Вівторок, 12.12.2017, 07:39

Оптика

Меню сайту
Статистика

Онлайн всього: 1
Гостей: 1
Користувачів: 0
Форма входу
Пошук
Календар
«  Квітень 2014  »
ПнВтСрЧтПтСбНд
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930
Архів записів
Друзі сайту
  • Create a free website
  • uCoz Community
  • uCoz Textbook
  • Video Tutorials
  • Official Templates Store
  • Best Websites Examples
  • Фриланс@Freelancehunt.com

    www.work-zilla.com

    Головна » 2014 » Квітень » 9 » Оптична система тепловізора
    14:43
    Оптична система тепловізора

    Особливості розрахунку інфрачервоних оптоелектронних систем. Основні матеріали інфрачервоної оптики

     

    Оптична система тепловізора формує зображення за допомогою інфрачервоного об'єктива. Інфрачервоний об'єктив має бути світлосильним, оскільки випромінювання досить слабке, але в той же час забезпечувати відповідну якість зображення. Проблема полягає в тому, що за рахунок великого відносного отвору наявні значні аберації, а якщо збільшити кількість лінз, то зменшується коефіціент пропускання.

    Розгортка або сканування зображення: оптико-механічна розгортка або електронна розгортка. При проектуванні тепловізорів неможливо розглядати оптичну систему окремо від системи сканування, оскільки обидві ці системи тісно пов'язані, тобто вибір другої значно впливає на роботу першої і навпаки; скануючі системи розподіляються на 2 типи в залежності від того, як здійснюється сканування - збіжних чи у паралельних променях.

    Аналізуючи найбільш типові для теплобачення оптичні системи слід зазначити, що наявна тенденція до більш широкого використання змінних елементів, асферичних поверхонь, покращення технології нанесення просвітлюючих покриттів, поліпшення оптичних характеристик матеріалів лінз, а також розробка дзеркальних та дзеркально-лінзових оптичних систем.

     

    До основних характеристик оптичної системи належать:

    1) відносний отвір;

    2) поле зору;

    3) збільшення;

    4) миттєве поле зору;

    5) величина кружка розсіювання (роздільна здатність);

    6) найбільш повною характеристикою просторової роздільної здатності є модуляційна передаточна функція.

     

    Для лінз та вікон в теплобаченні, як правило, використовується три класи оптичних матеріалів: напівпровідникові матеріали кремній та германій; полікристалічні сполуки ІІ-ІV груп, отримані гарячим пресуванням, типу керамічних оптичних матеріалів "Іртран"; отримані хімічним шляхом шари ZnSe та ZnS, а також халькогенідні стекла типу ТІ 1173. Найширше використовується кремній та германій (високий показник заломлення, велика механічна міцність та твердість).

    Показник заломлення більшості оптичних матеріалів, що використовуються в теплобаченні, включаючи германій, значно змінюється з температурою в діапазоні земних температур. Тому впливом температури на параметри лінз, що зумовлено температурною залежністю показника заломлення, не можна нехтувати.

    Зображення об'єкта, що знаходиться на нескінченості, зсувається на Δf за напрямком до лінзи при від'ємному значенні ∂n/∂Т і на Δf від неї - при додатньому. Якщо цей зсув перевищує допустиму глибину різкості, його необхідно компенсувати. Можливі такі конструктивні рішення цієї проблеми:

    1) ручне перефокусування;

    2) автоматичне електромеханічне перефокусування;

    3) виключення температурного впливу шляхом підбору матеріалів різних елементів системи таким чином, щоб результуюча ефективна величина ∂n/∂Т=0;

    4) виключити температурний вплив, монтуючи лінзи системи таким чином, щоб вони переміщувалися зі зміною температури, компенсуючи розфокусування.

    На рис. 1. подано геометричну побудову, яка показує яким чином помилки фокусування впливають на величину кружка розсіювання.

    Рисунок 1

    Помилки Δ і1 та Δ і2 призводять до утворення однакового кружка розсіювання діаметром d. З подоби трикутників випливає:

                                                                   (1.1)

                                                                   (1.2)

    Або, зважаючи на те, що  та  із (1.1) та (1.2) випливає:

                                                       (1.3)

                                                      (1.4)

    де f' - фокусна відстань оптичної системи, D - діаметр апертурної діафрагми.

