Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристики объективов телевизионных систем скрытого наблюдения 13
1.1. Объектив в системе замкнутого телевидения 13
1.2. Внешние характеристики телевизионных объективов 17
1.2.1. К вопросу оценки качества ОЭП наблюдения 17
1.2.2. Представление элементов ОЭП наблюдения на высшем уровне проектирования 22
1.2.3 Выходные присоединительные характеристики и качество изображения ОС 28
1.3. Особенности оптических схем телевизионных объективов скрытого наблюдения 34
1.3.1. Оптические характеристики и дисторсия телевизионных объективов скрытого наблюдения 35
1.3.2. Особенности структуры оптических схем телевизионных объективов скрытого наблюдения 40
1.3.3. Выбор предмета исследования 51
Выводы к главе 1 53
2. Аналоги и прототипы объективов скрытого наблюдения и методы их расчета 54
2.1. Реверсивные телеобъективы 54
2.1.1 Структурные схемы реверсивного телеобъектива 54
2.1.2 Примеры реверсивных телеобъективов 56
2.2. Объективы с вынесенным входным зрачком 58
2.2.1 Примеры сложных ОС, включающих компонент с вынесенным входным зрачком 58
2.2.2 ОС с вынесенным входным зрачком в наблюдательных приборах 58
2.2.3 Объективы с вынесенным входным зрачком сканирующих устройств 62
2.2.4 Объективы с вынесенным входным зрачком для подводной фотографии 62
2.2.5 Функция светораспределения в плоскости изображения объективов скрытого наблюдения 63
2.2.6 Приемы исправления аберраций в гидрообъективах с вынесен- стр. ным входным зрачком 66
2.2.7 Передача перспективы и допустимая остаточная дисторсия объективов с вынесенным входным зрачком 66
2.3. Обоснование методов расчета широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком 69
2.3.1. Метод развития характеристик известного прототипа ОС 69
2.3.2 Метод профессора Д.С. Волосова расчета сложных анастигматов, содержащих компоненты конечной толщины 70
2.3.3 Метод синтеза базовой схемы из изопланатических линз 74
2.3.4 Метод разделения переменных (алгебраический метод) расчета ОС, представляющих комбинацию тонких компонентов 76
2.3.5 Модифицированный метод разделения переменных 77
Выводы к главе 2 81
3. Синтез широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным зрачком из однородных оптических элементов 82
3.1. Выбор структурной схемы реверсивного телеобъектива с вынесенным входным зрачком 82
3.1.1. Теоретические предпосылки синтеза 82
3.1.2. Структурные оптические схемы известных объективов скрытого наблюдения 84
3.1.3. Влияние толщины блоков на аберрации схем объективов известных конструкций 89
3.1.4. Описание структурной схемы 90
3.1.5. Типы структурной схемы реверсивного телеобъектива. 95
3.2. Синтез базовой схемы реверсивного телеобъектива с вынесенным входным зрачком 97
3.2.1. Синтез структурной схемы реверсивного телеобъектива. Расчет внешних параметров 97
3.2.2. Синтез структурной схемы реверсивного телеобъектива. Расчет внутренних параметров 101
3.2.3. Синтез базовой схемы реверсивного телеобъектива. 103
3.3. Коррекционные возможности и конструктивная реализуемость структур- стр.
