Широкоугольные реверсивные телеобъективы на базе однородных и неоднородных оптических элементов

Современный этап вычислительной оптики связан с интенсивным развитием микроэлектроники, в частности, с переходом на качественно новый уровень телевизионных оптических систем (ОС), построенных на основе многоэлементных (матричных) приемников излучения (ПИ). Использование миниатюрных форматов многоэлементных ПИ в электронной части оптико-электронных приборов (ОЭП) предъявляет специфические требования к оптическим и присоединительным характеристикам ОС и к качеству создаваемого ею изображения. В частности, пятно рассеяния, создаваемое формирующей телевизионной ОС, должно быть сопоставимо с размером ячейки ПИ, приближаясь в ряде случаев к дифракционному пределу разрешения.

С другой стороны, современный этап проектирования ОС связан с определенным прогрессом в оптических технологиях и, прежде всего, в области изготовления градиентных (неоднородных) оптических элементов и линз с асферическими и дифракционными поверхностями. Грамотное использование достижений оптических технологий позволяет решать задачи расширения оптических и присоединительных характеристик ОС, уменьшения количества ее элементов и габаритов при сохранении или улучшении качества создаваемого изображения.

Таким образом, успех разработки новых ОС обеспечивается при использовании комплексного подхода, учитывающего особенности применения новых ПИ, новой оптической элементной базы и современные возможности компьютерной оптики, наряду с грамотным владением методами проектирования ОС.

Одной из областей, реализующей все особенности современного этапа вычислительной оптики, является проектирование ОС ОЭП наблюдения и, в частности, телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком.

Традиционно компоненты с вынесенным входным зрачком использовались как объективы с самостоятельной аберрационной коррекцией (например, гидрообъективы или объективы сканирующих устройств) и как элементы, входящие в состав сложной ОС. К последним относят оборачивающие системыокуляры, рассчитанные в обратном ходе лучейобъективы, формирующие изображение, например, в эндоскопах.

Современные области применения объективов с вынесенным зрачком связаны с их работой в составе телевизионных систем с ПИ в виде ПЗС-линеек и ПЗС-матриц и, в частности, в качестве объективов типа pinhole, использующихся в системах видеонаблюдения для скрытой телевизионной съемки. Особенности объективов систем скрытого наблюдения заключаются в миниатюризации конструкции ОС и установке щелей или сеток в пространстве предметов перед объективом для маскировки его фронтальной линзы. Данные требования удовлетворяются в оптический схеме при расположении плоскости АД перед первым компонентом в пространстве предметов.

Возможность использования объектива с различными моделями черно-белых и цветных ПЗС-камер предполагает установку за объективом дополнительных оптических фильтров, выполняющих функции выделения необходимого спектра излучения, расширения динамического диапазона работы приемника, ограничения пространственной частоты (ПЧ) изображения и т. д. Конструктивное исполнение ПЗС-матрицы включает защитное стекло, представляющее собой плоскопараллельную пластинку, расположенную вблизи плоскости светочувствительной площадки ПИ, т. е. плоскости изображения.

Для расположения оптических фильтров в большинстве случаев используется отрезок между последней поверхностью объектива и плоскостью изображения, так как расположение светофильтров перед объективом приводит к дополни-1 тельному увеличению выноса плоскости входного зрачка, что сопряжено с увеличением несимметричности схемы и усложнением ее расчета. Таким образом, в оптической схеме предполагается наличие плоскопараллельных пластинок переменной толщины, расположенных в сходящихся пучках лучей.

Современные тенденции в проектировании телевизионных ОС для скрытого наблюдения связаны с переходом к использованию ПЗС-матриц меньших форматов и с повышением информативности за счет увеличения углового поля объектива в пространстве предметов. Указанные требования определяют необходимость уменьшения фокусного расстояния ОС при сохранении достаточной для установки светофильтров величины заднего отрезка.

Габаритные размеры таких ОС позволяют использовать в их составе градиентные оптические элементы, обеспечивающие расширение коррекционных возможностей схем без увеличения числа компонентов.

Таким образом, современный этап развития телевизионных систем скрытого наблюдения связан с необходимостью проектирования широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений.

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:

1. 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.

2. 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.

3. Разработаны методики проектирования широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком из однородных и неоднородных оптических элементов со сферическими поверхностями.

4. Оценена эффективность разработанных методик проектированиярассчитаны новые ОС телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъектиbob с вынесенным зрачком на базе однородных и неоднородных оптических элементов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. 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.

2. 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:

1. 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.

2. В расчете новых оптических схем реверсивных телеобъективов для ПЗС-матриц формата ½″, отличающихся высокой защищенностью от визуального обнаружения, технологичностью конструкции и возможностью универсального использования с цветными и черно-белыми ПЗС-матрицами.

3. 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 Зельмейераа также в возможности описания дисперсионных характеристик материалов ОЯАВШМ®в отечественных пакетах прикладных программ (ППП).

4. В разработке новых подпрограмм, реализующих полученный при создании методик математический аппарат, для модернизации созданного на кафедре РЛ-3 МГТУ им. Н. Э. Баумана пакета программ анализа и синтеза ОС.

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 имН.Э. Баумана за период с 1997 по 2002 годы.

Апробация работы и публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 2 статьи,. 1 методическое указание 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 оптика -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), «Оптика — 2003» (С. Петербург, 2003).

На защиту выносятся следующие положения:

1) Методика определения присоединительных, габаритных, оптических характеристик и требованию к качеству изображения объективов для ОЭП скрытого наблюдения позволяет устанавливать требования технического задания на проектирование объектива с позиций высшего уровня проектирования.

2) 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.

3) Методики проектирования телевизионных широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком обеспечивают возможность расчета объективов с заданным набором характеристик из однородных и неоднородных оптических элементов.

4) Модифицированная математическая модель Герцбергера позволяет описывать дисперсионные характеристики материалов с осевым РПП и повышает эффективность процедур нелокальной оптимизации градиентных ОС.

5) Новые объективы для ОЭП скрытого наблюдения, работающие с ПЗС-матрицами формата ½″, 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 наименований, изложена на 197 страницах машинописного текста и содержит 78 рисунков и 29 таблиц.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Предложена и исследована новая структурная схема широкоугольного реверсивного телеобъективах 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.

2. Разработана методика проектирования широкоугольных реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком из однородных оптических элементов, основанная на описании предложенной структурной схемы с помощью модифицированного метода разделения, переменных. Создана методика определения оптических, габаритных, присоединительных характеристик и требований к качеству изображения объективов с позиций высшего уровня проектирования ОЭП скрытого наблюдения.

31 Разработана методика синтеза широкоугольных реверсивных телеобъективов с градиентными оптическими элементами, основанная на методе модификации характеристик прототипа из однородных сферических линз и ориентированная на использование серийно производимых марок градиентных материалов.

4. На основании разработанных методик рассчитаны новые широкоугольные реверсивные телеобъективы с вынесенным зрачком для работы с ПЗС-матрицами формата ½ дюйма стандартного и высокого разрешения. По сравнению с аналогами новые объективы обеспечивают высокую защищенность от визуального обнаружения,. технологичность конструкции и возможность универсального использования с цветными и черно-белыми ПЗС-матрицами. Продемонстрированы потенциальные возможности использования градиентных оптических элементов с осевым РПП для улучшения качества изображения однородного прототипа при работе с ПЗС-матрицами формата ½ дюйма высокого разрешения.

5. Предложена новая дисперсионная модель, представляющая собой модификацию модели Герцбергера для описания хроматических характеристик материалов с осевым РПП. Продемонстрирована целесообразность использования разработанной модели в случае выполнения процедур нелокальной оптимизации градиентных ОС и показана возможность описания дисперсионных характеристик материалов GRADIUM® в отечественных ППП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.