Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ литературных данных 15
1.1 Многоканальные панорамные оптические системы 16
1.2 Панорамные оптические системы 20
1.2.1 Концентрические панорамные оптические системы 20
1.2.2 Дисторзирующие панорамные оптические системы 24
1.2.2.1 Многолинзовые дисторзирующие панорамные оптические системы 25
1.2.2.2 Зеркально-линзовые дисторзирующие панорамные оптические системы 29
1.2.3 Современные панорамные оптические системы 33
1.2.4 Построение панорамных оптических систем на базе оптических панорамных блоков 44
1.3 Выводы 49
ГЛАВА 2. Разработка принципов построения многоканальных пос без темнового поля. Методика расчета ОПБ с внеосевыми поверхностями 51
2.1 Основные параметры панорамных оптических систем. Выбор типа и основных параметров оптических панорамных блоков 51
2.2 Принципы построения многоканальных панорамных оптических систем без темнового поля на базе оптических панорамных блоков 63
2.3 Принципы построения оптических панорамных блоков с внеосевыми поверхностями 70
2.4 Методика расчета двухзеркальных композиций оптических панорамных блоков с внеосевыми поверхностями 76
Исследование оптических панорамных блоков поверхностями
Заключение 125
Список литературы
- Концентрические панорамные оптические системы
- Зеркально-линзовые дисторзирующие панорамные оптические системы
- Основные параметры панорамных оптических систем. Выбор типа и основных параметров оптических панорамных блоков
- Принципы построения оптических панорамных блоков с внеосевыми поверхностями
Введение к работе
Типичной для фотометрии в видимой области является задача управления освещенностью в туннелях, где по рекомендации международного комитета по освещению для обеспечения безопасности и создания комфортного условия для водителя различные участки туннеля должны иметь различные уровни освещенности. Уровни освещенности в различных участках туннеля контролируются различными фотометрическими приборами — яркомерами. Эффективность управления уровнем освещенности определяется полнотой информации о распределении яркости для всех точек туннеля. Значит, кроме яркомера, стоящего перед входом туннеля и контролирующего уровень освещенности въездной зоны, нужно установить несколько яркомеров в различных участках туннеля или перемещать их по всей трассе. Если яркомеры оснащены оптической системой, позволяющей одновременно получить изображения всех точек исследуемого пространства, то они могут контролировать распределение яркости различных прямолинейных участков туннеля, и таким образом, их использование позволяет повысить точность регулирования яркости и определить энергоэффективность работы всей системы управления освещением в туннелях.
В ИК области одной из важных задач фотометрии является получение карты распределения температуры замкнутого пространства, близкого к полусфере, без темновой области. Особенность этой задачи на современном этапе развития фотометрии заключается в необходимости одновременно получения информации о температуре для всех точек исследуемого пространства.
В фотометрии до сих пор не разработаны ни методики, ни приборы для одновременного измерения и контроля распределения яркости (температуры) для всех точек панорамного пространства в угловом поле а = 360 по азимуту и десятки градусов по углу места со.
Активное развитие панорамных оптических систем (ПОС) в смежной и близкой к фотометрии области оптотехники позволяет успешно решать не только задачи наблюдения, обнаружения, мониторинга, целеуказания, исследования внутренних полостей и т. д. в оптико-электронном приборе (ОЭП), но и может быть использовано для решения поставленных задач в фотометрии.
Появление и развитие современных многоэлементных приемников излучения (МПИ) как в видимом, так и в конце 90-х годов XX века в инфракрасном диапазоне спектра, открыло широкие возможности проектирования ПОС с повышенной разрешающей способностью как для ОЭП, так и для фотометрических приборов.
Обзор трехмерного панорамного пространства в угловом поле 360 по азимуту и десятки градусов по углу места может осуществляться путем оптико- механического сканирования, путем создания многоканальных устройств со стыковкой угловых полей, перекрывающих заданное пространство, и, наконец, путем использования ПОС.
Первый способ заключается в использовании сканирующего элемента, который последовательно проецирует мгновенное угловое поле (часть панорамного пространства) на приемнике излучения. За период работы эти мгновенные поля перекрывают все поле обзора. Достоинством этого метода является высокое разрешение при достаточно простой конструкции самой оптической системы, но присутствие подвижной части в системе снижает стабильность и надежность работы системы. Кроме этого, система со сканирующими элементами достаточно громоздка и она не позволяет одновременно просматривать все поле обзора, значит, нет возможности одновременного получения информации о распределения яркости для всех точек исследуемого панорамного пространства.
Второй способ — использование многоканальной оптической системы. Принцип получения изображения панорамного пространства в этих системах заключается в том, что угловое поле условно разделится на множество узких полей, каждый из которых является угловым полем одного отдельного канала с отдельным приемником излучения. Объединение узких полей в единое целое поле происходит в процессе обработки сигналов. Системы такого типа отличаются сложностью конструкции и очевидной дороговизной.
Третий способ — использование панорамной оптической системы. В этих системах панорамное пространство одновременно проецируется на плоском МПИ. До настоящего времени эти системы уже прошли долгий путь развития. Были разработаны концентрические, сложные многолинзовые, сложные зеркально-линзовые панорамные системы и системы с использованием зеркальных насадок. Обычно эти системы довольно сложны в конструкции и для достижения желаемого качества изображения требуется использовать несколько асферических поверхностей, что затрудняет и ограничивает их применение для решения поставленных задач.
Современные панорамные оптические системы, отличающиеся максимальным угловым полем 2со > 180 по углу места, построены на новом оптическом элементе — зеркально-линзовом оптическом панорамном блоке (ОПБ).
ОПБ представляет собой линзу-монолит сложной конфигурации с преломляющими и отражающими поверхностями, преобразующую панорамное пространство в плоское кольцевое изображение, которое либо формируется непосредственно на приёмнике излучения, либо переносится на приёмник с помощью дополнительной оптической системы переноса изображения. В настоящее время известен ряд зарубежных разработок панорамных оптических систем на базе ОПБ [1, 2, 3, 4, 5], а также несколько российских разработок, осуществлённых в МИИГАиК [6] и МЭИ [7, 8, 9, 10].
Обеспечивая достаточно высокую разрешающую способность в плоскости изображения, оптические панорамные системы на базе ОПБ отличаются от сложных многолинзовых систем простотой конструкции, технологичностью, устойчивостью к динамическим нагрузкам, одновременно обеспечивают максимальное угловое поле по углу места 2со > 180 и а — 360 по азимутальному углу, и могут быть реализованы не только в видимом, но и в ИК диапазоне, включая область 8-^14 мкм. Поэтому в настоящее время самым перспективным направлением развития ПОС является разработка панорамных оптических систем на базе ОПБ.
Из условия повышения освещенности и линейного разрешения на МПИ на кафедре Светотехники МЭИ была разработана методика расчета ОПБ, где предложено в качестве одного из основных параметров отношение диаметра приемника излучения при 2со = 180 к фокусному расстоянию. Однако не рассмотрен комплексный подход к расчету ОПБ когда учитываются одновременно угловое разрешение системы в пространстве предметов, линейное разрешение и уровень освещенности на МПИ, что затрудняет выбор известных и разработку новых ОПБ.
Кроме того, одной из особенностей ПОС, построенных на базе центрированных ОПБ, является наличие темнового поля по углу места сот. Значения темнового поля различны для различных конструкций ПОС и составляют от 32 до 70. Наличие темнового поля по углу места не позволяет использовать такие ПОС для одновременного обзора панорамного пространства в угловом поле, близком к полусфере.
В настоящее время область применения панорамных систем значительно расширилась, и к ней относятся новые задачи фотометрии, среди которых следует отметить необходимость создания компактных малогабаритных панорамных систем, исключающих темновое поле относительно оптической оси. Для решения задачи устранения темнового поля в последних публикациях намечается переход к многоканальным системам. Однако полностью еще не раскрыты все предельные возможности ОПБ при построении ПОС на их основе.
Поэтому при разработке ПОС для фотометрических приборов очень важно сохранить преимущества, создаваемые компактным ОПБ, и найти способы устранения темнового поля по углу места при их использовании.
Необходимость развития методики расчета ОПБ и разработки новых конструкций ПОС без темнового поля по углу места для фотометрических приборов определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и конструкций малогабаритных многоканальных ПОС на базе ОПБ без темнового поля по углу места при 2со > 180 при сохранении разрешающей способности на уровне известных конструкций.
Для достижения сформулированной цели были решены следующие задачи: установление влияния параметров оптической системы и МПИ на угловое разрешение системы в пространстве предметов, а также на освещенность изображения и линейное разрешение на МПИ; разработка принципов построения ОПБ с внеосевыми поверхностями и ПОС на их основе, позволяющих устранить темновое поле при одновременном сохранении разрешающей способности и формирующих действительное изображение непосредственно на МПИ; разработка методики расчета ОПБ на основании разработанных принципов; разработка новых конструкций ОПБ и ПОС на их основе и исследование влияния параметров ОПБ и МПИ на выходные характеристики системы. Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
1. Предложены принципы построения многоканальных ПОС на базе ОПБ без темнового поля по углу места, состоящие: - в выполнении всех рабочих поверхностей ОПБ, полевой и апертурной диафрагм каждого канала внеосевыми с центрами на его оптической оси и световыми отверстиями в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов а и вершинами этих углов на оптической оси, а также в расположении апертурной диафрагмы на первом зеркале ОПБ, что позволяет получить непосредственно на МПИ действительное изображение части панорамного пространства в угловом поле со > 90 по углу места без темнового поля и а < 180 по азимуту без виньетирования в зрачках в виде сектора с тем же центральным углом а; в совмещении переднего фокуса двухзеркальной композиции ОПБ с центром апертурной диафрагмы, совпадающим с вершиной первого зеркала и устранении сферической аберрации в зрачках, что обеспечивает телецентрический ход главных лучей на выходе ОПБ и приводит к уменьшению габаритов ОПБ в несколько раз по сравнению с существующими конструкциями ОПБ при одинаковых значениях диаметра приемника излучения и относительного отверстия.
2. В соответствии с принципами, изложенными в пункте 1, разработана и реализована методика расчета ОПБ с внеосевыми поверхностями, когда исходные варианты ОПБ выбираются в приближении аберраций третьего порядка, по которой получены разнообразные конструкции ОПБ из различных материалов и предложены многоканальные ПОС на их основе, обеспечивающие разрешающую способность на уровне известных систем и достигающую в ИК области спектра дифракционного предела при относительных отверстиях D&Jf от 1/2 до 1/2,5, но отличающиеся от последных: отсутствием темнового поля относительно оптической оси по углу места, при со > 90; меньшим отношением светового диаметра ОПБ к диаметру приемника излучения dm, доходящим до значения от 1,13 до 1,50.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Принципы построения многоканальной ПОС без темнового поля по углу места на базе ОПБ в каждом канале.
Принципы построения ОПБ с угловым полем со > 90 по углу места а < 180 по азимуту.
Методика расчета ОПБ в соответствии с предложенными принципами.
Результаты расчета полученных ОПБ и ПОС на их основе.
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 'Щеглах" и сравнением с опубликованными результатами других авторов.
Практическая значимость. Разработанная методика расчета конструктивных параметров ОПБ с внеосевыми поверхностями 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 без темнового поля для фотометрических приборов.
Основные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе МЭИ (ТУ).
Публикации. По результатам работы было опубликовано 7 научно- технических работ, в том числе 2 - в издании, включённом в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, без соавторов — 2 работы. На предложенные схемы построения приемных оптических систем панорамных ОЭП на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 58 рисунками, 5 таблицами, включает 5 приложений на 19 страницах. Список литературы включает 60 наименований.
В первой главе приводится анализ литературных данных, рассматриваются основные способы построения панорамных оптических систем для оптико-электронных приборов, представлен анализ известных ПОС.
В первом параграфе анализируются принципы построения изображения панорамного пространства при использовании многоканальных оптических систем. Показано, что во всех представленных многоканальных системах все каналы представляют собой центрированные узкопольные оптические системы, и они позволяют одновременно получить информации о яркости всех точек исследуемого пространства без темнового поля. Однако, как правило, наиболее простые конструкции не позволяют получить изображение хорошего разрешения, в то время как высококачественные системы такого типа отличаются сложностью конструкции и очевидной дороговизной.
Во втором параграфе приводится краткий обзор концентрических и дисторзирующих (линзовых и зеркально-линзовых) панорамных оптических систем, который показывает, что на настоящий момент более востребованы дисторзирующие панорамные системы, формирующие плоское изображение. Приводится обзор известных конструкций современных дисторзирующих ОПБ и ПОС на их основе. Показано, что ОПБ отличаются возможностью формирования изображения высокого качества, особенно в ИК области спектра, простотой и технологичностью конструкции, возможностью обеспечения угловых полей, значительно превышающих 180 без виньетирования в зрачках и возможностью формирования действительного изображения в некоторых типах конструкций. Отмечено, что из-за отсутствия возможности установки апертурной диафрагмы внутри ОПБ при реализации телецентрического хода главных лучей на выходе ОПБ при построении ПОС на их основе нуждается в использовании дополнительного средства для выделения необходимого значения относительного отверстия и защиты системы от попадания внеинформационных пучков. Показано, что все разработанные до сих пор ОПБ работают с концевым угловым полем, т.е присутствует темновое поле по углу места, что затрудняет внедрение ОПБ и ПОС на их основе для фотометрических приборов в решение современных задач фотометрии.
Вторая глава посвящена разработке принципов построения малогабаритных ПОС без темнового поля на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями для фотометрических приборов, а также методике расчета ОПБ с внеосевыми поверхностями.
В первом параграфе приводится анализ некоторых известных конструкций ОПБ с целью установления связи между параметрами оптической системы, МПИ и выходными характеристиками ПОС. Было выявлено, что отношение размера приемника излучения к фокусному расстоянию dnu If при угловом поле со = 90 влияет не только на освещенность в поскости изображения и линейное разрешение системы на МПИ но и на угловое разрешение системы в пространстве предметов.
Во втором параграфе предлагается способ построения многоканальных ПОС на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями. Установлено, что в центрированных ОПБ нельзя устранить темновое поле. Найдена конструкция ОПБ с внеосевыми рабочими поверхностями, полевой и апертурной диафрагмами и с их центрами на оптической оси и световыми отверстиями в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов а < 180 и вершинами этих углов на оптической оси. Это конструкция формирует изображение сектора панорамного пространства в угловом поле а < 180 по азимуту и со > 90 по углу места в виде сектора на МПИ без темнового поля по углу места. Показано, что на базе таких ОПБ можно построить многоканальные ПОС по предложенному способу.