ной схемы реверсивного телеобъектива с вынесенным входным зрачком.. 108
3.3.1. Входные параметры синтеза 108
3.3.2. Исследование области существования структурной схемы и оптических сил ее компонентов 109
3.3.3. Коррекционные возможности мениска и его вклад в аберрационную коррекцию схемы 118
3.4. Синтез окончательной схемы реверсивного телеобъектива. Параметрический синтез с использованием программ оптимизации. 125
3.4.1. Описание оптимизационной модели 126
3.4.2. Математический аппарат оптимизации 129
3.4.3. Исходная точка оптимизации 130
3.4.4. Рекомендации по описанию оптимизационной модели для параметрического синтеза базовых схем реверсивных телеобъективов 130
Выводы к главе 3. 133
4. Широкоугольные объективы с вынесенным зрачком из однородных оптических элементов 135
4.1. Реконструкция широкоугольного объектива-аналога с вынесенным входным зрачком 135
4.1.1. Синтез структурной схемы реверсивного телеобъектива 13 5
4.1.2. Синтез базовой схемы 138
4.1.3. Тонкая автоматизированная коррекция 141
4.1.4. Качество изображения базовой и окончательной схем и объектива-аналога . 143
4.2. Широкоугольные реверсивные телеобъективы с вынесенным вход ным зрачком для матриц формата 1/2" 144
4.2.1. Синтез базовой схемы реверсивного телеобъектива по методу композиции ОС профессора М.М. Русинова 145
4.2.2. Синтез базовой схемы реверсивного телеобъектива с фронтальным мениском нулевой оптической силы по предложенной методике на основе модифицированного метода разделения переменных 147
4.2.3. Новые системы реверсивных телеобъективов с вынесенным входным стр зрачком для ПЗС-матриц формата 1/2" стандартного разрешения. 149
4.2.4. Новые системы реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком для ПЗС-матриц формата 1/2" высокого разрешения 158
Выводы к главе 4 160
5. Реверсивные телеобъективы с вынесенным зрачком с градиентными оптическими элементами 162
5.1. Описание дисперсионных характеристик градиентных сред 164
5.2. Выбор градиентных оптических материалов 166
5.2.1. Материалы для систем градиентной «макро-оптики» 167
5.2.2. Градиентные материалы с известными дисперсионными свойствами 168
5.2.3. Выбор дисперсионной модели для описания хроматических характеристик стекол марки GRADIUM 171
5.2.4. Модель Герцбергера для описания дисперсионных характеристик стекол марки GRADIUM GSF 173
5.3. Исследование оптической схемы реверсивного телеобъектива с вынесенным зрачком с градиентными оптическими элементами 177
5.3.1. Выбор метода и инструмента исследования 177
5.3.2. Методика синтеза градиентного реверсивного телеобъектива с вынесенным зрачком 178
5.3.3. Градиентный реверсивный телеобъектив с вынесенным входным зрачком для ПЗС-матриц формата 1/2" высокого разрешения 179
Выводы к главе 5 186
Заключение 188
Список литературы
- К вопросу оценки качества ОЭП наблюдения
- ОС с вынесенным входным зрачком в наблюдательных приборах
- Структурные оптические схемы известных объективов скрытого наблюдения
- Качество изображения базовой и окончательной схем и объектива-аналога
Введение к работе
Актуальность работы
В современных условиях высокой опасности террористических актов актуальной является задача обеспечения безопасности населения, частной и муниципальной собственности, промышленных и военных объектов. В связи с этим, актуальное направление современной вычислительной оптики связано с разработкой объективов для систем замкнутого телевидения, в частности, объективов с вынесенным зрачком для проведения скрытой телевизионной съемки.
Успех разработки таких систем может быть обеспечен только при ис-
t пользовании комплексного подхода, учитывающего особенности применения
новых многоэлементных приемников излучения (ПИ) и современные возможности оптической элементной базы, наряду с грамотным владением известными методами проектирования оптических систем (ОС) и новейшими компьютерными технологиями. Современный этап вычислительной оптики предполагает активное использование нетрадиционной элементной базы, в частности, градиентных элементов и линз с асферическими и дифракционными поверхностями. Это делает актуальным создание новых методик и отработку подходов в проектировании таких систем.
Объективы систем скрытого наблюдения характеризуются миниатюрной конструкцией и наличием специальных маскирующих диафрагм в пространстве предметов перед объективом. Достаточная информативность и небольшие габариты объектива могут быть обеспечены, если плоскость апертурной диафрагмы (АД) располагается в пространстве предметов, т.е. в объективах с вынесенным входным зрачком.
В современных объективах для ПЗС-камер используются дополнительные оптические фильтры и призмы, устанавливаемые в сходящиеся пучки лучей между последней поверхностью объектива и плоскостью изображения; в конструкциях ПЗС-матриц используется блок микролинз для улучшения фактора заполнения светочувствительных элементов ПИ. В связи с этим, оптическую схему объектива целесообразно рассчитывать из условия обеспечения телецентрического хода главных лучей в пространстве изображения.
Миниатюризация конструкции оптико-электронного прибора (ОЭП) скрытого наблюдения приводит к уменьшению продольной длины объективов и переходу к миниатюрным форматам ПИ. Для согласования входных и выходных присоединительных характеристик ОС требуется уменьшение фокус-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I 1 БИБЛИОТЕКА С Петербург
им^>к
ного расстояния при сохранении достаточной величины заднего отрезка объектива. При использовании ПЗС-матриц форматов 1/2", 1/3", 1/4" задний фокальный отрезок s'F сопоставим или превосходит фокусное расстояние/' ОС, т.е. решение находится в области реверсивных телеобъективов, для которых коэффициент krs'r/f'>[.