     

    У тепловізійній системі з лінзовою оптикою та охолоджуваними приймачами випромінювання можливі дефекти зображення через зворотне відбиття від холодних поверхонь на приймач. Явище, яке полягає в тому, що елементи приймача випромінювання "відчувають" власні холодні поверхні на фоні більш теплого оточення, називається ефектом Нарциса. Ефект Нарциса виникає при скануванні тоді, коли частина холодної чутливої поверхні приймача, що знаходиться в фокальній площині, відбивається від будь-якого оптичного елемента так, що відбите зображення знову потрапляє в фокальну площину на лінійку чутливих елементів приймача, в той час як в інших точках по лінії сканування на приймач потрапляє більш теплий фон. Два звичайних приклада - виникнення ефекту Нарциса в результаті відбиття від плоскої поверхні вікна або від ввігнутої оберненої до приймача поверхні лінзи.

    Для зменшення відбиття від холодної поверхні слід застосовувати такі заходи:

    1) зменшувати ефективну випромінюючу площу холодної фокальної поверхні за допомогою теплих екранів;

    2) зменшувати відбиття поверхонь лінз, застосовуючи високоефективні просвітлюючі покриття;

    3) розфокусовувати відбите за напрямком до приймача випромінювання холодних поверхонь, тобто оптична система не повинна містити конфокальних поверхонь;

    4) нахиляти всі плоскі вікна;

    5) рекомендується компенсувати сигнал за допомогою нагрітого джерела або електронних засобів у відеоканалі.

     

    Для просвітлюючих покриттів найчастіше застосовують такі матеріали:

    - кріоліт AlF3-NaF (n'=1,3);

    - фтористий магній MgF2 (n'=1,38);

    - окис кремнію SiO (n'=1,6-1,9);

    - окис церію CeO2 (n'=2,2);

    - сульфід цинка ZnS (n'=2,2).

     

    Найбільш простим просвітлюючим покриттям для германію є покриття, що складається з одного чвертьхвильового шару ZnS. Одношарове покриття має вузькі зони просвітлення. Розширення зон просвітлення пов'язано або з переходом до багатошарових просвітлюючих покриттів, або із застосуванням неоднорідних шарів із заданим профілем зміни показника заломлення.

     

    Як вікна та фільтри можуть бути використані пластмасові пластини або плівки з матеріалів Kel-F, целофан, полістірол.

     

    Однією з особливостей інфрачервоних оптичних систем є відсутність склеєних поверхонь; це пов'язано з обмеженою кількість клеїв, прозорих у ближній інфрачервоній області та відсутністю оптичних клеїв, прозорих в довгохвильовому інфрачервоному діапазоні.

     

    Системи сканування (типи систем та їх фізична реалізація)

    Спосіб отримання теплового зображення залежить від типу приймача випромінювання, що застосовується. Якщо застосовується одноелементний приймач випромінювання, то необхідне двомірне оптико-механічне сканування всього поля зору. Якщо кутові розміри лінійки приймачів випромінювання відповідають кутовому полю зору тепловізійної системи, то використовується одномірне сканування. Наприклад, пристрій сканування у системі FLIR використовується для переміщення зображення, сформованого оптичною системою в площині лінійки чутливих елементів приймача випромінювання, з тим, щоб забезпечити повне послідовне розкладення зображення. Існує два основних типа систем сканування: сканування в паралельному і сканування в збіжному пучках променів. Системи сканування в паралельному пучку складаються з оптичного відхиляючого пристрою (наприклад, дзеркала), розташованого перед об'єктивом, що формує вихідне зображення. Системи сканування в збіжному пучку променів складаються зі скануючого елементу, що розташований між об'єктивом, який створює зображення, та зображенням.

    Вибір того чи іншого виду системи сканування для конкретного застосування здійснюється за результатами порівнювального аналізу. Для системи сканування в збіжних променях у загальному випадку потрібно менше елементів, однак вона вносить аберації та спотворення в збіжний пучок, які слід коректувати.

    Для системи сканування в паралельному пучку в загальному випадку потрібна більш складна та громіздка оптика, але якість зображення не так чутлива до відхилення дзеркал від плоскістності, як у збіжному пучку.

     

    Як правило, використовують такі типи оптичних пристроїв сканування:

    - дзеркало, що коливається;

    - дзеркальний барабан, що обертається;

    - призму, що обертається; - клин, що обертається; - об'єктив, який переміщується;

    - приймальний пристрій, що обертається;

    - V-образне дзеркало, яке обертається.