В третьем параграфе, на основании накопленного опыта и собственного расчета сфомированны основные требования к ОПБ с внеосевыми поверхностями при формировании изображения сектора панорамного пространства и разработана их принципиальная схема. Разработаны принципы построения ОПБ с внеосевыми поверхностями, на базе которых построены многоканальных ПОС без темнового поля по углу места.
В четвертом параграфе, по предложенным принципам построения ОПБ с внеосевыми поверхностями разработана и реализована методика их расчета в приближении аберраций третьего порядка. Найдены исходные варианты двухзеркальных композиций по разработанному автором их каталогу.
В пятом параграфе, по результатам стыковки найденных двухзеркальных композиций с преломляющими поверхностями ОПБ получены различные конструкции ОПБ с внеосевыми поверхностями, удовлетворяющие предложенным принципам. Экспериментально выделяются 4 различных типов конструкций ОПБ, из них два типовые конструкции формируют действительное изображение панорамного пространства и рекомендованы для построения многоканальных ПОС для фотометрических приборов.
В третьей главе приводятся исследование полученых ОПБ с внеосевыми поверхностями, оптимизация их конструктивных параметров и предлагаются различные конструкции двухканальных ПОС на их основе.
В первом параграфе проведено исследование влияния основных параметров ОПБ на его основные выходные характеристики. Установлены способы управления такими характеристиками как максимальная величина изображения панорамного пространства и характер зависимости у'(со) от углового поля со, удаление плоскости действительного изображения и аберрационное угловое разрешение в пространстве предметов системы за счет подбора конструкции двухзеркальной композиции, способа стыковки рабочих поверхностей и выбора материала ОПБ.
Во втором параграфе представлены результаты оптимизации конструктивных параметров ОПБ с целью повышения разрешающей способности, повышения относительного отверстия системы или линеаризации зависимости у'{со). Полученны ОПБ со сферическими поверхностями, обеспечивающие в ИК диапазоне угловое разрешение в пространстве предметов порядка 5,40 мрад при относительном отверстии Д*//7 = 1/3,6 и кружок рассеяния на МПИ на уровне дифракционного предела (Ду'мак = 17,2 мкм). Установлено, что введение асферической поверхности четвертого порядка на первое зеркало позволяет увеличивать относительное отверстие до значения Овх// = 1/2 при кружках рассеяния, соизмеримых с размером элемента разложения современных МПИ (Лу'Мак = 29,78 мкм, а' = 25 мкм). Во всех вариантах оптимизации габариты ОПБ с внеосевыми поверхностями не изменяются и остаются в несколько раз меньше по сравнению с известными конструкциями.
В третьем параграфе предлагаются различные схемы двухканальных ПОС для фотометрических приборов, каждый канал которых построен на базе рассчитанных ОПБ и МПИ. Все предлагаемые конструкции ПОС отличаются простотой конструкции, технологичностью и меньшими габаритами по сравнению с известными ПОС, построенными на базе центрированных ОПБ с оптической системой переноса изображения на МПИ.
В конце каждой главы приведены основные выводы по соответствующей главе.
Заключение представляет собой основные выводы по диссертационной работе.
Концентрические панорамные оптические системы
Основные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе МЭИ (ТУ).
Публикации. По результатам работы было опубликовано 7 научно- технических работ, в том числе 2 - в издании, включённом в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, без соавторов — 2 работы. На предложенные схемы построения приемных оптических систем панорамных ОЭП на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 58 рисунками, 5 таблицами, включает 5 приложений на 19 страницах. Список литературы включает 60 наименований.
В первой главе приводится анализ литературных данных, рассматриваются основные способы построения панорамных оптических систем для оптико-электронных приборов, представлен анализ известных ПОС.
В первом параграфе анализируются принципы построения изображения панорамного пространства при использовании многоканальных оптических систем. Показано, что во всех представленных многоканальных системах все каналы представляют собой центрированные узкопольные оптические системы, и они позволяют одновременно получить информации о яркости всех точек исследуемого пространства без темнового поля. Однако, как правило, наиболее простые конструкции не позволяют получить изображение хорошего разрешения, в то время как высококачественные системы такого типа отличаются сложностью конструкции и очевидной дороговизной.
Во втором параграфе приводится краткий обзор концентрических и дисторзирующих (линзовых и зеркально-линзовых) панорамных оптических систем, который показывает, что на настоящий момент более востребованы дисторзирующие панорамные системы, формирующие плоское изображение. Приводится обзор известных конструкций современных дисторзирующих ОПБ и ПОС на их основе. Показано, что ОПБ отличаются возможностью формирования изображения высокого качества, особенно в ИК области спектра, простотой и технологичностью конструкции, возможностью обеспечения угловых полей, значительно превышающих 180 без виньетирования в зрачках и возможностью формирования действительного изображения в некоторых типах конструкций. Отмечено, что из-за отсутствия возможности установки апертурной диафрагмы внутри ОПБ при реализации телецентрического хода главных лучей на выходе ОПБ при построении ПОС на их основе нуждается в использовании дополнительного средства для выделения необходимого значения относительного отверстия и защиты системы от попадания внеинформационных пучков. Показано, что все разработанные до сих пор ОПБ работают с концевым угловым полем, т.е присутствует темновое поле по углу места, что затрудняет внедрение ОПБ и ПОС на их основе для фотометрических приборов в решение современных задач фотометрии.
Вторая глава посвящена разработке принципов построения малогабаритных ПОС без темнового поля на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями для фотометрических приборов, а также методике расчета ОПБ с внеосевыми поверхностями.
В первом параграфе приводится анализ некоторых известных конструкций ОПБ с целью установления связи между параметрами оптической системы, МПИ и выходными характеристиками ПОС. Было выявлено, что отношение размера приемника излучения к фокусному расстоянию dnu If при угловом поле со = 90 влияет не только на освещенность в поскости изображения и линейное разрешение системы на МПИ но и на угловое разрешение системы в пространстве предметов.
Во втором параграфе предлагается способ построения многоканальных ПОС на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями. Установлено, что в центрированных ОПБ нельзя устранить темновое поле. Найдена конструкция ОПБ с внеосевыми рабочими поверхностями, полевой и апертурной диафрагмами и с их центрами на оптической оси и световыми отверстиями в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов а 180 и вершинами этих углов на оптической оси. Это конструкция формирует изображение сектора панорамного пространства в угловом поле а 180 по азимуту и со 90 по углу места в виде сектора на МПИ без темнового поля по углу места. Показано, что на базе таких ОПБ можно построить многоканальные ПОС по предложенному способу.
В третьем параграфе, на основании накопленного опыта и собственного расчета сфомированны основные требования к ОПБ с внеосевыми поверхностями при формировании изображения сектора панорамного пространства и разработана их принципиальная схема. Разработаны принципы построения ОПБ с внеосевыми поверхностями, на базе которых построены многоканальных ПОС без темнового поля по углу места.
В четвертом параграфе, по предложенным принципам построения ОПБ с внеосевыми поверхностями разработана и реализована методика их расчета в приближении аберраций третьего порядка. Найдены исходные варианты двухзеркальных композиций по разработанному автором их каталогу.
В пятом параграфе, по результатам стыковки найденных двухзеркальных композиций с преломляющими поверхностями ОПБ получены различные конструкции ОПБ с внеосевыми поверхностями, удовлетворяющие предложенным принципам. Экспериментально выделяются 4 различных типов конструкций ОПБ, из них два типовые конструкции формируют действительное изображение панорамного пространства и рекомендованы для построения многоканальных ПОС для фотометрических приборов.
В третьей главе приводятся исследование полученых ОПБ с внеосевыми поверхностями, оптимизация их конструктивных параметров и предлагаются различные конструкции двухканальных ПОС на их основе.
В первом параграфе проведено исследование влияния основных параметров ОПБ на его основные выходные характеристики. Установлены способы управления такими характеристиками как максимальная величина изображения панорамного пространства и характер зависимости у (со) от углового поля со, удаление плоскости действительного изображения и аберрационное угловое разрешение в пространстве предметов системы за счет подбора конструкции двухзеркальной композиции, способа стыковки рабочих поверхностей и выбора материала ОПБ.
Зеркально-линзовые дисторзирующие панорамные оптические системы
Стремление упростить конструкцию панорамных оптических систем, сделать её более универсальной, привело к появлению новых панорамных оптических систем, построенных на так называемых оптических панорамных блоках, которые в общем случае выполнены в виде монолита — линзы сложной конфигурации с различным сочетанием отражающих и преломляющих поверхностей, центрированных относительно оптической оси.
Впервые, как новый отдельный оптический элемент, ОПБ появился в 1986 г. [19, 25] — Грегуссом (О шэ) была предложена конструкция элемента, представляющего собой линзу-монолит сложной конфигурации, включающую в себя две центрированные преломляющие и две центрированные отражающие поверхности, где по ходу лучей первая преломляющая поверхность — выпуклая, вторая отражающая поверхность — вогнутая, третья отражающая поверхность — выпуклая и четвертая преломляющая поверхность — плоская (рис. 1.12). Этот элемент работает в составе панорамной системы, состоящей из ОПБ, оптической системы переноса изображения и МПИ. Он формирует кольцевое изображение панорамного пространства в колцевом угловом поле, которое переносится на приемник излучения. Действительно, такой элемент отличается простотой (может строиться с использованием только сферических поверхностей), технологичностью, не требует дополнительной юстировки зеркал, при этом имеет значительно больше свободных параметров, чем одиночное панорамное зеркало. Всё это делает ОПБ перспективным оптическим элементом, на базе которого можно построить современные панорамные системы, применимые не только для ОЭП но и для фотометрических приборов.