Целью диссертационной работы является разработка методик проектирования и расчет новых конструкций миниатюрных телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком, оптическая схема которых построена с использованием однородных и неоднородных оптических элементов.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
-
Проведена оценка работы ОС с позиций высшего уровня проектирования всего ОЭП наблюдения. Исследованы оптические, габаритные, присоединительные характеристики и качество изображения объективов, работающих с ПЗС-матрицами различных форматов и разрешения.
-
Проанализированы структура оптических схем объективов для систем скрытого наблюдения, принципы построения и методы расчета реверсивных телеобъективов и объективов с вынесенным входным зрачком. Сформирована новая структурная схема реверсивного телеобъектива с вынесенным зрачком и выбран метод ее расчета.
-
Разработаны методики проектирования широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком из однородных и неоднородных оптических элементов со сферическими поверхностями.
-
Оценена эффективность разработанных методик проектирования; рассчитаны новые ОС телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным зрачком на базе однородных и неоднородных оптических элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена новая структурная схема широкоугольного реверсивного телеобъектива с вынесенным входным зрачком, введена классификация схемы по четырем типам и выявлен принципиально новый тип структурной схемы реверсивного телеобъектива с исправленной кривизной поверхности изображения на основе двух положительных компонентов.
-
Разработаны методика синтеза однородного широкоугольного реверсивного телеобъектива с вынесенным зрачком, основанная на описании предложенной структурной схемы с помощью модифицированного метода разделения
переменных, и методика синтеза объектива с неоднородными оптическими элементами, основанная на методе модификации характеристик однородного прототипа и ориентированная на использование серийно производимых марок градиентных материалов. 3. Получены новые формулы, представляющие собой модификацию дисперсионной модели Герцбергера, для полихроматического описания оптических материалов с осевым распределением показателя преломления (РПП). Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
В возможности использования полученных результатов при разработке объективов и компонентов с вынесенным входным зрачком для систем видеонаблюдения, подводной фотографии, сканирующих устройств, наблюдательных приборов и т.д.
-
В расчете новых оптических схем реверсивных телеобъективов для ПЗС-матриц формата 1/2", отличающихся высокой защищенностью от визуального обнаружения, технологичностью конструкции и возможностью универсального использования с цветными и черно-белыми ПЗС-матрицами.
-
В увеличении эффективности процедур нелокальной оптимизации градиентных ОС при использовании предложенной модификации дисперсионной модели Герцбергера за счет ее более простого описания по сравнению с моделями Бухдала и Зельмейера; а также в возможности описания дисперсионных характеристик материалов GRADIUM в отечественных пакетах прикладных программ (111111).
Результаты работы использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР) ГРЛ 209/96, ГРЛ-705, ГРЛ 708, Г4Е9/99, Г14Е, проводимых кафедрами РЛ-2 и РЛ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана за период с 1997 по 2002 годы.
Апробация работы и публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 2 статьи, 1 методическое пособие к выполнению курсовых и дипломных работ и 7 тезисов докладов.
Материалы работы обсуждались на заседании кафедры РЛ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, докладывались автором на конференциях «Прикладная оп-тика-98» (С. Петербург, 1998), «Оптика-99» (С. Петербург, 1999), «Технология производства и обработки оптического стекла и материалов» (Москва, 2000), «170-лет МГТУ им Н.Э. Баумана» (Москва, 2000), «Оптика-2001» (С. Петербург, 2001), «Прикладная оптика-2002» (С. Петербург, 2002), «Опти-ка-2003» (С. Петербург, 2003).
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методика определения присоединительных, габаритных, оптических характеристик и требований к качеству изображения объективов для ОЭП скрытого наблюдения позволяет устанавливать требования технического задания на проектирование объектива с позиций высшего уровня проектирования.
-
Алгоритм определения внешних и внутренних параметров структурной схемы реверсивного телеобъектива с вынесенным зрачком позволяет синтезировать структурную схему объектива с заданными значениями выноса плоскости АД и плоскости изображения, телецентрическим ходом главного луча в пространстве изображения и заданной степенью коррекции комы, астигматизма, кривизны поверхности изображения и хроматизма увеличения.
-
Методики проектирования телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком обеспечивают возможность расчета объективов с заданным набором характеристик из однородных и неоднородных оптических элементов.
