Geum.ru

Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


3. Оптические системы ИКС 3-го поколения
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15
^










3. Оптические системы ИКС 3-го поколения




3.1. Особенности оптических систем ИКС 3-го поколения



Если в большинстве ИКС 1-го поколения со сканированием апертурная диафрагма находилась вблизи сканирующего зеркала, а чувствительность ограничивалась излучением фона, попадавшим на ФПУ, то в ИКС 2-го поколения появилась охлаждаемая диафрагма – экран, существенно ограничивающий фоновый поток (рис.3.1). Изображение охлаждаемой диафрагмы переносится на входной зрачок, с которым совмещается сканирующее зеркало, что минимизирует вредное излучение оптических деталей, попадающее на ФПУ. При этом диафрагменное число остается постоянным для всего поля обзора.




Рис.3.1. Примеры оптических систем ИКС 1-го (а) и 2-го (б) поколений: 1 – приемник излучения, 2 – охлаждаемая диафрагма


Ряд ИКС 3-го поколения работают в средневолновом и в длинноволновом ИК-диапазонах одновременно. Длинноволновый диапазон применяется для поиска и обнаружения целей, а средневолновый, обладающий лучшим пространственным разрешением, используется для их распознавания и идентификации. В спектральном канале (диапазоне), принимающем более длинноволновое излучение, обычно используется более широкое угловое поле, нежели в канале, предназначенном для приема излучения с меньшими длинами волн и часто работающем в активном режиме (в видимом или ближневолновом ИК-диапазоне).

Применение линзовых объективов в ИКС-3, работающих в двух и более спектральных диапазонах, ведет к усложнению хроматической коррекции, проблеме выбора надлежащих оптических материалов линз и их антиотражающих (просветляющих) покрытий. Увеличение числа линз, связанное с усложнением аберрационной коррекции в двух или нескольких спектральных диапазонах, а не в одном, как это свойственно ИКС 1-го и 2-го поколений, уменьшает пропускание оптической системы, увеличивает ее массу габариты и стоимость. При этом усложняется юстировка всей системы.

Использование зеркальных и зеркально-линзовых объективов позволяет иметь единый входной зрачок при работе в различных спектральных диапазонах, включая и видимый. Это позволяет избежать применения нескольких апертурных диафрагм. Иногда для работы в ИК-диапазоне в качестве зеркальных объективов применяют трехзеркальные анастигматы, т.е. афокальные внеосевые зеркала, не затеняющие зрачок. Благодаря этому не происходит ухудшения функции передачи модуляции (ФПМ). Пример оптической системы подобного типа приведен на рис.3.2 [9].


4



Рис.3.2. Пример оптической системы ИКС 3-го поколения: 1 – входное окно, 2 – анастигматическая афокальная система, 3 – светоделитель, 4 – двухдиапазонный матричный фотоприемник

При использовании в ИКС охлаждаемого приемника очень часто приходится устанавливать охлаждаемую диафрагму перед его чувствительной площадкой, т.е. внутри дьюара. Это следует учитывать при выборе и расчете оптической схемы. Так, приходится применять схему с переносом плоскости изображения из фокальной плоскости приемного объектива, что приводит к вводу дополнительных компонентов и усложнению конструкции оптической системы.

Специфичным для многих оптических систем ИКС 3-го поколения является изменение величины их углового поля. Оптимальной оптической системой является такая, в которой каждому значению изменяющегося углового поля соответствует свое диафрагменное число при постоянстве диаметра входного зрачка объектива, т.е. система с переменным фокусным расстоянием объектива. В таких ИКС, работающих с охлаждаемой диафрагмой, для сохранения эффективности последней необходимо изменять диаметр диафрагмы, являющейся апертурной и располагаемой внутри охлаждаемого объема (дьюара). Это заметно усложняет конструкцию всей системы.

Такая специфика свойственна, например, оптическим системам обзорно-прицельных приборов легкого стрелкового вооружения, работающим одновременно в ближнем (коротковолновом) и длинноволновом ИК-диапазонах. Стремление уменьшить их размеры и массу приводит к необходимости уменьшать число оптических компонентов. В дополнение к требованию к объективам таких приборов иметь хорошее пропускание в широком спектральном диапазоне в случае использования в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне неохлаждаемого ФПУ, чаще всего микроболометра, добавляются дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с охлаждаемыми фотонными ФПУ, чувствительности неохлаждаемых ФПУ требуется применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными отверстиями D/f' (малыми диафрагменными числами K= f'/D), состоящие из небольшого числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Например, в лазерном целеуказателе-дальномере, построенном на базе микроболометра, с целью компенсации потерь потока в передающей части оптической системы и на трассе его распространения входной зрачок приемной части системы целесообразно, по возможности, увеличивать. Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов чувствительного слоя микроболометров и увеличения их числа (увеличение формата), качество изображения, создаваемого объективами таких приборов, должно быть достаточно высоким.

Для длинноволнового канала ИКС, работающих с неохлаждаемыми приемниками излучения, часто используются асферические и дифракционные поверхности. Однако, если этот же оптический канал используется для передачи и приема лазерного пучка в ближневолновом ИК диапазоне, например на безопасной для глаза длине волны 1,55 мкм, то возникает ряд трудностей. Например, использование линз с асферическими и дифракционными поверхностями может затруднить формирование лазерного пучка с требуемой для работы целеуказателя – дальномера расходимостью. Использование дифракционных элементов в оптических системах ИКС- 3 часто затруднено, так как они обычно позволяют улучшить качество изображения только в одном, сравнительно узком спектральном диапазоне.

Следует особенно тщательно подбирать материалы светоделительных и просветляющих покрытий отдельных оптических компонентов ИКС, работающих активно-пассивным методом. Эти покрытия должны быть достаточно стойкими к лазерному излучению и в то же время хорошо пропускать длинноволновое ИК излучение. Светоделительный компонент, используемый для разделения спектральных каналов и в приемо-передающей лазерной оптической системе, должен располагаться перед компонентами, формирующими изображение в тепловизионном (длинноволновом ИК) канале.

Иногда для обеспечения хорошего качества тепловизионного изображения используются системы с управляемой (активной) фокусировкой.

Для ИКС 3-го поколения для наблюдения полей (сцен) большого размера все чаще требуются ФПУ с большими размерами матрицы и малыми размерами пикселов, например, ФПУ формата 1280х720 с пикселами порядка 20 мкм. Эффективное использование двухдиапазонных ИКС с такими ФПУ предусматривает возможность работы как в одном, так и в двух спектральных диапазонах в сочетании с объективами переменного увеличения, обладающими достаточно большими диафрагменными числами (порядка 6). При использовании охлаждаемых ФПУ необходимо, чтобы диафрагменное число дьюара могло изменяться в зависимости от выбранного режима работы ИКС, т.е. внутрь охлаждаемого объема желательно помещать диафрагму с переменной апертурой, обеспечивающую почти идеальную эффективность «холодного экранирования», и при этом сохранять неизменным размер входного зрачка объектива.

Примеры объективов таких систем с переменным диафрагменным числом К (К=3 и К=6) приведены в [10]. Переменный диаметр охлаждаемой диафрагмы приводит к масштабированию входного зрачка, поскольку он является изображением охлаждаемой диафрагмы в обратном ходе лучей. Поэтому система с двойным полем обзора (5ох6,6о и 10,4ох13,8о) сохраняет постоянным диаметр входного зрачка (17,5 мм) несмотря на различие в два раза фокусного расстояния объектива. Размер чувствительного слоя ФПУ остается постоянным. В [11] приводится пример системы с четырьмя величинами поля обзора (от 0,9ох1,2о до 10,4ох13,8о). Конструкция этой системы, в которой используются два афокальных элемента, достаточно сложна.

Важно отметить, что с увеличением форматов (1280 х 960, 1024 х 1024 и т.д.) чувствительного слоя ФПУ труднее обеспечить требуемую высокую точность оптической и механической сборки и юстировки, чтобы устранить различие в поворотах изображений и согласовать положения оптических осей различных спектральных каналов.

Для ФПУ очень больших форматов (1280 х 960, 1920 х 1080, 2000 х 2000 и др.) необходимо иметь объективы с малой дисторсией, чтобы избежать применения специальных программных алгоритмов компенсации дисторсии.

Для качественной стабилизации и согласования пикселов при смешении изображений, получаемых в разных каналах системы, и при автоматическом распознавании целей необходимо оптимальное сочетание оптической, механической и электронной юстировок.

Только одними оптико-механическими способами трудно выполнить юстировку положения оптической оси и увеличения оптических систем. Так, сложно обеспечить допуск на увеличение менее 3% из-за жестких требований к допускам на конструктивные элементы оптических систем, например, к величинам температурного коэффициента показателя преломления линз и величинам коэффициентов температурного расширения их оправ. Погрешность увеличения может быть эквивалентной нескольким пикселам. Она может быть ослаблена путем калибровки и исследований объектива и всей системы, но этот путь очень дорогостоящий.

Использование электромеханических схем для частичной фокусировки путем шагового изменения фокусного расстояния в целях согласования увеличения отдельных каналов ИКС позволяет провести балансировку увеличения двух изображений с допуском менее 1%.

Электронные способы регулировки увеличения могут быть эффективными для юстировки системы. Часто используют простые интерполяционные методы, например, билинейную интерполяцию, или ручные способы регулировки переменного увеличения. Используемые при этом многофазные фильтры с выборкой обычно предусматривают очень хорошее качество изображения. Современные интегральные схемы (чипы) обеспечивают до 128 фазовых шагов, что обеспечивает согласование увеличения с погрешностью лучше, чем 0,8%. Фиксированные установки переменного увеличения, определяемые в процессе калибровки системы, могут быть использованы для грубого согласования увеличений в разных каналах системы. Для изменения увеличения при вариациях температуры разрабатываются методы автоматической юстировки.

Программные методы не являются панацеей при проектировании систем с очень большими форматами ФПУ. Электронными средствами возможно достичь согласования оптических осей и ФПУ для разных спектральных каналов системы с допуском в один пиксел относительно положения оптических осей. Однако, современные технологии управления увеличением могут приводить к исключению части изображения на краях углового поля, составляющей несколько пикселов. Например, размер изображения объекта в середине углового поля, которому соответствует формат ФПУ 1000 х1000 пикселов, может оказаться на 8 пикселов большим, чем тот же размер, получаемый в другом канале с недостатком увеличения на 3%.

Это же ограничение имеет место при электронной коррекции дисторсии. Такие методы обработки информации хороши при калибровке систем и использовании интерполяционных фильтров. Сегодня для улучшения согласования пикселов отдельных спектральных каналов многодиапазонной системы требуется сложная калибровка с использованием десятков опорных точек и коррекции с высокой степенью точности.

Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно отметить, что при проектировании оптических систем ИКС 3-го поколения целесообразно:

- выбирать диафрагменное число К в соответствии с размерами чувствительного слоя ФПУ и охлаждаемой диафрагмы, а также их расположением;
  • выбирать механизм фокусировки с учетом точности его осевого перемещения, так чтобы изображение сохраняло свое расположение на чувствительном слое ФПУ при перефокусировке;
  • применять объективы с малой дисторсией, чтобы уменьшить необходимость использовать сложные алгоритмы программной компенсации дисторсии и сложную калибровку (дисторсия менее 0,2% достижима для современных объективов);
  • использовать механическую юстировку камер для исключения различия в поворотах изображений (достижима угловая регистрация поворота с допуском менее 1 мрад);
  • применять механические, электронные и программные способы для точной юстировки положения оптических осей, например, если невозможно согласовать точно положение центров пикселов ФПУ двух или более раздельных каналов ИКС.