На основании предложенной конструкции ОПБ, Повелл провел исследование ОПБ с всеми возможными формами рабочих поверхностей для различных спектральных диапазонов [22, 23, 27], при этом конфигурация ОПБ остается неизменной (рис. 1.13). Его исследование позволяет заключить, что в данной конструкции при любых конструктивных параметрах рабочих поверхностей нет возможности получения действительного изображения панорамного пространства.С использованием сферических поверхностей в системе ОПБ и оптики переноса Повеллу удаётся добиться хороших результатов (кружки рассеяния Ау = 100 150 мкм при фокусном расстоянии/7 = 5,3 мм и относительном отверстии DBX/f = 1/5 в спектральном диапазоне 3 мкм 5 мкм). Применение асферических поверхностей признается достаточно эффективным способом повышения разрешения в ОПБ. С использованием асферических поверхностей второго порядка Повеллу удалось добиться кружка рассеяния около 80 мкм в блоке и практически не ухудшить эти характеристики при использовании триплета в качестве оптики переноса. Кроме того, Повелл, как и другие авторы [22, 37, 38], признал тот факт, что телецентрический ход главных лучей после ОПБ благоприятно влияет на качество сформированного изображения, но этот режим не был реализован так как он не нашел подходящей стандартной оптической системы переноса изображения для этого случая.
При исследовании конструкции Грегусса с параболическими поверхностями Повелл сталкивается со значительными аберрациями в зрачках и отмечает, что они довольно сильно сказываются на качестве системы: отклонение от линейной зависимости у (со) в изображении, резкое увеличение габаритов системы и размеров изображения. Поэтому, при проектировании
ОПБ, как и любой панорамной оптической системы, необходимо контролировать не только аберрации в изображении, но и аберрации в зрачках.
Первая российская разработка ОПБ была осуществлена в МИИГАиК, патент на которую получен в 2002 году [6]. Сочетание и взаимное расположение рабочих поверхностей разработанного блока полностью соответствует панорамному блоку Повелла с тем отличием, что в конструкцию введена горизонтальная нестыковка первой и второй рабочих поверхностей (рис. 1.14).
В конструкции используются только сферические поверхности. Авторы предлагают поставить апертурную диафрагму на четвёртую поверхность. Заявленное авторами относительное отверстие этого объектива составляет DTJf = 1/1,74 для углового поля 2со = 179 55 00", которое является максимальным для данного блока. Для меньших значений углового поля вследствие виньетирования зрачков относительное отверстие уменьшается практически на порядок. В данной конструкции диаметр входного зрачка составляет 2,4 мм (который работает полностью только при угловых полях, близких к со = 90) при полном световом диаметре блока 60 мм, фокусном расстоянии/ = 4,004 мм). Конструкция формирует мнимое изображение внутри стекла. предполагается конструктивный параметр, присущий только этой конструкции (толщина горизонтальной нестыковки d — рис. 1.14). Другие российские ОПБ разработаны на кафедре светотехники МЭИ [8, 43, 44, 48, 49].
Первые ОПБ МЭИ, в отличие от выше рассмотренных конструкций имеющие в своём составе входную выпуклую преломляющую поверхность, следующую по ходу лучей выпуклую отражающую поверхность малой апертуры, третью по ходу лучей вогнутую отражающую поверхность большой апертуры и плоскую поверхность на выходе, позволяют получить действительное изображение панорамного пространства и создают возможность построения ПОС, состоящей только из ОПБ и МПИ.
По результатам проведённых на кафедре светотехники МЭИ расчетов выделены три типовые конструкции ОПБ — объективов. На рис. 1.15 представлена базовая конструкция. На рис. 1.16 — вторая типовая конструкция, в которой центральная часть первой преломляющей поверхности покрыта отражающим слоем и является второй по ходу луча отражающей поверхностью двухзеркальной композиции. Все сферические поверхности такого блока имеют один центр кривизны. На рис. 1.17 показана третья типовая конструкция панорамного блока МЭИ, где авторам удалось совместить плоскость изображения с последней плоской поверхностью блока — иммерсионный блок.
Основные параметры панорамных оптических систем. Выбор типа и основных параметров оптических панорамных блоков
При разработке центрированных панорамных оптических систем на базе центрированных ОПБ многие авторы сталкивались с проблемой устранения аберрации в зрачках [18, 22, 24], когда остаточные аберрации (сферическая аберрация и отступления от условия синусов) в зрачках являются препятствием получения более качественного изображения. Для улучшения выходных характеристик ПОС нужно стремиться устранить не только аберрации в плоскости изображения, но и аберрации в зрачках.