-
Модифицированная математическая модель Герцбергера позволяет описывать дисперсионные характеристики материалов с осевым РПП и повышает эффективность процедур нелокальной оптимизации градиентных ОС.
-
Новые объективы для ОЭП скрытого наблюдения, работающие с ПЗС-матрицами формата 1/2", построенные с использованием однородных и неоднородных оптических элементов, отличаются высокой защищенностью от визуального обнаружения, технологичностью конструкции и возможностью универсального использования с цветными и черно-белыми ПЗС-матрицами.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список цитируемых литературных источников из 103 наименования, изложена на 197 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков и 29 таблиц.
К вопросу оценки качества ОЭП наблюдения
На высшем уровне проектирования выходные присоединительные характеристики и требования к качеству объективов определяются параметрами используемой в приборе ПЗС-матрицы. В свою очередь, выбор того или иного типоразмера ПИ обусловлен задачами, которые решает ОЭП наблюдения в целом, а качество работы прибора наблюдения оценивается, исходя из возможности оператора решать задачи обнаружения и распознавания объектов по их изображениям, формируемым на экране монитора. В данном случае внешние выходные характеристики прибора определяются параметрами зрительной системы человека-оператора.
С целью формализации процесса преобразования изображения и принятия решений в зрительной системе человека ее представляют в виде математической модели со следующими функциями: - функция видности глаза к(к), характеризующая селективность восприятия глаза по длинам волн X излучения; - передаточная функция (ПФ) //3p(vt), характеризующая инерционность восприятия, где vt- временная частота; - функция контрастной чувствительности (ФКЧ) #k(vx,vy) (или реакция на синусоидальную волну), характеризующая пространственную селективность [7, 8,9], где vx, vy - пространственные частоты (ПЧ). Существует две теории представления зрительной системы человека как оптимального ПИ. Их отличие заключается в том, что в первом случае фильтр, осуществляющий обработку сигнала в приемнике, является одноканальным, а во втором случае — многоканальным. Второй случай в большей степени соответствует результатам экспериментальных исследований [7-9]. Многоканальная модель базируется на гипотезе, согласно которой для уменьшения избыточности информации изображение, формируемое в зрительной системе человека, на этапе вторичной обработки представляется в виде разложения в ортогональном базисе ограниченных в пространстве гармонических функций.
Сигнал от любого ограниченного объекта можно представить в виде разложения в базисе гармонических функций, ограниченных в пределах этой же области: 4(X,x ) = rect(f,f )(4(0,0) + (1-1) COS[2TI(— + -) + ф(-_)]} т,п=\ /Х /у /Х /у где Ifo.y) - произвольное пространственное распределение яркости объекта (изображение на экране монитора, созданное ОЭП наблюдения), ограниченное „ - ,х у. ,т п. в пределах прямоугольной области rect(—,—); 1 (—,—) - спектр амплитуд, /х /у 1Х 1у Ytl П ф(—,—)- спектр фаз функции L(x,y) в базисе ортогональных функций Нтп(х,у). х у Разложение сигнала в базисе ортогональных функций Нтп(х,у) эквивалентно его параллельной фильтрации, когда каждый тп-й фильтр описывается импульсным откликом ., . 1 ,х v. г_ ,хт уп„ ,. _ч Нтп (Х У ТТ rect(r f) COS[2TI(-— + +-)] (1.2) х у х у х у и соответствующей ПФ m п —)]sinc[7t/y(Vy- (Vx»Vy) = sincK(Vx -— )]sinc[7t/y(Vy -—)]. (1.3) Установлено, что опознавание хорошо известных объектов (например, наличие или отсутствие человека, автомобиля и т.д.) осуществляется при обнаружении в изображении от {т,п}=2...3 до {т,п}=4...5 гармоник. Усложнение структуры объекта требует для его опознавания увеличения числа параллельных фильтров до {т,п}=9...25 [7,9].
Выявлено, что число гармоник, требуемых для опознавания одного и того же образа, остается постоянным при изменении его размеров в широких пределах. Опознавание зрительных образов осуществляется путем последовательного выделения все более мелких деталей объекта (например, в последовательности: наличие автомобиля, марка, дефекты кузова, номерной знак), т.е. последовательного выделения гармоник высших порядков т, п [9].
Таким образом, разложение сигнала L(x, у) в базисе ортогональных функций Нтп{х,у) позволяет отфильтровать полезный сигнал, существенно уменьшив избыточность изображения.
