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 ½ до ½, 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.
2. Принципы построения ОПБ с угловым полем со > 90° по углу места, а < 180° по азимуту.
3. Методика расчета ОПБ в соответствии с предложенными принципами.
4. 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,.
Основные результаты, полученные в настоящей диссертации, сводятся к следующему:
1. Установлено, что на базе современных ОПБ и МПИ можно реализовать по новым принципам построения многоканальную ПОС фотометрического прибора без темнового поля, обеспечивающую угловое разрешение в пространстве предметов, близкое к дифракционному как в видимом, так и в РЖ диапазонах.
2. Установлено, что уменьшение отношения dnu/f в равной степени как и увеличение относительного отверстия DBX/f способствует повышению углового разрешения системы в пространстве предметов, а также освещенности и линейного разрешения безаберрационной системы на МПИ. Для уменьшения отношения dnu/f предлагается разрабатывать ПОС с исправленной сферической аберрацией в зрачках и телецентрическим ходом главных лучей на выходе ОПБ и перед МПИ.
3. Предлагаются принципы построения нового 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 асовмещении 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.
4. Предложена и реализована методика расчета таких ОПБ с внеосевыми поверхностями с использованием разработанного автором каталога двухзеркальных композиций при выполнении следующих условий: устранение сферической аберрации в зрачках при телецентрическом ходе главных лучей после ОПБразмещение апертурной диафрагмы на оправе первого зеркала, вершина которого совпадает с передним фокусом двухзеркальной композицииполучение действительного изображения на выходе ОПБ.
5. Найдены по предложенной методике расчета конструкции ОПБ с внеосевыми поверхностями, отличающиеся от всех известных конструкций меньшими габаритами и отсуствием темнового поля по углу места при со > 90° (до 100°) и, а < 180° по азимуту и имеющие разрешающую способность на уровне известных систем при относительных отверстиях, доходящих до значения D^Jf— ½ без виньетирования в зрачках.
6. При расчете исходных вариантов ОПБ найдены способы управления зависимостью у'(со), отношением dmi/f и положением изображения s’Fза счет подбора двухзеркальных композиций (к), материала (<п) и способа стыковки поверхностей ОПБ, реализуя которые получены:
ОПБ с близкой к синусоидальной зависимостью у'(со) при минимальном отношении d, mlf— 2,57;
ОПБ с максимальным угловым полем сомак=100°;
ОПБ с удалением плоскости изображения s’F-= (1,33 ^ 2,5у7;
ОПБ с почти линейной зависимостью у'(со) при п ~ (2,4 2,5) по второму способу стыковки поверхностей.
7. В ИК области при оптимизации конструктивных параметров ОПБ можно повысить и относительное отверстие, разрешающую способность системы и добиться линейной зависимости у'(со).
Введение
асферической поверхности четвертого порядка на первое зеркало позволило увеличить относительное отверстие до значения DBJf = ½ при кружках рассеяния, соизмеримых с размером элемента разложения современных МПИ (Лу'мак = 29,78 мкм, а' = 25 мкм).
8. В видимом диапазоне спектра конструкции ОПБ, обеспечивающие наилучшее разрешение на МПИ по всему полю Ду мак= 32,3 мкм при сомзк= 100°, получены при относительном отверстии Dm/f = 1/5 за счет введения дифракционной решетки на отражающие поверхности ОПБ.
9. На базе ОПБ с внеосевыми поверхностями, формирующих действительное изображение панорамного пространства в угловом поле со > 90° по углу места и, а < 180° по азимуту непосредственно на отдельный МПИ, предложены различные схемы компоновки двухканальных ПОС для фотометрических приборов, отличающихся простотой конструкции, технологичностью и меньшими габаритами по сравнению с известными ПОС, построенными на базе ОПБ с оптикой переноса изображения на МПИ.
Заключение
.