Анализ известных разработок [18, 24, 43] и собственный расчет панорамных систем на базе центрированных ОПБ и ОПБ с внеосевыми поверхностями [57, 60] показывают, что одновременное устранение сферической аберрации и отступления от условия синусов в зрачках гарантирует постоянное увеличение в зрачках, что обеспечивает монотонную возрастающую зависимость у (сп) при отсутствии наложения изображений от различных точек поля. Кроме этого, одновременное устранение сферической аберрации и отступления от условия синусов в зрачках благоприятно влияет на уменьшение полевых аберраций, а также способствует уменьшению световых диаметров (габаритов) системы при отсутствии виньетирования.
Разрабатываемая панорамная оптическая система в настоящей работе состоит из внеосевых поверхностей и внеосевых апертурной и полевой диафрагм и она относится к классу нецентрированных оптических систем. Однако расположение центров всех поверхностей ОПБ, полевой и апертурной диафрагм на единной оптической оси, а так же наличие только двух зеркал позволяет на этапе выбора исходного варианта новой конструкции ОПБ считать ее центрированной. Такое допущение полностью соответствует выводам М.М Русинова [33] о возможности расчета нецентрированных двухзеркальных композиций как эквивалентных им центрированных. На этапе выбора исходного варианта ОПБ целесообразно все рабочие поверхности считать сферическими.
Первая преломляющая поверхность ОПБ должна собирать лучи от всех точек сектора панорамного пространства. Для обеспечения значения угла места со 90 она должна быть выпуклой. В соответствии с тем, что нужно устранить сферическую аберрацию и выполнить условие синусов в зрачках, центр первой поверхности должен совпадать с центром входного зрачка всей системы, и соответственно, совпадает с центром входного зрачка следующего компонента (двухзеркальной композиции с внеосевыми поверхностями) (рис. 2.13). Плоская поверхность на выходе ОПБ выбрана из тех же условий.
При разработке панорамных оптических систем на базе центрированных ОПБ многими авторами [22, 23, 37, 38, 46] был признан тот факт, что телецентрический ход главных лучей после ОПБ является благоприятным условием повышения качества изображения, обусловленного влиянием полевых аберраций.
Все преимущества телецентрического хода главных лучей на выходе центрированного ОПБ сохраняются в ОПБ с внеосевыми поверхностями, если центры всех поверхностей, апертурной и полевой диафрагм остаются на оптической оси, что следует из выводов М.М. Русинова [33] и подтверждается собственными расчетами. В связи с вышеизложенным, при разработке ОПБ с внеосевыми поверхностями также, как и центрированных ОПБ нужно обеспечивать телецентрический ход главного луча на выходе. Значит, выходной зрачок ОПБ находится в бесконечности, а центр входного зрачка двухзеркальной композиции должен совпадать с ее передним фокусом или с передним фокусом всего ОПБ (рис. 2.13). При разработке малогабаритных ПОС для фотометрических приборов очень важно выполнить еще два следующие условия: — формирование действительного изображения непосредственно на МПИ, что позволит исключить из состава ПОС оптическую систему переноса изображения, обычно сложную; — установка апертурной диафрагмы внутри ОПБ или на его поверхностях, что обеспечит уменьшение световых диаметров поверхностей блока при отсутствии виньетирования в зрачках, а при совмещении апертурной диафрагмы с передним фокусом системы — телецентрический ход главных лучей на выходе ОПБ. Рассмотрим возможность использования двухзеркальных композиций известных ОПБ при разработке новых с внеосевыми поверхностями. Из всех известных только конструкции на рис. 1.15; 1.16 и 1.18 могут быть преобразованы в конструкции с внеосевыми поверхностями и совместно с оптикой переноса формировать изображения сектора панорамного пространства без темнового поля по углу места на МПИ. Только ОПБ (рис. 1.15 и рис. 1.16) формируют действительное изображение. Однако, в работе [46] доказано, что внутри этих блоков нельзя установить апертурную диафрагму, в том числе при телецентрическом ходе главных лучей. Поэтому на базе известных ОПБ можно создать ПОС, формирующую изображения сектора панорамного пространства в угловом поле а 180 по азимуту и со 90 по углу места без темнового поля, только из ОПБ и сложной оптической системы переноса изображения на МПИ в каждом канале. Рассмотрим возможность установки апертурной диафрамы в новом ОПБ с внеосевыми поверхностями.
В конструкции разрабатываемого ОПБ с внеосевыми поверхностями, при реализации телецентрического хода главных лучей после ОПБ главный луч в обратном ходе лучей, после отражения от второго зеркала двухзеркальной композиции направляется к первому зеркалу и пересекает оптическую ось в точке, которая должна совпадать с центром апертурной диафрагмы ОПБ. Если точка пересечения находится за первым зеркалом, т.е, является мнимой, то у таких конструкций нет возможности установки апертурной диафрагмы внутри ОПБ. Если точка пересечения находится перед первым зеркалом, то в этой точке может быть установлена апертурная диафрагма, но она бы перекрывала часть пространства, т.е в этом случае невозможно формировать изображения панорамного пространства без темного поля и без виньетирования в зрачках.