Часто встречающаяся задача в ОЭП скрытого наблюдения заключается в идентификации личности человека. С целью установления минимального числа {т,п} гармоник, которые должны содержаться в изображении объекта наблюдения на экране монитора (объекте для оператора), ниже представлен численный эксперимент, упрощенно моделирующий указанную ситуацию.
В качестве исходного объекта использована цифровая фотография размерами /хх/у=39,5х39,5 мм2 (480x480 элементов), полученная сканированием с разрешением 300 точек/дюйм, что соответствует Vm H мм"1. Цветной сигнал предполагает представление объекта в виде массива из трех матриц (red_OBJ, green_OBJ, blue_OBJ, рис. \Л,а), отвечающих за красную R, зеленую G и синюю В составляющие пространственного распределения яркости L(x,y). Для получения черно-белого изображения достаточно одной цветовой составляющей (например, green_OBJ, рис. \А,а).
Пространственно-частотный спектр (ПЧС) L(vx,vy) распределения яркости объекта также представляет собой массив из трех матриц (F_red_OBJ, F_green_OBJ, F_blue_OBJ; рис. 1А,а), каждая из которых является прямым преобразованием Фурье матриц red_OBJ; green_OBJ; bIue_OBJ. Все необходимые вычисления произведены с помощью программы Mathcad 2000, текст задания которой приведен в прил. 1.1.
Любой, даже идеальный, ОЭП является фильтром низких частот (НЧ), что приводит к потере информативной составляющей сигнала. С целью имитации такой фильтрации из ПЧС распределения яркости последовательно вырезаются высокочастотные (ВЧ) составляющие, т.е. уменьшается число {т,п} гармоник. Отметим, что математическое моделирование не учитывает падение амплитуды НЧ составляющих, имеющее место при реальном прохождении сигнала.
ОС с вынесенным входным зрачком в наблюдательных приборах
Положение плоскости АД и несимметричность оптической схемы связаны с проведением скрытого наблюдения и использованием дополнительных маскирующих первую поверхность объектива сеток. Значительные угловые поля и небольшие габариты обеспечиваются в случае расположения АД перед первым компонентом ОС (рис. 1.3,6). Минимально необходимая для маскировки величина выноса sp входного зрачка составляет Sp= -0,5 мм [4].
С целью проверки выполнения условия скрытого наблюдения рассматриваемые объективы проанализированы в отношении величин выноса плоскости АД от вершины первой поверхности sp и от ее торца s p и значения диаметра D входного зрачка. Результаты исследования представлены в табл. 3.
Анализ данных табл. 3 позволяет сделать следующие выводы:
1) Большинство исследуемых объективов [12, 18-28] обеспечивает выполнение условия скрытого наблюдения; их АД вынесена в пространство предметов (sp 0). Исключение составляет объектив [23] с внутренним расположением АД (sp 0), что позволяет не проводить дальнейший анализ данной схемы.
2) Вынос Sp плоскости входного зрачка оптических схем [12], [20], [21], [22], [27] охватывает диапазон sp=-[1...5] мм; объектив [21] обеспечивает максимальную защищенность от визуального обнаружения.
3) Оптические схемы [18-19], [24-26], [28] обеспечивают минимально допустимый вынос Sp входного зрачка (sp=-[0,5...1] мм), возможность установки дополнительных элементов в таких схемах отсутствует, т.к. s p 0,5 мм.
4) Вероятность обнаружения объектива увеличивается с ростом диаметра входного зрачка системы. Тенденция последних лет связана: с уменьшением размеров АД до величин /)=0,8... 1,4 мм. Дальнейшее уменьшение размеров неприемлемо из-за существенного снижения светосилы прибора и проявления дифракционных явлений. Однако даже при указанных значениях диаметра D возникают трудности с удовлетворением ряда габаритных характеристик.
Таким образом, выполнение условия скрытого наблюдения приводит к ряду особенностей в структуре оптических схем телевизионных объективов:
1) Несимметричность оптических схем, связанная с положением входно го зрачка, влечет за собой усложнение аберрационной коррекции, рост винье тирования для крайних внеосевых пучков и, как следствие, увеличение нерав номерности освещенности плоскости изображения.
2) Исполнение первой поверхности, вогнутой к центру входного зрачка (рис. 1.20,я), обеспечивает близкое к нормальному падение лучей на поверх ность. Преимущество такого решения, в отличие от схемы на рис. 1.20,6, за ключается в уменьшении углов падения и преломления и, как следствие, в уменьшении аберраций высших порядков [13].
3)С другой стороны, обладая оптической силой, такая поверхность собирает отраженную составляющую падающего света, что приводит к появлению эффекта «глаз кошки» и увеличивает вероятность визуального обнаружения объектива [18]. Для улучшения защищенности комплекса от визуального обнаружения (живучести прибора) рекомендуется уменьшать кривизны первой поверхности, приближаясь в идеале к плоскости (рис. 1.8) и увеличивать вынос входного зрачка.
Выполнение УСЛОВИЯ телецентрического хода главного луча в пространстве изображения (условия телецентричности) проанализировано в оптических схемах исследуемых объективов (табл. 4).
В случае вынесенного в пространство предметов входного зрачка условие телецентричности выполняется при размещении АД в переднем фокусе ОС. Отклонение от указанного условия определяется величиной zp:
Анализ данных табл. 4 показывает, что в рассмотренных объективах условие телецентричности практически выполняется при zp/f 0,2, т.е. когда угол главного луча с оптической осью в пространстве изображений не превышает ±11 . Исключение составляют схемы, [12], [20] и [21]. Значительное отклонение от условия телецентричности в схеме [12] (zp /f =0,72) приводит к существенному влиянию дополнительных элементов на качество формируемого изображения. Как видно из рис. 1.7, объектив рассчитывается совместно со светофильтром и защитным стеклом ПЗС-камеры.
Условие реверсивного (ретрофокусного или обратного) телеобъектива выполняется, если вынос s r плоскости изображения такой ОС превышает ее фокусное расстояние. Степень реверсивности характеризуется коэффициентом kt реверсивного телеобъектива: kt=s /{ [13].
При ориентации последней поверхности ОС вогнутостью к плоскости изображения задний отрезок, используемый для установки дополнительных элементов, уменьшается на величину А стрелки прогиба последней поверхности (рис. 1.22). Уточненное значение s V рассчитывается как:
С целью проверки выполнения условия реверсивного телеобъектива рассматриваемые схемы проанализированы в отношении величин s F, s P- и отношения kt=s /( . Результаты исследования демонстрируются в табл. 5.
Структурные оптические схемы известных объективов скрытого наблюдения
Основная область применения фотографических широкоугольных реверсивных телеобъективов связана с схемами зеркальных фотокамер. В патентной литературе представлено значительное количество объективов указанного назначения [36-40], их подробный обзор дан в работе [41].
Широкоугольные фотографические реверсивные телеобъективы представляют собой сложные ОС, состоящие из 8-12 линз. Оптическая схема таких объективов строится с расположением АД внутри системы. По сравнению с объективами с вынесенным входным зрачком такое расположение АД благоприятно для коррекции комы, дисторсии и хроматизма увеличения [33]. Коэффициент kt превышает единицу для объективов средних фокусных расстояний и достигает двух и более для короткофокусных.
Примером сверхширокоугольного реверсивного телеобъектива для зеркальных фотоаппаратов является ОС с фокусным расстоянием f =20 мм, относительным отверстием D/f=1:3,5, угловым полем 2со=94 и выносом плоскости изображения 5 р=38 мм, т.е. с kt=\,9 (рис. 2.3, [17])
Объективы для подводного фотографирования представляют собой системы с большим угловым полем (2соВОДатах=70... 100), высоким относительным отверстием (D/( =l:1,5...1:2,8), стабильным распределением освещенности и качеством изображения в пределах всего поля [35]. Фокусное расстояние гидрообъектива определяется соотношением углового поля и размера кадра. Оптимальный размер кадра - стандартный фотокадр 24x36 мм (2/=43 мм); большие форматы приводят к увеличению размеров иллюминатора, объектива и габаритов всего прибора. При указанных значениях размера кадра и углового поля f=18..31 мм.
Объективы указанного назначения построены с использованием обоих вариантов структурных схем, описанных в п. 2.1.1. Двухкомпонентная структурная схема реализована в объективе Гидроруссар-8 с С вода=28,8 мм, 2соВОдаПт=720, Df{ =\ :3,5, 2/=40 мм. Коэффициент kt превышает t= 1,5. PC составляет 40 мм"1 в центре поля и 20 мм 1 для края поля; дисторсия и хроматизм увеличения для диапазона длин волн {k\..X-2\-F...C на краю поля менее 5% и 0,03 мм соответственно (рис. 2.4, [42]). Структурная схема на основе ТС реализована в объективе для 16-мм кинокамеры (рис. 2.5, [35]).
Компоненты с вынесенным входным зрачком являются распространенным узлом оптических схем современных наблюдательных приборов, сканирующих устройств и гидрообъективов. Такой компонент может представлять собой самостоятельную ОС или использоваться в составе сложной ОС [43,44].
В сложных ОС обеспечивается согласование зрачков и характеристик различных компонентов ОС. Одним из примеров такого рода систем являются проекционные системы типа Эйдофор, в которых входным зрачком проекционного объектива служит дифракционная решетка [33].
Известно оптическое устройство для наблюдения и прицеливания [46], оптическая схема которого содержит компоненты с вынесенным зрачком в качестве головного объектива и сменных оборачивающих систем.
Аберрационная коррекция сложных систем в большинстве случаев проводится из условия компенсации аберраций в системе. Поскольку степени аберрационной коррекции объектива скрытого наблюдения и компонента с вынесенным зрачком в составе сложной ОС значительно отличаются, последние не рассматриваются в качестве прототипов объективов скрытого наблюдения.
Объективы с вынесенным входным зрачком в сочетании с элементом отклонения светового луча:нашли широкое применение в,оптических схемах наблюдательных приборов (визир, перископ, медицинские и технические эндоскопы и т.д.). Такое решение оптической схемы позволяет существенно уменьшить габариты головных призмы, зеркала или объектива.
Отличительные черты таких систем следующие: большие угловые поля и относительные отверстия, высокое качество изображения в широком спектральном диапазоне, возможность работы с переменным увеличением. Однако специфика данного класса приборов не требует от таких систем выполнения условия реверсивного телеобъектива и предъявляет менее жесткие требования в отношении остаточной кривизны поверхности изображения по сравнению с широкоугольными фотообъективами [13, 33, 47]. Относительное отверстие головных объективов с вынесенным зрачком в ОС медицинских эндоскопов достигает Dl{ \ :3,1, но аберрационная коррекция не является самостоятельной.
ОКУЛЯР в обратном ходе лучей подобен объективу с вынесенным входным зрачком. Тем не менее, аберрационная коррекция окуляра и объектива значительно отличаются. Главное внимание при исправлении аберраций окуляра уделяется коррекции аберраций наклонных пучков. Коррекция сферической аберрации и хроматической аберрации положения требуется лишь при установке сетки в переднем фокусе окуляра. Специфика работы окуляра допускает, как правило, значительную остаточную кривизну поверхности изображения, при которой центр и край поля зрения находятся в пределах аккомодации глаза. Остаточное значение четвертой суммы составляет: 5 =0,7...0,8 для окуляра Рам-сдена, 5iv=0,85 для окуляра Эрфле, 5 1,2 для окуляра Гюйгенса [33]. Отличительная особенность окуляров в отношении габаритных характеристик связана с тенденцией увеличения выноса зрачка, что определяется положением глазного яблока. Вынос плоскости изображения Добычно не превосходит фокусное расстояние, т.е. условие реверсивности не выполняется.
В большинстве ОС с окулярами часть аберраций окуляра компенсируется изменением аберраций предшествующей системы. Однако в ряде случаев окуляр имеет самостоятельную аберрационную коррекцию.
Примером ОС с вынесенным входным зрачком, в частности, для использования в качестве окуляра, является схема [48] (рис. 2.6), в которой обеспечивается угловое поле 2со«45, относительное отверстие /f =l:2,5; удаление входного зрачка s =-0,5, вынос плоскости изображения J F=0,6...0,7. К сожалению, отсутствие данных о конструктивных параметрах схемы не позволяет провести ее анализ.
Качество изображения базовой и окончательной схем и объектива-аналога
Основные оптические и присоединительные характеристики, суммы Зей-деля и данные по PC базовой, окончательной и реконструируемой оптических схем представлены в табл. 20. PC оценивается на уровне контраста JT(V)=0,2 по значению пространственной частоты v МПФ (ПЧКХ) для центра поля со=0 и четырех значений зоны поля со=(-22,-34,—42,-48).
Оценка PC схем Analitjpatent-4 и [25] выполнена для двух спектральных диапазонов [X\...\-i\=F...С и [Лі...Л,2І=0,43...0,8 мкм. Спектральная эффективность излучения задана в соответствии с графиками спектральной чувствительности стандартных цветных и черно-белых ПЗС-матриц (рис. \.6,а-б).
На основании данных табл. 20 можно сделать следующие выводы: 1. Этап параметрического синтеза обеспечивает существенное улучшение качества изображения базовой схемы. По сравнению с [25] в диапазоне длин волн \\\...X-2\=F...С синтезированный объектив обеспечивает более высокую PC для точки на оси: VO 100MM против v0=75 мм 1, и сопоставимую PC для точки вне оси: уа=45...87 мм 1 и 0,=35...65 мм 1 соответственно.
2. Сформированная в результате синтеза коррекция хроматических аберраций объектива остается стабильной при существенном расширении спектрального диапазона с [ki...X2]=F...C до 0,43...0,8 мкм. Расширение спектрального диапазона приводит к незначительному снижению качества изображения, что позволяет использовать синтезированный объектив для работы как с черно-белыми, так и цветными ПЗС-матрицами.
Основная цель данного раздела - расчет широкоугольных объективов скрытого наблюдения, предназначенных для использования с ПЗС-матрицами формата 1/2" и обеспечивающих увеличенный задний отрезок и высокую защиту от визуального обнаружения.
Требования ТЗ: угловое поле в пространстве предметов 2со=80; диаметр входного зрачка D=l,4 мм; вынос плоскости входного зрачка Sp—2,5 мм—0,4 f; ПИ: цветная или черно-белая ПЗС-матрица формата 1/2" стандартного разрешения с размером элемента яххау=14х14 мкм и периодом дискретизации в вертикальной и горизонтальной плоскостях х= у=14 мкм.
Спектральный диапазон ОС составляет [к\.. .X-i\=F... С (цветная ПЗС-матрица) и [ 1... =0,43...0,8 мкм (черно-белая ПЗС-матрица); размер изображения 2У=8,0 мм ограничен диагональю матрицы 1/2". Фокусное расстояние объектива f=6,2...6,6 мм рассчитывается по формуле (1.17) при дисторсии АУ ЛИСТО=-4ОО= -23.. .28 %; относительное отверстие составляет Dl f=1:4,4... 1:4,7 (табл. 6). Минимальный вынос плоскости изображения 5 р =6,5...7,0 мм определяется установкой дополнительных оптических элементов.,
Синтез базовой схемы объектива осуществлен двумя способами: 1) с использованием разработанной методики на основе модифицированного метода разделения переменных; 2) с использованием метода композиции профессора М.М. Русинова. Синтезированные указанными методами базовые схемы расширяют область решений и увеличивают вероятность нахождения более глубокого минимума оптимизируемой функции.
Синтез базовой схемы реверсивного телеобъектива может быть условно разделен на два этапа. Целью первого этапа синтеза является коррекция монохроматических аберраций схемы, формирование которой проводится по методу композиции профессора М.М. Русинова.
Рассмотренные в главе 2 варианты построения объектива с вынесенным зрачком определили целесообразность использования комбинации изопланати-ческих линз типа К(кк)+Б(ак)+Б(ак). К ее достоинствам относят возможность получения большого выноса зрачка sp= -0,733 f и телецентрический ход главного луча в пространстве изображений.
Построение объектива, обозначенного далее как OMEGA-R, из заданной комбинации изопланатических линз проведено по программе ОПАЛ-Синтез 111111 ОПАЛ. Исходные данные синтеза, описанные на языке ОПАЛ, представлены в прил. 4.8. В качестве входных параметров синтеза в программе заданы толщины и материал изопланатических линз.
Синтез варианта базовой схемы, в которой все линзы выполнены из стекла СТК 19, окончился неудачей. Приемлемое решение получено при замене материала линзы К(кк) на стекло ЛКЗ (рис. 4.4,д, прил. 4.8).
На втором этапе синтеза базовой схемы проводится коррекция хроматических аберраций объектива OMEGA-R, при которой в изопланатические линзы вводят хроматические радиусы. К стеклу ЛКЗ линзы К(кк) подобрана пара стекол КФ6(яе= 1,5027, ус=56,99)-ЛКЗ(«е=1,4891, ve=69,87); к стеклу СТК 19 первой или второй линзы Б(ак) - пара ТФ4(ле= 1,7462, vc=27,32) -СТК 19(ис= 1,7476, ve=50,21). Таким образом, существует возможность синтеза двух вариантов базовых схем OMEGA-R1 и OMEGA-R2, отличающихся наличием хроматических радиусов в первой или второй линзе Б(ак) (рис. 4А,б-в). Заключительный шаг при работе с базовой схемой - ее масштабирование на требуемое фокусное расстояние (f=6,5 мм).
Похожие диссертации на Широкоугольные реверсивные телеобъективы на базе однородных и неоднородных оптических элементов