     

    Різні комбінації цих пристроїв дозволяють створити як одномірні, так і двомірні системи сканування.

     

    Тепловізійні системи з матричним приймачем випромінювання взагалі можуть не мати оптико-механічного сканування.

     

    Сканування - це процес послідовної неперервної або дискретної вибірки значень оптичного сигналу з метою його перетворення та отримання електричного сигналу, параметри якого однозначно відповідають параметрам оптичного сигналу. Тобто сканування - це послідовний огляд (розгортка) порівняно великого поля огляду малим миттєвим кутовим полем з метою отримання електричного сигналу, миттєві значення якого пропорційні значенням того параметра поля, який досліджується.

     

    До числа основних параметрів системи сканування належать:

    1) поле обзору та миттєве кутове поле;

    2) ймовірність оглядання всього поля огляду в заданий час; 3)період сканування Тк або частота сканування fc;

    4) траєкторія сканування;

    5) смуга частот Δf сигналу, який утворюється при скануванні;

    6) коефіцієнт сканування ηс;

    7) кількість та розміри розкладання елементів поля огляду.

     

    Сканування може бути одноелементне, паралельне, послідовне та комбіноване.

    При одноелементному скануванні мале миттєве поле зору може сканувати поле огляду за різними траєкторіями. Перевагами такої схеми є простота конструктивної реалізації та отримання різноманітних розгорток, простота переналаштування параметрів системи сканування та відносна дешевизна приймача випромінювання. Недолік - інерційність.

    При паралельному скануванні все поле проглядається одночасно за горизонтальними рядками, наприклад, шляхом переміщення лінійки фотоприймачів, орієнтованої перпендикулярно до напрямку сканування. При цьому швидкодія системи підвищується, оскільки вихідні сигнали всіх рядків обробляються одночасно. Недоліки: помітний вплив неоднорідності параметрів окремих елементів (наприклад, чутливості), що призводить до спотворення інформації, обмеження роздільної здатності по вертикалі розміром одного елемента.

    При послідовному скануванні лінійка елементів орієнтована паралельно напрямку сканування. Кожну точку поля огляду проглядають всі елементи. Сигнали від окремих елементів поступають в лінію затримки, а потім сумуються на її виході; тут можливе усереднення сигналів, тобто помітне зменшення впливу розкидання параметрів окремих елементів. У порівнянні зі схемою паралельного сканування тут можна досягти кращого розділення.

    В схемі з послідовним скануванням підвищення відношення сигнал/шум пропорційне кореню квадратному з числа елементів n.

    До недоліків систем з послідовним скануванням порівняно зі схемою з паралельним скануванням належить необхідність збільшувати амплітуду сканування щоб забезпечити оглядання кожної точки поля всіма елементами, і як наслідок цього - необхідність збільшувати швидкість сканування при заданій швидкодії всієї системи.

    При комбінованому (паралельно-послідовному) скануванні використовується матриця приймача випромінювання. Тут об'єднуються такі переваги двох попередніх способів як підвищення чутливості та швидкодії, однак помітно ускладнюється схема обробки сигналів та збільшується вартість всієї системи. У цьому випадку можна здійснити автономно-покадровий спосіб сканування, при якому всередині матриці, що утворює малий ("автономний") кадр, постійно здійснюється сканування, а сам "автономний" кадр проглядає поле огляду ("великий" кадр). Цей метод дозволяє досягти високої роздільної здатності при огляданні дуже великих полів огляду, особливо при розв'язуванні складних задач знаходження складних об'єктів або групи простих.

    Багатоелементні системи сканування забезпечують просторову фільтрацію сигналу, наприклад, дозволяють ліквідувати вплив постійного фону в полі огляду.

     

    Проблема проектування тепловізійних систем без сканування полягає в тому, що через низькі радіаційні контрасти в інфрачервоній області спектру висуваються дуже жорсткі вимоги до однорідності чутливих елементів і що лінійне підсилення сигналів має супроводжуватися відніманням фона. Таким чином, всі приклади отримання зображення без сканування, такі як напівпровідникові відікони, електрооптичні перетворювачі та прилади із зарядовим зв'язком, що добре працюють у видимій області спектру, не будуть працездатними в інфрачервоній оласті спектра без кардинального поліпшення однорідності та введення складних електронних або оптико-електронних систем для віднімання фону.

    Оскільки знаходження та перетворення сигналу в некогерентному приладі відбувається до віднімання фона, чутливість окремих елементів приймача приладу без сканування має бути рівномірною, щоб не виникало паразитної модуляції випромінювання.