Принципы построения оптических панорамных блоков с внеосевыми поверхностями
Обобщая полученные результаты расчета конструктивных параметров исходных вариантов новых ОПБ и их характеристики можно сделать следующие выводы: — расчеты показали, что полученные по предложенной и разработанной методике расчета ОПБ с внеосевыми поверхностями могут быть выполнены из различных материалов с показателем преломления п от 1,4 до 4,0 и соответственно работать в различных спектральных диапазонах от УФ до ИК; — большинство найденных конструкций ОПБ формируют действительное изображение панорамного пространства в угловом поле со 90 по углу места и а 180 по азимуту без виньетирования в зрачках при относительных отверстиях, доходящих до 1/2 и более; — конструкции новых ОПБ отличаются не только конфигурациями но и габаритами, а также удалением плоскости действительного изображения относительно последней поверхности ОПБ. Найдены и предложены ОПБ с мнимым изображением, которые в ряде случаев могут используются в ПОС с оптикой переноса, а также ОПБ с изображением на последней поверхности; — отношение dnuff при первом способе стыковки для всех вариантов ОПБ равно 4, при втором способе стыковки меняется от 2,57 до 3,71. Во всех вариантах характер зависимости у (со) от углового поля со — монотонно возрастающий; — разработанные таким образом ОПБ с внеосевыми поверхностями могут быть использованы для построения на их основе малогабаритных многоканальных ПОС, которые при простой конструкции формируют изображение панорамного пространства с достаточно высоким разрешением непосредственно на МПИ. 1. На базе современных ОПБ и МПИ можно реализовать ПОС, обеспечивающую угловое разрешение в пространстве предметов, близкое к дифракционному как в видимом, так и в ИК диапазонах при относительных отверстиях соответственно 1/6,28 1/3,6 и 1/3,14 1/1,8. Предлагаются принципы построения многоканальных ПОС без темнового поля по углу места на базе ОПБ и МПИ. 2. Наиболее благоприятные условия для разработки ПОС в ИК диапазоне, где при относительном отверстии ОПБ Пвх// = 1/3,14 и с1,ш = 2 разрешающая способность оптической системы и МПИ одинакова (при /т Юмм, а = 2,44Х) и составляет 7,66 мрад. Конструкции ПОС в ИК области могут быть значительно проще. 3. Уменьшение отношения йпи// в равной степени как и увеличение относительного отверстия способствует повышению углового разрешения системы в пространстве предметов наряду с освещенностью и линейным разрешением безаберрационной системы на МПИ. Для уменьшения отношения с1пиI/ предлагается разрабатывать ПОС с исправленной сферической аберрацией в зрачках и телецентрическим ходом главных лучей на выходе ОПБ и перед МПИ. 4. Предлагаются принципы построения ОПБ, обеспечивающего изображение панорамного пространства в угловом поле а 180 по азимуту и со 90 по углу места без темнового поля, которые состоят в: — выполнении всех рабочих поверхностей ОПБ, полевой и апертурной диафрагм внеосевыми с центрами на его оптической оси и световыми отверстиями в виде секторов с одинаковыми значениями центральных углов а и вершинами этих углов на оптической оси, а также в расположении апертурной диафрагмы на первом зеркале ОПБ, что позволяет получить непосредственно на МПИ действительное изображение части панорамного пространства в угловом поле со 90 по углу места без темнового поля и а 180 по азимуту без виньетирования в зрачках в виде сектора с тем же центральным углом а; — совмещении переднего фокуса двухзеркальной композиции ОПБ с центром апертурной диафрагмы и вершиной первого зеркала и устранении сферической аберрации в зрачках, что обеспечивает телецентрический ход главных лучей на выходе ОПБ и приводит к уменьшению габаритов ОПБ в несколько раз по сравнению с существующими конструкциями ОПБ при одинаковых значениях диаметра приемника излучения и относительного отверстия. 5. Предложена и реализована методика расчета ОПБ с использованием разработанного каталога двухзеркальных композиций при выполнении следующих условий: — устранение сферической аберрации в зрачках при телецентрическом ходе главных лучей на выходе; — размещение апертурной диафрагмы на оправе первого зеркала, вершина которого совпадает с передним фокусом двухзеркальной композиции; — получение действительного изображения на выходе ОПБ. 6. Отношение dnulf при первом способе стыковки рабочих поверхностей для всех вариантов ОПБ равно 4, при втором способе стыковки меняется от 2,57 до 3,71. Во всех вариантах характер зависимости у (со) от углового поля со — монотонно возрастающий. 7. По предложенной методике получены типовые конструкции ОПБ, отличающиеся разнообразием оптических материалов и конфигурациями с относительным отверстием, доходящим до Dex/f — 1/2 и более, и формирующие действительное изображение на МПИ при отсутствии виньетирования в зрачках. Они отличаются от известных малыми габаритами и создают реальную возможность разработки малогабаритных ПОС для фотометрических приборов.
