Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных 14
1.1 Два основных принципа построения панорамных объективов 14
1.2 Линзовые и зеркально-линзовые дисторзирующие объективы 19
1.3 Современные дисторзирующие ПОС 28
1.3.1 Панорамные насадки 28
1.3.2 Оптические панорамные блоки 33
1.3.3. Построение панорамных оптико-электронных приборов на базе ОПБ и МПИ 44
1.4 Выводы 50
Глава 2. Разработка принципов построения посметодика расчета дисторзирующего ОПБ 52
2.1 Расчетная схема формирования панорамного изображения и выбор основных параметров ПОС 52
2.1.1. Расчётная схема формирования панорамного изображения ПОС 52
2.1.2 Выбор основных параметров ПОС 54
2.2 Принципы построения дисторзирующей ПОС 68
2.2.1 Управление размером изображения и характером зависимостиу'{со) в ПОС 68
2.2.2 Телецентрический ход главных лучей на выходе как фактор повышения качества изображения в ПОС 71
2.3 Методика расчёта и конструкции ОПБ 77
2.3.1 Принципиальная схема ОПБ 77
2.3.2 Выбор основных уравнений и методика расчёта 79
2.3.3 Разработка конструкций ОПБ 84
2.4 Исследование характеристик ОПБ 88
2.4.1 Основные параметры и их влияние на характеристики ОПБ 88
2.4.2 Оптимизация и результаты расчета конструкций ОПБ 96
2.4.3 Внеинформационные засветки в ОПБ 103
Глава 3. Построение панорамных ОЭП на базе ОПБ и МПИ 111
3.1 Принципы построения приемной оптической системы панорамного ОЭП на базе ОПБ 111
3.2 Приемная оптическая система панорамного ОЭП с апертурнои диафрагмой и линзовой оптикой переноса 115
3.3 Новый способ построения приемной оптической системы панорамного ОЭП при ограничении относительного отверстия непосредственно перед МПИ 122
3.4 Выводы 126
Заключение 127
Список литературы 129
- Линзовые и зеркально-линзовые дисторзирующие объективы
- Принципы построения дисторзирующей ПОС
- Исследование характеристик ОПБ
- Приемная оптическая система панорамного ОЭП с апертурнои диафрагмой и линзовой оптикой переноса
Введение к работе
В настоящее время системы панорамного обзора применяются при решении технических и научно-исследовательских задач с целями мониторинга, целеуказания и обнаружения объектов в наземных оптико-электронных приборах (ОЭП) различного назначения, в ОЭП ориентации космических аппаратов, для исследования структуры и формы внутренних полостей (туннелей, шахт, труб и т.д.), в машиностроении (например, при контроле взаимного расположения деталей при сборке), в робототехнике и др.
Для решения этих задач применяются системы обзора, работающие в угловом поле 360 по азимуту и более 90 по углу места при возможном наличии темпового поля (десятки градусов по углу места относительно оптической оси), и формирующие плоское изображение на приемнике излучения.
Среди таких систем панорамного обзора — сканирующие и многоканальные системы, которые широко применяются на настоящий момент, однако имеют ряд существенных недостатков. Для системы с механическим (оптико-механическим) сканированием это, прежде всего, наличие движущихся частей, сложность механической части, инерционность привода, громоздкость, невозможность одновременного обзора всего панорамного пространства, что затрудняет использование таких систем для наблюдения быстропротекающих процессов. Современные многоканальные системы (с составным угловым полем) строятся с использованием нескольких многоэлементных приемников излучения (МПИ) и нескольких оптических каналов для формирования изображений различных областей пространства на МПИ. Механическое сканирование при этом отсутствует, однако оптический блок отличается громоздкостью, возникают проблемы совмещения каналов и сведения изображения в единое целое.
Появление и развитие широкоформатных современных МПИ как в видимом, так и в конце 90-х годов XX века в инфракрасном диапазоне спектра, открыло широкие возможности проектирования панорамных ОЭП с использованием панорамных оптических систем, отличающихся наличием одного оптического канала, позволяющего одновременно формировать изображение всего панорамного пространства на МПИ. Достоинства такого способа построения панорамного ОЭП: отсутствие механического сканирования, единый оптический канал, возможность различных способов анализа изображения и его допроцессорной обработки (задержки, интегрирования, масштабирования, фильтрации) на базе применения МПИ.
Среди панорамных оптических систем (ПОС), формирующих плоское изображение панорамного пространства на МПИ прежде всего следует отметить сложные дисторзирующие линзовые и зеркально-линзовые ПОС. Отличаясь большим количеством рабочих элементов, а зачастую наличием сложных асферических поверхностей, такие системы наиболее востребованы в системах видимого диапазона, где требуется высокое разрешение при относительных отверстиях, доходящих до 1/2 (например, в фотографической оптике). Однако, далеко не все задачи требуют ПОС высокой сложности, особенно в инфракрасном диапазоне спектра.
Стремление упростить конструкцию ПОС привело к появлению нового подхода при разработке — построению ПОС на базе панорамного дисторзирующего элемента, работающего в панорамном пространстве и формирующего плоское изображение конечных размеров, которое затем с помощью дополнительной оптики переноса проецируется на МПИ.
Среди таких панорамных элементов можно выделить зеркальную панорамную насадку — одиночное зеркало сложной формы, которое, как правило, устанавливается перед стандартным объективом, который используется в качестве оптики переноса. Невысокое качество изображения (даже сложная поверхность не может удовлетворить одновременно всем
требованиям, предъявляемым к системе панорамного обзора), большие габариты такой системы, незащищенность рабочей поверхности такой насадки от воздействий окружающей среды, необходимость закрепления такого зеркала, связанная с экранированием части панорамного пространства — все это затрудняет применение таких систем, прежде всего в полевых условиях.
Ряд современных ПОС строится на базе дисторзирующего элемента — оптического панорамного блока (ОПБ), представляющего собой линзу-монолит, имеющую в своем составе две преломляющие и две отражающие поверхности, центрированные относительно оптической оси. На настоящий момент известно три основных типа ОПБ, на базе которых строятся системы как в видимом, так и в инфракрасном спектральном диапазоне (3-5 мкм).
Анализ литературных данных показал, что ОПБ обеспечивают максимальное угловое поле, значительно превышающее 180 при отсутствии виньетирования в зрачках при относительных отверстиях от 1/5 и более, при этом обеспечивается высокое качество изображения, доходящее до дифракционного в инфракрасном диапазоне спектра (от 3 мкм и выше). ОПБ отличаются простотой и технологичностью конструкции — большинство известных ОПБ реализуется с использованием только сферических поверхностей, известно использование в составе ОПБ асферических поверхностей второго порядка.
В ряде областей техники имеется потребность в ПОС, построенных на базе ОПБ. Особенно остро эта потребность наблюдается при работе в инфракрасном диапазоне спектра 8-16 мкм, при обнаружении объектов малой яркости и низкого контраста (например, в космических системах ориентации, в системах регистрации отраженного лазерного излучения), что требует разработки систем с повышенным уровнем освещенности и разрешения.
Анализ литературных данных показал, что на настоящий момент задача повышения относительного отверстия при одновременном повышении разрешения решается только усложнением известных конструкций ОПБ —
7 введением дополнительных рабочих поверхностей, введением асферических поверхностей. Существующие методы анализа и расчета ОПБ не дают возможности поиска новых типов конструкций ОПБ.
Кроме того, отсутствие методики расчета конструктивных параметров различных типов ОПБ не позволяет не только рассчитывать новые конструкции, но и анализировать уже имеющиеся. В литературе не исследованы условия формирования изображения ОПБ при возможном попадании внеинформационных лучей в плоскость изображения. Это не , позволяет определить рабочее относительное отверстие, разработать средства защиты от попадания внеинформационных лучей на МПИ.
Все это крайне затрудняет разработку новых систем, построенных на базе ОПБ.
Нерешенность обозначенных проблем определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения дисторзирующих ПОС на базе ОПБ и ОЭП с их использованием, где обеспечиваются условия повышения освещенности и разрешения на МПИ по сравнению с известными конструкциями ОПБ.
Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи:
Поиск дополнительных параметров и условий, определяющих повышение как разрешения так и освещенности в плоскости МПИ.
Разработка принципов построения ПОС на основе ОПБ и схем ОЭП, позволяющих повысить разрешение и освещенность на МПИ, разработка и реализация методики расчёта ОПБ, отвечающей этим принципам.
Разработка новых конструкций ОПБ и исследование их характеристик. Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
1. Установлено, что при фиксированном угловом поле (2со = const) в дисторзирующеи системе уменьшение отношения диаметра приемника к
8 фокусному расстоянию dmlf в равной степени как и увеличение относительного отверстия DBK/f приводит к увеличению освещенности и уменьшению дифракционного кружка рассеяния на МПИ.
2. Предложены принципы построения дисторзирующей ПОС, состоящие в
расположении выходного зрачка ПОС в бесконечности;
устранении сферической аберрации в зрачках;
устранении отступления от условия синусов в зрачках;
и обеспечивающие достижение dmlf при 2со = 180 равным установленному в работе теоретическому пределу dmlf = 2, и одновременно выравнивание освещенности и разрешающей способности по полю.