    У певних типах тепловізійних систем на зображення на екрані індикатора накладається великий за площиною паразитний сигнал, що повільно змінюється. Цей дефект зображення називається затемненням. Затемнення виникає коли спостерігається одне з таких явищ (або обидва):

    1) сигнал приймача випромінювання від однорідного джерела змінюється в картині в залежності від кута сканування (зображення джерела на індикаторі буде здаватися таким, що змінюється за яскравістю або затемнюється);

    2) якщо змінюється сигнал приймача випромінювання від джерел, що знаходяться за межами поля зору (виникає ефект затемнення, що не залежить від картини).

    Затемнення, що не залежить від сигналу, може спостерігатися у всіх тих випадках, коли конфігурація системи сканування і оптики така, що випромінювання корпуса потрапляє на приймач випромінювання. Цей недолік мають всі системи сканування у збіжних променях та системи сканування в паралельних променях із зіницею, що переміщується.

    Саме по собі затемнення не викликає значних неприємностей, якщо воно обмежене декількома процентами від максимальної яскравості зображення картини на індикаторі.

    Якщо проектуванням оптичної системи не вдається ліквідувати затемнення, то можна зробити діафрагмування або установку бленд в оптичній частині приладу та електронну компенсацію .

     

    Інфрачервоні об'єктиви

    (типи об'єктивів та особливості розрахунку)

     

    Оптика об'єктивів буває трьох видів: лінзова, дзеркальна та дзеркально-лінзова.

    Більшість дзеркальних систем спочатку було розроблено для астрономічних спостережень. Оскільки фокус дзеркальної системи лежить з того ж боку, що і падаючий потік, то частина потоку неминуче екранується у зв'язку з необхідністю розташувати приймач в фокусі. Як правило, крім основного використовується вторинне дзеркало і таким чином отримуються система Ньютона, Кассегрена або Грегорі.

    Затемнення вторинним дзеркалом мінімальне в системі Ньютона і максимальне в системі Грегорі. У цих випадках ефективний відносний отвір розраховується за формулою:

    де f' еф - фокусна відстань всієї системи;

    Dвх - діаметр вхідної зіниці (найчастіше дорівнює діаметру великого дзеркала);

    Dдз - діаметр дзеркала, що затіняє (найчастіше дорівнює діаметру малого дзеркала).

    Найбільш розповсюдженою в інфрачервоній апаратурі є система Кассегрена, оскільки саме в цій системі відстань між первинним та вторинним дзеркалами мінімальна. Затемнення центральної частини первинного дзеркала призводить до зменшення діаметра кружка Ері, але зменшення цього кружка супроводжується збільшенням частини потоку в зовнішніх кільцях дифракційної картини.

    Класична кассегренівська система складається з первинного параболічного та опуклого гіперболічного вторинного дзеркал. Сферична аберація відсутня, а гіперболоїд використовується для зменшення аберації коми. Через труднощі виготовлення гіперболічного дзеркала часто застосовують модифікацію, в якій вторинне дзеркало сферичне, а первинне - асферичне; кома в такій системі в чотири рази більша, ніж в класичній касегренівській системі.

    Якщо необхідно отримати якісне зображення, то використовують дзеркально-лінзові системи, комбінуючи первинне дзеркало з тонкою корегуючою лінзою.

    У системі Шмідта в центрі кривизни первинного сферичного дзеркала встановлена асферична корегуюча лінза. Форма лінзи забезпечує усунення сферичної аберації первинного дзеркала.

    Асферичні поверхні корегуючої лінзи Шмідта складні у виготовленні, і тому більш простим вирішеням є система Максутова, яка складається з первинного сферичного дзеркала та меніскового лінзового компенсатора із сферичними поверхнями. Якість зображення для таких систем з відносним отвором 1:1, а також й більш світлосильних, майже таке як і системи Шмідта. Додатковою перевагою системи Максутова є значно менша, ніж в системі Шмідта, довжина схеми.

    Інфрачервоний об'єктив також може бути лінзовим. При використанні лінзової оптики слід оцінювати коефіцієнт пропускання оптики.

    На вартість оптичної системи впливають різні фактори. Сферичні поверхні найбільш прості та дешеві у виготовленні. Максимально можливий діаметр лінзових систем суттєво менший ніж дзеркальних.

