижение ведет к уменьшению коэффициента усиления ГМП по току, а рост — приводит к появлению рентгеновского излучения, уменьшающего срок службы ПЗС-матрицы прибора.
Схема блока обработки видеосигнала 9 приведена на рис. 4.9, где связи между его отдельными элементами стрелками.
ГМП работает следующим образом. Излучение от источника низкой интенсивности (звезды, луна и т.п.) падает на цветной объект, отдельные фрагменты которого отражают его на определенных длинах волн.
Отраженное излучение улавливается апохроматической оптической системой (на схеме не показана), которая формирует на поверхности входного окна ЭОП цветное изображение объекта. При этом различным его цветовым фрагментам будут соответствовать электромагнитные колебания различных длин волн. Лучи света; пройдя- через волокна ВОП 4, выполненные из цветного стекла и образующие триады светофильтров красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов и толщу фотокатода 5, выбивают электроны из поверхности фотослоя.
Число электронов, испускаемых каждой из точек фотокатода 5, будет пропорционально их освещенностии длине волны (цвету) «накрывающего» их фрагмента изображения.
Электроны, эмитированные фотокатодом 5, фокусируются, ускоряются электрическим полем системы фокусировки электронов 7 и попадают на тыльную сторону электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы 6.
Таким образом; на тыльной, стороне ПЗС-матрицы формируется электронное изображение, плотность отдельных элементов которого зависит от расположения и отражающих свойств цветных фрагментов на поверхности объекта.