3. В соответствии с принципами, изложенными в п. 2, разработана и
реализована методика определения конструктивных параметров исходного
варианта дисторзирующего ОПБ в приближении аберраций третьего порядка,
по которой получены разнообразные конструкции ОПБ, отличающиеся от
известных:
минимальным отношением dm/f = 2 при 2со = 180;
повышенным относительным отверстием (1/2.5 - 1/3), при котором в угловых полях 2а> > 180 в инфракрасном спектральном диапазоне максимальные кружки рассеяния по всему полю соизмеримы с размером элемента разложения МПИ, доведенным до дифракционного предела.
4. Предложены принципы построения приемных оптических систем
панорамных ОЭП, состоящие в
обеспечении телецентрического хода главных лучей не только на выходе ОПБ, но и перед МПИ;
ограничении относительного отверстия, при котором на МПИ не попадает внеинформационное излучение пространства предметов и одновременно обеспечивается необходимая разрешающая способность.
5. Предложены схемы приемных оптических систем панорамных ОЭП,
включающие ОПБ с полевой диафрагмой в плоскости его действительного
9 изображения, в которых предложенные принципы реализованы одним из следующих способов:
путем установки апертурной диафрагмы вне ОПБ внутри афокальной оптики переноса изображения на МПИ;
с помощью волоконно-оптических дисков различной конфигурации, выходная плоская поверхность которых совмещена с МПИ;
с помощью микроканальных пластин с поглощающим покрытием, выходная плоская поверхность которых совмещена с МПИ. Достоверность результатов работы подтверждается проведенным
анализом значительного количества оптических систем путем расчета параксиальных и действительных лучей от различных точек панорамного пространства при различных относительных отверстиях в различных спектральных диапазонах с использованием программы для оптических расчетов Zemax и сравнением с опубликованными результатами других авторов.
Практическая значимость. Разработанная методика расчета конструктивных параметров ОПБ доведена до конкретных алгоритмов расчета, практических рекомендаций. Проведенные расчеты обобщены в виде таблиц и графиков, которые позволяют определять конструктивные параметры ОПБ по заданным значениям диаметра приемника излучения и углового поля, что повышает эффективность разработки новых ПОС ОЭП.
Основные результаты диссертационной работы использованы ФГУП НПП «Геофизика-Космос», а также при проведении НИР и в учебном процессе МЭИ (ТУ).
За создание панорамного объектива для приборов широкого применения кафедра светотехники МЭИ (ТУ) награждена дипломом как победитель конкурса инновационных проектов II Международного Форума «Оптика-2006», автор награжден медалью «ЛАУРЕАТ ВВЦ» (удостоверение № 2108).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 55 рисунками, 7 таблицами, включает 13 приложений на 66 страницах. Список литературы включает 64 наименования.
В первой главе проводится анализ литературных данных, рассматриваются основные способы построения панорамных оптических систем, представлен анализ известных ПОС.
В первом параграфе анализируются два основных принципа построения ПОС. Показано, что на настоящий момент наиболее востребованы именно дисторзирующие системы, формирующие плоское изображение и обеспечивающие возможности работы в широком угловом поле с современными МПИ.
Во втором параграфе рассматривается ряд сложных линзовых и зеркально-линзовых ПОС, выделяются конструкции, которые можно назвать прототипами ПОС, построенных на базе ОПБ, анализируются базовые принципы построения таких конструкций.
В третьем параграфе приводится краткий обзор, а затем анализ панорамных насадок, который показывает, что такие системы отличаются рядом существенных недостатков, среди которых сложность конструкции, большие габариты невозможность использования таких систем в полевых условиях. Приводится обзор известных типов конструкций ОПБ и панорамных ОЭП на их основе. Показано, что ОПБ отличаются возможностью формирования высокого качества изображения особенно в инфракрасном диапазоне спектра, простотой и технологичностью конструкции, возможностью обеспечения угловых полей, значительно превышающих 180. Отмечено, что отсутствие методик расчета различных типов ОПБ затрудняет расчет и анализ различных типов конструкций ОПБ. Показано, что на настоящий момент не сформулированы основные принципы построения приемных оптических
11 систем на базе ОПБ, что затрудняет внедрение ОПБ в панорамные приборы широкого назначения.
Вторая глава посвящена разработке принципов построения ПОС, а также методике расчета ОПБ. Исследованы конструкции ОПБ, рассчитанные по разработанной методике.
В первом параграфе представлена расчетная схема формирования панорамного изображения, проводится выбор основных параметров ПОС. Выведенные выражения и представленные результаты расчета известных конструкций ОПБ позволили предложить приведенное значение dmlf при 2со = 180и зависимость размера изображения от углового поля у'(со) в качестве основных параметров ПОС. Показано, что уменьшение dmlf в ПОС ведет к повышению уровня освещенности в плоскости изображения, повышению дифракционного разрешения.
Во втором параграфе исследуются способы управления величиной изображения и характером зависимости у '(со) с целью уменьшения отношения dmlf. Показано, что управлять размером изображения в дисторзирующей ПОС можно именно выбором положения выходного зрачка. Определяется теоретический предел отношения dmlf = 2 при 2а) = 180 при расположении выходного зрачка в бесконечности при устранении сферической аберрации в зрачках и выполнении условия синусов в зрачках. Показано благоприятное влияние телецентрического хода главных лучей (выходной зрачок в бесконечности) и устранения сферической аберрации и отступления от условия синусов в зрачках на основные характеристики ПОС. Сформулированы принципы построения ПОС, состоящие в обеспечении телецентрического хода главных лучей на выходе ПОС, устранении сферической аберрации в зрачках и отклонения от условия синусов в зрачках.
В третьем параграфе, на основании предложенных принципов разработана принципиальная схема построения ОПБ и методика расчета ОПБ в приближении аберраций третьего порядка. По результатам расчета
12 конструктивных параметров исходных вариантов ОПБ выделено пять различных типов конструкций ОПБ, рекомендованных к применению.
В четвертом параграфе проведено исследование основных параметров ОПБ и их влияние на выходные характеристики. Представлены результаты расчета конструкций ОПБ. Проведено исследование возможностей попадания внеинформационных лучей в плоскость изображения ОПБ, формирующего действительное изображение. Результаты расчета представлены в виде таблиц, графиков. Ряд рассчитанных конструкций обеспечивает равенство размера изображения теоретическому пределу, разрешение, близкое к дифракционному при относительных отверстиях 1/2.5 - 1/3 в спектральном диапазоне 8-12 мкм.
В третьей главе предлагаются принципы построения приемной оптической системы ОЭП на базе ОПБ и схемы, реализующие эти принципы.
В первом параграфе анализируются условия работы ОПБ, формирующего действительное изображение с МПИ. Проведенный анализ позволяет сформулировать основные принципы построения приемной оптической системы ОЭП, состоящие в обеспечении телецентрического хода главных лучей как на выходе ОПБ, так и на входе МПИ и в ограничении относительного отверстия, при котором на МПИ не попадает внеинформационное излучение пространства предметов и одновременно обеспечивается необходимая разрешающая способность.
Во втором параграфе предлагаются схемы, реализующие эти принципы путем установки апертурной диафрагмы вне ОПБ внутри афокальной оптики переноса изображения на МПИ, в плоскость промежуточного действительного изображения, сформированного ОПБ, устанавливается полевая диафрагма для дополнительного снижения уровня фоновой засветки на МПИ. Приведены результаты расчета и анализа таких систем.
В третьем параграфе предлагаются схемы, реализующие сформулированные принципы построения приемной оптической системы ОЭП с помощью волоконно-оптических дисков различной конфигурации, выходная
13 плоская поверхность которых совмещена с МПИ, а также с помощью микроканальных пластин с поглощающим покрытием, выходная плоская поверхность которых совмещена с МПИ.
В конце каждой главы приведены основные выводы по соответствующей главе.
Заключение представляет собой основные выводы по диссертационной работе.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [32 - 34, 41, 49-50,53-64].
Публикации. По результатам работы было опубликовано 18 научно-технических работ. На предложенные схемы построения приемных оптических систем панорамных ОЭП на базе ОПБ получено два патента РФ на полезную модель и один патент РФ на изобретение.
На защиту выносится;
1. Обоснование использования отношения диаметра приемника
излучения к фокусному расстоянию dnJf при 2со = 180 в качестве основного
параметра дисторзирующей ПОС наряду с относительным отверстием, угловым
полем и фокусным расстоянием.
Формула управления размером изображения при изменении положения зрачков в дисторзирующей ПОС. Установленный теоретический предел отношения djf - 2 при 2со = 180. Принципы построения дисторзирующей ПОС и принципиальная схема ОПБ, где отношение dmlf равно установленному теоретическому пределу.
Методика и результаты расчета различных типовых конструкций ОПБ.
4. Принципы построения приемной оптической системы панорамного
ОЭП, схемы ОЭП, построенные на базе ОПБ, в которых предложенные
принципы реализуются различными способами.
Линзовые и зеркально-линзовые дисторзирующие объективы
Все дисторзирующие объективы можно условно разделить на два типа: линзовые и зеркально-линзовые.
Линзовые объективы, формирующие изображение всего панорамного пространства широко применяются в фотографии и носят название «рыбий глаз». Это название в литературе появилось впервые в 1932 году, так был назван первый известный дисторзирующий объектив Гилля. Этот объектив имел в своём составе всего три линзы и обеспечивал относительное отверстие 1/22 при угловом поле 180.
С тех пор объективы такого типа прошли долгий путь развития, теперь это многолинзовые, сложные современные объективы, формирующие высококачественное изображение. Рассмотрим, каковы основные особенности таких систем, какие задачи стоят перед их разработчиками.
На рис. 5 представлено две типичных современных конструкции фотографических объективов типа «рыбий глаз» [10], среди них объектив Coiucci — панорамный объектив, формирующий изображение с диаметром 35 мм (то есть только в углах кадра изображение соответствует угловым полям около 180), и объектив Takashi, максимальный размер изображения которого составляет 21 мм (изображение всего панорамного пространства укладывается в пределы кадра).
Как у всех дисторзирующих систем передний элемент таких объективов имеет большую отрицательную оптическую силу по сравнению с обычными реверсивными телеобъективами. Чтобы система была объективом, последующая группа линз — короткофокусная. Это заставляет оптические элементы работать в очень жёстких условиях, становится трудно подавить кривизну поля и астигматизм.
Для исправления кривизны поля и астигматизма за апертурной диафрагмой ставится по крайней мере одна склейка из положительной (с малым показателем преломления и малой дисперсией) и отрицательной линзы (с большим показателем преломления и большой дисперсией). Это позволяет не только скомпенсировать астигматизм и кривизну поля, но и помогает исправить хроматизм.
Дисторзирующие объективы нарушают условие косинуса в четвертой степени для облучённости, так как за счёт отрицательной дисторсии имеет место сгущение пучков на краю поля зрения. Однако, так как в фотографических объективах допускается падение облучённости до 50%, разработчики используют виньетирование для уменьшения полевых аберраций на краю поля зрения. Поэтому в таких объективах падение облучённости на краю часто достигает максимальных значений 45% - 48% [10]. Разработчики свидетельствуют, что при увеличении относительного отверстия равномерность облучённости по полю улучшается.
В фотографических дисторзирующих объективах в идеальном случае представляется, что зависимость координаты точки на приёмнике от углового поля на входе должна иметь вид у (со) = асо, где со — угловое поле на входе, у (со) — расстояние от центральной точки на приёмнике до координаты изображения, а — масштабный коэффициент. Дисторсию, которая обеспечивает линейную зависимость у (со), в литературе принято называть fheta («эф-тета») дисторсией.
В реальной системе эта зависимость ближе к синусоидальной, поэтому её предлагают аппроксимировать функцией: у\со) = a sin{bco), где Ъ — параметр, который в идеальном случае должен стремиться к нулю.
В фотографических дисторзирующих объективах есть понятие сжатия изображения — отношение величины изображения на краю к величине изображения в центре поля зрения. Разработчики стремятся минимизировать этот эффект, обеспечить линейную зависимость у (со). Для ряда современных дисторзирующих объективов данные по кривым зависимости размера изображения от углового поля и сжатию изображения на краю можно найти в [10].
Существуют линзовые объективы, работающие с темновой зоной [1]. Существенных отличий от объективов, работающих без темновой зоны, такие объективы не имеют. Наличие нерабочей зоны, как правило, связано с отсутствием необходимости обзора поля у оптической оси.Зеркально-линзовые объективы, как правило, имеют темновую зону, которую специально устраняют в составных объективах, где центральная зона работает независимо, как отдельный объектив в относительно узком угловом поле (примеры таких систем приведены в [1]).
В рамках данной работы хотелось бы особо отметить две конструкции зеркально-линзовых объективов.
Среди отечественных разработок панорамных объективов одной из наиболее интересных и актуальных в рамках темы данной работы является конструкция широкоугольного зеркально-линзового объектива, разработанного Е.Н. Гончаренко и Г.Ф. Беляковым в 1968 году [11], которая представлена на рис. 6.
Объектив состоит из 2-х компонентов — дисторзирующего зеркально-линзового монолита (кроме того, являющегося составным объективом) и оптики переноса панорамного изображения, роль которой выполняет известный объектив «Сферогон», работающий в достаточно узком угловом поле и позволяющий сформировать на пленке качественное изображение панорамного пространства. Дисторзирующая часть (передний отрицательный компонент) состоит из внутренней части, которая работает в угловом поле 2(0 от 28 до 110 и представляет собой систему, основу которой составляет двухзеркальная композиция (плоское зеркало и эллиптическое зеркало) в стекле, входная и выходная поверхности — сферические и апланатические для главных лучей. То есть можно говорить о том, что в данной системе устранена сферическая аберрация в зрачках и выполнено условие синусов для зрачков. Подобным образом реализована и внешняя часть панорамной
Принципы построения дисторзирующей ПОС
Формирование панорамного изображения (2со 180) конечных размеров на МПИ осуществляется за счет введенной дисторсии. Однако, при разработке дисторзирующей ПОС использование непосредственно значения дисторсии, как отклонения координаты главного луча у от координаты идеального изображения у о при со - 90 для достижения нужного диаметра приемника сіпи не представляется возможным, так как у\ = оо. Поэтому при выборе принципиальной схемы ПОС контроль введенной дисторсии ведется по значению у (со), но при этом учитываются основные факторы, влияющие на величину дисторсии. Среди них непостоянство углового увеличения в зрачках и сферическая аберрации в зрачках (рис. 28). Именно их присутствие в системе в значительной степени обеспечивает наличие дисторсии.
Обобщающий опыт известных разработок ОПБ [51, 11 - 13], основные выводы из теории аберраций [3, 52], а также опыт собственных расчетов показывает, что, несмотря на то, что для формирования изображения панорамного пространства необходимо ввести значительную дисторсию, тем не менее, в диссертационной работе предлагается при разработке дисторзирующей ПОС устранять и сферическую аберрацию в зрачках, и отступление от условия синусов в зрачках, так как это влияет на основные характеристики ПОС нужно обратить особое внимание на устранение аберраций в зрачках.
При отсутствии сферической аберрации в зрачках создается реальная возможность достижения 2со 180 при DJf от 1/5 и выше при отсутствии виньетирования в зрачках.
Одновременное устранение сферической аберрации в зрачках и отступления от условия синусов гарантирует постоянное увеличение в зрачках, что обеспечивает монотонно возрастающую зависимость у {со) при отсутствии наложения изображений от различных точек поля.
Одновременное устранение сферической аберрации в зрачках и отступления от условия синусов благоприятно влияет на уменьшение полевых аберраций, а также способствует уменьшению световых диаметров (габаритов) при отсутствии виньетирования.
Поэтому единственный способ управления величиной изображения (определяемой дисторсией) — выбор положения зрачков.
Итак, рассмотрим систему, которая формирует изображение конечных размеров в плоскости идеального изображения, сферическая аберрация в зрачках, а также отклонение от условия синусов полностью устранены (рис. 29). Рассмотрим ход главного луча, поступающего в систему под углом со.
Тогда из рис. 29 величина изображения у (со) составляет: при условии устранения сферической аберрации в зрачках и выполнения условия синусов для зрачков увеличение в зрачках [3]:sin ш (И)конечных размеров в плоскости параксиального изображения, в которой отсутствует сферическая аберрация в зрачках и выполнено условие синусов взрачках.
Подставив выражение (10) в (11) получим зависимость величины изображения на МПИ от положения зрачков ПОС, определяющее также характер зависимости/ ) (формула управленияу (со))в такой системе в виде:.которая показывает, что на у (со) (при условиях устранения сферической аберрации в зрачках и выполнения условия синусов) непосредственно оказывает влияние положение зрачков ПОС (р — положение изображения относительно выходного зрачка, и соответствующее ему линейное увеличение в зрачках /?зр и угол главного луча в пространстве изображений со ).
Для идеального положения зрачков и изображения и для объекта вz бесконечности: Д?р. = —fr где р = — г Ц), тогда р = / Дф.Получена формула управления величиной изображения ПОС:При расположении выходного зрачка в бесконечности, обеспечивающем телецентрический ход главных лучей на выходе ПОС, величина изображения определяется как:
Этот минимальный размер отношения dnJf предлагается рассматривать как теоретически достижимый предел размера изображения для со = 90 в системе, формирующей изображение конечных размеров в плоскости параксиального изображения, в которой отсутствует сферическая аберрация в зрачках и выполнено условие синусов.Рассмотрим, что будет происходить с размером изображения в системе с различным положением выходного зрачка и увеличением в зрачках (/?зр. ф со) — см. табл. 4.
Исследование характеристик ОПБ
Из методики расчёта легко выделяются параметры ОПБ, практически полностью определяющие конструкцию и выходные характеристики:двухзеркальной композиции соответственно (в обратном ходе дляглавных лучей) Кт в сочетании с параметром р\ 0бР.х — отношением фокусногорасстояния блока к радиусу первого компонента (в обратном ходе). Эти двапараметра полностью определяют конструкцию двухзеркальной композиции,основы ОПБ.
Если двухзеркальные композиции рассчитываются из условия полного устранения сферической аберрации в зрачках в области третьих порядков, то двухзеркальная композиция однозначно описывается только одним параметром: р\ обрл — однозначно описывает композицию (см. график Кт(р\ обрл)) на рис. 34.2. Показатель преломления материала блока п, определяющий не толькоспектральный диапазон работы блока, но и оказывающий влияние на егоосновные выходные характеристики.
Кроме того, для конструкций со сферическими поверхностями важным параметром можно считать параметр Асм, представляющий собой расстояние между фокусом двухзеркальной композиции и центром кривизны входной преломляющей поверхности и характеризующий величину сферической аберрации для главных лучей, что в свою очередь влияет на такие параметры как максимальное угловое поле, dmlf и т.д.
Величина Асм определяется способом стыковки (разд. 2.3.3). По первому способу Асм = 0, по второму и третьему — нет. Введение небольшого Дсм (т.е. небольшой сферической аберрации в зрачках определенного знака) может способствовать увеличению максимального углового поля (рис. 35, конструкция Е — главный луч в обратном ходе преломляется на входной поверхности в направлении увеличения угла со на входе), Дсм другого знака (Дсм 0) позволяет уменьшить темновое поле.
То есть наличие небольшой сферической аберрации дает дополнительные возможности увеличения углового поля при разработке исходного варианта.
Величина Дсм оказывает влияние на выходные характеристики, однако не определяет тип конструкции ОПБ, оказывает не столь существенное влияние на выходные характеристики ОПБ по сравнению с показателем преломления п и параметром рх обр.х.
Выделение основных параметров блока позволяет легко систематизировать всё множество конструкций, выявить влияние основных параметров на выходные характеристики ОПБ.
Каждой конструкции (для исходных вариантов со сферическими поверхностями, в которых выполнено условие устранения сферической аберрации в области третьих порядков, Дсм 0) в соответствии с выбранными параметрами был присвоен шифр вида «р\ обрх/материал блока».
Для анализа основных зависимостей в качестве анализируемых выходных характеристик выбраны: сотдХ, значение (90) и зависимость у\со)/f, Ду (90) — размер кружка рассеяния для со - 90, SWf.На рис. 37 - 40 представлены основные рассчитанные зависимости. Представленные зависимости для блоков с действительным изображением позволяют выявить следующие закономерности:- Увеличение показателя преломления способствует уменьшению размера приемника для данного значения углового поля (рис. 37), значение р\ обрл слабо влияет на эту характеристику.- Увеличение показателя преломления и увеличение р\ 0бР.х по абсолютному значению способствует уменьшению S o — в блоках с действительным изображением способствует смещению плоскости изображения к последней плоской поверхности (рис. 38).- Повышению аберрационного разрешения способствует уменьшение показателя преломления, а также увеличение р\ 0бР.х по абсолютному значению (рис. 39). Однако изменения (подбора) этих характеристик недостаточно, чтобы в видимом диапазоне обеспечить качество, близкое к дифракционному даже для DBX/f= 1/5.- Увеличение показателя преломления и увеличение р\ обр.х по абсолютному значению способствует расширению рабочего углового поля (рис. 40), то есть в инфракрасном диапазоне спектра можно обеспечить максимальное угловое поле, достигающее 145.
Все представленные выше в виде графиков зависимости могут быть проиллюстрированы качественно, как это показано на рис. 41, что позволяет быстро и эффективно выбирать конструкцию исходного варианта блока с действительным изображением (построенного на композиции из зоны D). Так, например, при расчете блока в любом спектральном диапазоне при высокой разрешающей способности и максимально возможном угловом поле в качестве дополнительных условий следует выбирать конструкцию с минимальным Р\ обр.х = ( 0.31) - - (-0.32) при этом 5"о будет существенно больше нуля — действительное изображение. Во всех конструкциях увеличение показателя преломления способствуетувеличению максимального углового поля сотйХ.
На рис. 42 приведены зависимости y\oS)/f в зависимости от углового поля для разных типов блоков, рассчитанных по представленной методике. Для сравнения приведены соответствующие зависимости для некоторых известных конструкций ОПБ. Видим, что получены различные зависимости, для блоков типа A, D — близкие к синусоидальным, для блока типа С зависимость близка к линейной. При расчете исходных вариантов не ставилось цели достичь максимального углового поля, однако существенно его повысить можно на этапе коррекции.
Сравнение рассчитанных исходных вариантов конструкций с известными показывает, что методика позволила впервые практически получить минимальный размер изображения (например, в блоках A/0.944/Ge, D/-0.309/Ge), который при этом близок к теоретическому пределу (dm = 2у (90) = 2/) при выполнении условий разработанной методики, что доказывает правильность выбранных предпосылок.На рис. 43 представлено распределение освещенности для некоторых конструкций, роизвольно выбранных из рассчитанных конструкций ОПБ. Можно видеть, что не только не наблюдается спада, пропорционального косинусу в четвертой степени, характерного для ортоскопических систем, но в большинстве случаев уровень освещенности практически постоянен.
Приемная оптическая система панорамного ОЭП с апертурнои диафрагмой и линзовой оптикой переноса
Наиболее простой способ обеспечения относительного отверстия в системе с ОПБ — установка вещественной апертурной диафрагмы вне ОПБ.
Для установки апертурной диафрагмы в приемную оптическую систему с ОПБ нужно ввести, по меньшей мере, ещё один элемент, как это схематично показано на рис. 50. В этом случае сохраняется телецентрический ход лучей на выходе блока, но не на входе приемника излучения. Такой вариант оптики переноса может быть достаточно компактным.
Телецентрический ход благоприятен не только для ОПБ, но и для формирования изображения на МПИ. Поэтому в качестве оптики переноса для ОПБ с телецентрическим ходом главных лучей на выходе предлагается афокальная система постоянного увеличения, значение которого определяется соотношением фокусных расстояний входящих в нее компонентов (рис. 51). Изображение, сформированное ОПБ, находится в передней фокальнойплоскости первого объектива и передается вторым объективом на приемник излучения, расположенный в задней фокальной плоскости второго объектива.Рис. 51. Двухкомпонентная схема оптики переноса.
При передаче изображения каждой точки панорамного пространства между первым и вторым объективами формируется наклонный параллельный пучок лучей. Задний фокус первого объектива и передний фокус второго объектива совмещены, именно здесь установлена апертурная диафрагма, выделяющая требуемое относительное отверстие.
Если углы падения внеинформационных лучей больше, чем углы сходимости информационного пучка, апертурная диафрагма, ограничивающая информационные пучки, защищает систему от попадания на приёмник излучения пучков лучей всех видов фоновых засветок.
Длина приемной оптической системы с двухкомпонентной оптикой переноса оказывается весьма значительной, особенно длинной система получается с ОПБ, формирующим действительное изображение. Для сокращения продольных габаритов такой системы может быть использована трехкомпонентная оптика переноса (рис. 52). Рис. 52. Трехкомпонентная схема оптики переноса.
В двухкомпонентной схеме в состав первого объектива вводится дополнительная линза-коллектив, позволяющая уменьшить длину всей системы и создать более благоприятные условия для равномерного заполнения пучками лучей апертурной диафрагмы.
Изображение, сформированное блоком, располагается в передней фокальной плоскости первого двухкомпонентного объектива (внутри линзы-коллектива) и передается вторым объективом в его заднюю фокальную плоскость на приёмник излучения. Апертурная диафрагма располагается в плоскости совмещенных фокусов объективов — на втором компоненте первого объектива.
По трем предложенным схемам были рассчитаны различные варианты приемных оптических систем ОЭП на базе ОПБ как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне спектра (приложение М). При расчетах использовались только сферические поверхности.
Примеры конкретной реализации некоторых из рассчитанных систем представлены на рис. 53. Наиболее существенные для анализа результаты 118 расчета приемных оптических систем панорамных ОЭП представлены в табл. 7, где указаны шифр схемы (ОП-0 — оптика переноса, построенная по схеме на рис. 50, ОП-1 — оптика переноса построена по схеме двухкомпонентной оптики переноса, ОП-2 — оптика переноса построена по трехкомпонентной схеме); шифр блока, на котором построена система;/ — фокусное расстояние; L — длина всей системы; by /f — диапазон значений отношения аберрационного кружка рассеяния Ау (в мкм) к фокусному расстоянию/ (в мм) для ОПБ и для всей системы, построенной на ОПБ; Nn — количество линз в оптике переноса. Хотелось бы дополнительно отметить, что шифр блока в данной таблице определяет исходный вариант конструкции ОПБ, но не саму конструкцию, полученную в ходе оптимизации и анализа прохождения внеинформационных пучков. Примеры некоторых конструкций представлены в приложении М. Относительное отверстие всех рассчитанных конструкций приемных оптических систем— 1/2.5.
