Принципы построения панорамных оптических систем оптико-электронных приборов на базе оптических панорамных блоков

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 темнового 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 ½ (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 — 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 дисторзирующей системе уменьшение отношения диаметра приемника к фокусному расстоянию dnJf 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 зрачкахи обеспечивающие достижение dm/f при 2со = 180° равным установленному в работе теоретическому пределу dxJf = 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 dnJf = 2 при 2со = 180°;

— повышенным относительным отверстием (½.5 — 1/3), при котором в угловых полях 2(0 > 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 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 «0птика-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 и 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 dm! f' при 2со = 180°и зависимость размера изображения от углового поля у'(со) в качестве основных параметров ПОС. Показано, что уменьшение djf в ПОС ведет к повышению уровня освещенности в плоскости изображения, повышению дифракционного разрешения.

Во втором параграфе исследуются способы управления величиной изображения и характером зависимости^'^) с целью уменьшения отношения dmif. Показано, что управлять размером изображения в дисторзирующей ПОС можно именно выбором положения выходного зрачка. Определяется теоретический предел отношения dmff = 2 при 2со = 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 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 ½.5 — 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 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 d"Jf при 2со = 180° в качестве основного параметра дисторзирующей ПОС наряду с относительным отверстием, угловым полем и фокусным расстоянием.

2. 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 dm/f равно установленному теоретическому пределу.

3. 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.

Основные результаты, полученные в диссертации, сводятся к следующему:

1. Показано, что уменьшение отношения dmlf' при фиксированном угловом поле в ПОС приводит к увеличению освещенности и уменьшению дифракционного предела разрешения в равной степени, как и увеличение относительного отверстия.

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 зрачкахи обеспечивающие достижение dnJf при 2со = 180° равным установленному в работе теоретическому пределу d, Jf = 2 и одновременно выравнивание освещенности и разрешающей способности по полю.

3. В соответствии с предложенными принципами разработана и реализована методика определения конструктивных параметров исходных вариантов различных типов конструкций ОПБ в различных спектральных диапазонах. По результатам проведенных расчетов и исследований выделено пять типов конструкций, рекомендованных к применению.

4. Определены условия формирования панорамного изображения при возможном попадании внеинформационных пучков на МПИ. В рекомендуемых к применению базовых конструкциях, формирующих действительное изображение, внеинформационные пучки не попадают в плоскость изображения:

— в видимом диапазоне при относительном отверстии, меньшем 1 /1,.

— в инфракрасном диапазоне спектра (8−12 мкм) при относительных отверстиях, меньших ½.5.

5. Разработанные и исследованные конструкции дисторзирующих ОПБ создают реальную возможность построения панорамных ОЭП на их основе, особенно в инфракрасном спектральном диапазоне, где достигается отношение dnJf = 2 (теоретический предел), кружок рассеяния, сравнимый с элементом разложения современных МПИ при относительных отверстиях ½.5 — 1/3 в спектральном диапазоне 8−12 мкм при отсутствии внеинформационных засветок.

6. Предложены принципы построения приемных оптических систем панорамных ОЭП, состоящие в.

— обеспечении телецентрического хода главных лучей как на выходе ОПБ, так и перед МПИ;

— ограничении относительного отверстия, при котором на МПИ не попадает внеинформационное излучение пространства предметов и одновременно обеспечивается необходимая разрешающая способность.

7. Предложены схемы приемных оптических систем панорамных ОЭП, включающие ОПБ с полевой диафрагмой в плоскости его действительного 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.

Заключение

.