    Лінзові системи значно менш чутливі до прогину, оскільки зміни кривизни двох поверхонь значно компенсують одна одну.

    Оскільки матеріал дзеркал є лише підкладкою до відбиваючого шару, то особливих вимог до його однорідності та оптичних характеристик не висувається. Якщо система має працювати в широкому діапазоні температур, дзеркала, як правило, виготовляють із скла пірекс або плавленого кварцу, щоб зменшити деформації оптичних поверхонь при нагріванні у випадку, коли із зміною температури змінюється показник заломлення матеріалу, якість зображення в лінзовій системі значно погіршується порівняно з дзеркальною.

     

    Розрахунок об'єктиву здійснюється спочатку в тонких компонентах. При цьому намагаються мінімізувати сферичну аберацію та кому. Наприклад, для одиночної лінзи з мінімальною комою та сферичною аберацією, що виготовлена з германію співвідношення радіусів має бути: r2=1,45r1.

    Як правило, застосовуються дво- та трьох лінзові об'єктиви і аберації окремих лінз вносять свій вклад у сумарну аберацію системи, тому при розрахунку оптичної системи багатолінзового об'єктива слід компонувати оптичну систему таким чином, щоб аберації окремих елементів взаємно компенсувалися.

    Для системи з кількох компонентів, що знаходяться в повітрі, при розрахунку еквівалентної фокусної відстані використовують такі формули:

    - двокомпонентна система

    - трьохкомпонентна система

    - для лінзи, що знаходиться в повітрі

    Виходячи з теорії дифракції роздільна здатність N0 об'єктива визначається радіусом δ'0 центрального кружка дифракційної картини зображення точки:

    де  ;

    λ - довжина хвилі, мм; f' - фокусна відстань об'єктива, мм; D - діаметр вхідної зіниці об'єктива, мм.

    Однак у реальних об'єктивах зображення точки значною мірою залежить від наявності залишкових аберацій. За рахунок перерозподілу освітленості між центральним кружком та кільцями зображення двох сусідніх точок будуть менш контрастними, що погіршує якість зображення, але в деяких випадках зберігає прийнятну роздільну здатність.

    Оскільки роздільна здатність не дає повного уявлення при оцінці якості зображення, використовуються такі об'єктивні критерії:

    1) критерій Релея: визначає майже ідеальне зображення при виконанні умови, при якій хвильова аберація в довжинах хвиль l / λ ≤ 0,25;

    2) число Штреля: оцінює відношення освітленостей в центрах кружків розсіювання реальної та ідеальної оптичних систем;

    3) погранична крива: крива розподілу освітленості в зображенні границі між темним та світлим полем об'єкта абсолютного контрасту. Чим більше пляма розсіювання, тим ширше границя переходу від темної до світлої частин, тим більш полога погранична крива;

    4) найбільш повну інформацію про якість зображення можна отримати, якщо розглядати систему як фільтр просторових частот. Як основний критерій оцінки якості оптичних систем, призначених для передачі інформації, використовується оптична передаточна функція (ОПФ), яка є мірою здатності оптичної системи відтворювати різні просторові частоти. Наприклад, предмет, зображення якого формується об'єктивом, можна представити як сукупність елементарних об'єктів, які мають синосуїдальну зміну яскравості за частотою, що залежить від розміру цих об'єктів. Об'єктив при формуванні зображення пропускає сигнали синусоїдальної форми, змінюючи їх за амплітудою і фазою. Таким чином, розподіл освітленості в зображенні буде відмінний від розподілу яскравості в предметі. В об'єктивах з малими залишковими абераціями, фазові зміни сигналів практично не впливають на якість зображення. Тому для оцінки їхньої дії використовують амплітудно-частотну частину ОПФ, яка називається функцією передачі модуляції (ФПМ) або частотно-контрастною характеристикою (ЧКХ) або ПЧХ. Аргумент ОПФ показує залежність фази від просторової частоти; ця залежність називається частотно-фазовою характеристикою або функцією передачі фази (ФПФ).

     

    Література

    Баракат Р., Даллас У., Фриден Б., Мерц Л., Педжис Р., Риглер А. Компьютеры в оптических исследованиях.

    Переглядів: 384 | Додав: optik | Теги: оптична система, объектив, тепловізор, інфрачервоний об'єктив, термография, системи оптичного сканування | Рейтинг: 0.0/0
    Всього коментарів: 0
    Ім`я *:
    Email *:
    Код *: