Принципы построения малогабаритных панорамных оптических систем без темнового поля для фотометрических приборов

На правах рукописи

Нгуен Куанг Хиеп

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ПАНОРАМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ БЕЗ ТЕМНОВОГО ПОЛЯ ДЛЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Специальность 05.09.07 – Светотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре светотехники Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Григорьев Андрей Андреевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор

Ринкевичюс Бронюс Симович

кандидат технических наук

Филонов Александр Сергеевич

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский светотехнический институт им. С.И. Вавилова им. С.И. Вавилова.

Защита состоится «12» февраля 2010 г. в 14 часов 00 минут в аудитории Е – 603 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «21» декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _______________ Буре И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных задач фотометрии является получение карты распределения яркости в видимом спектральном диапазоне или распределения температуры в ИК-области замкнутого пространства, близкого к полусфере. Особенность этой задачи на современном этапе заключается в необходимости одновременного получения информации о яркости (температуре) для всех точек панорамного пространства с достаточно высоким угловым разрешением в пространстве предметов и одновременно высоким уровнем освещенности и линейного разрешения на приемнике излучения. Решение этих задач требует разработки новых фотометрических приборов, малогабаритных по условию их применения.

Активное развитие панорамных оптических систем (ПОС) и технологии производства современных многоэлементных приемников излучения (МПИ) как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне спектра позволяет успешно решать не только задачи наблюдения, обнаружения, мониторинга, целеуказания и т. д. в оптико-электронных приборах (ОЭП) в смежной или близкой к фотометрии области оптотехники, но и может быть использовано для решения поставленных задач в фотометрии.

Обзор трехмерного панорамного пространства в угловом поле = 360° по азимуту и десятки градусов по углу места может осуществляться путем последовательной передачи излучения от различных участков поля на один приемник излучения за счет оптико-механического сканирования, одновременно на разные приемники излучения путем создания многоканальных устройств, и, наконец, путем использования ПОС. Первые два способа для разработки малогабаритных приборов неприемлемы вследствие их сложности и громоздкости.

Современные ПОС, отличающиеся максимальным угловым полем по углу места 2 180°, 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 ПОС на базе ОПБ, а также несколько российских разработок, осуществлённых в МИИГАиК и МЭИ.

Обеспечивая достаточно высокую разрешающую способность в плоскости изображения, ПОС на базе ОПБ отличаются от сложных многолинзовых систем простотой конструкции, технологичностью, устойчивостью к динамическим нагрузкам, одновременно обеспечивают максимальное угловое поле по углу места 2 180° и = 360° по азимутальному углу, и могут быть реализованы не только в видимом, но и в ИК диапазоне, включая область 8 14 мкм.

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 2 = 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 неприятных особенностей ПОС, построенных на базе центрированных ОПБ, является наличие темнового поля по углу места. Значения темнового поля различны для различных конструкций ПОС и составляют от 32° до 70°, что не позволяет получать информацию от всех точек панорамного пространства одновременно и требует создания многоканальной системы.

Для решения задачи устранения темнового поля в последних публикациях намечается переход к сложным многолинзовым системам и многоканальным на их основе. Однако полностью еще не раскрыты все предельные возможности ОПБ и не использованы их преимущества для построения даже многоканальной ПОС на их основе.

Необходимость развития методики расчета ОПБ и разработки новых конструкций ПОС без темнового поля 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 2 180° 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 системы 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:

• 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 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 90° по углу места без темнового поля и 180° по азимуту без виньетирования в зрачках в виде сектора с тем же центральным углом ;

• 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.

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 90° по углу места и 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 “Zemax” 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).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях в период с 2006 по 2009 гг.:

• XII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”, МЭИ (ТУ), 2006 г.

• VII, VIII Международные конференции «Прикладная оптика - 2006» «Прикладная оптика - 2008», Санкт-Петербург, 2006, 2008 гг.

• Научно-техническая конференция «Молодые светотехники России», Москва, 2008 г.

Публикации. По результатам работы было опубликовано 7 печатных работ, из них 2 статьи – в рецензируемых журналах, без соавторов – 2 работы. На предложенные схемы приемных оптических систем панорамных ОЭП на базе ОПБ получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 58 рисунками, 5 таблицами, включает 5 приложений на 19 страницах. Список литературы содержит 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследований, показана практическая значимость и научная новизна результатов работы, тезисно раскрывается содержание.

В первой главе рассматриваются основные способы построения оптических систем для обзора панорамного пространства. Особое внимание уделено анализу известных конструкций центрированных ОПБ и ПОС на их основе. Этот анализ показал необходимость развития методики расчета различных типов конструкций ОПБ с внеосевыми поверхностями и создания на их основе новых схем ПОС без темнового поля для фотометрических приборов.

Во второй главе рассмотрены и предложены принципы построения малогабаритных ПОС без темнового поля на базе ОПБ с внеосевыми поверхностями для фотометрических приборов, а также методика их расчета по этим принципам.

Для сравнительного анализа различных конструкций ОПБ и выбора основных параметров оптической системы (относительного отверстия Dвх/f' и фокусного расстояния f', предложенных в работе отношения диаметра приемника излучения к фокусному расстоянию /f' и расчетного параметра диаметра приемника излучения ), при разработке дисторзирующих ПОС при линейной зависимости y'(), и 2 = были получены следующие соотношения:

• из приближенного уравнения для освещенности на приемнике излучения в световой трубе конечных размеров:

, (1)

где E'0 – освещенность в центре приемника излучения; L – яркость предмета; – коэффициент пропускания среды и оптической системы; p – расстояние от входного зрачка ПОС до объекта; Sоб – площадь объекта.

• из дифракционного критерия углового разрешения оптической системы в пространстве предметов и линейного разрешения на МПИ :

, (2)

• из условия, при котором одинаково эффективно используются угловые разрешения в пространстве предметов безаберрационной оптической системы и МПИ :

, (3)

где K1 определяется соотношением , a' линейный размер элемента разложения МПИ, K2 определяется соотношением , .

Результаты влияния параметров оптической системы и МПИ на угловое разрешение системы показаны на рис. 1 и рис. 2

а) б)

Рис. 1. Зависимость углового дифракционного разрешения диф от относительного отверстия Dвх/f' для ОПБ с разными значениями /f'

(а – в видимой области; б – в ИК области)

Рис. 2. Зависимости отношения f'/Dвх от отношения /f' при .

Анализ формул (1) – (3) и графиков (рис. 1, рис. 2) позволил заключить:

1. ПОС фотометрического прибора, обеспечивающую угловое разрешение в пространстве предметов, близкое к дифракционному, можно реализовать на базе современных ОПБ и МПИ 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.

2. Уменьшение отношения /f' в равной степени, как и увеличение относительного отверстия, способствует повышению углового разрешения системы в пространстве предметов, а также освещенности и линейного разрешения безаберрационной системы на МПИ.

На основании проведенного анализа предлагается разрабатывать ПОС с исправленной сферической аберрацией в зрачках и телецентрическим ходом главных лучей на выходе ОПБ и перед МПИ, способствующими уменьшению /f'.

Одной из неприятных особенностей ПОС, построенных на базе центрированных двухзеркальных, является наличие темнового поля по углу места при отсутствии виньетирования и экранирования в зрачках, которое можно уменьшить но нельзя устранить полностью, поэтому ПОС на базе ОПБ с угловым полем, близким к полусфере, без темнового поля по углу места может быть только многоканальной.

Предложен новый способ формирования изображения панорамного пространства многоканальной оптической системой, когда каждый канал, построенный на базе отдельного ОПБ, формирует изображение сектора панорамного пространства в угловом поле 180° по азимуту и 90° по углу места без темнового поля в виде сектора с центром на оптической оси канала и с таким же центральным углом 180° на МПИ.

Найдены и предлагаются принципы построения ОПБ, формирующих изображения сектора панорамного пространства без искажения по азимуту при отсутствии виньетирования в зрачках, направленные на уменьшение отношения /f', габаритов и повышение разрешающей способности системы, и состоящие в следующих:

На основе предложенных принципов разработана и реализована методика определения конструктивных параметров исходных вариантов ОПБ с внеосевыми поверхностями в приближении аберрации третьего порядка, когда система считается центрированной.

Поиск исходных вариантов двухзеркальных композиций ОПБ предлагается осуществлять с использованием разработанного автором на кафедре светотехники МЭИ каталога центрированных двухзеркальных композиций из сферических поверхностей, конструктивные параметры которых для различных значений линейного увеличения 0 сведены в таблицы и представлены графически.

Графическое представление результатов расчета заключается в том, что в результате габаритного расчета установлено, что все многообразие двухзеркальных композиций для каждого значения линейного увеличения 0 можно отобразить на плоскости (на "странице") c координатами k и 1, где k коэффициент экранирования, который определяется как отношение высот падения первого параксиального луча на второе и первое зеркала k = h2/h1, 1 приведенная кривизна первого зеркала 1 = h1/r1, где каждая точка соответствует одной конструкции двухзеркальной композиции (рис. 3)

Рис. 3. Типовые конструкции двухзеркальных композиций при 0 = 0.

На основании графического представления выделение двухзеркальных конструкций с отличительными конструктивными или аберрационными признаками осуществляется по установленной зависимости между k и 1 для этих признаков.

Рис. 4. Выделение двухзеркальных композиций.

В соответствии с общепринятыми рекомендациями по нормировке координат параксиальных лучей для нахождения конструкций исходных вариантов двухзеркальных композиций для создания новых ОПБ были получены уравнения: