Проектирование круглосуточной оптико-телевизионной системы (стр. 4 из 12)
(32)В результате получимLрасп = 6704 [м].
Рис. 5. Зависимость воспринимаемого отношения сигнал/шум от дальности распознавания цели №2.
Дальность распознавания объекта дневной ПЗС-камерой.
Данные для расчёта:
1) Входной объектив.
Фокусное расстояние Fob = 600 мм.
Дальность распознавания не менее 6700 м.
Интегральный коэффициент пропускания в рабочем диапазоне: Kob = 0,82.
Предположим, что для достижения необходимой дальности распознавания достаточно будет иметь диаметр входного зрачка, удовлятворяющий условию параксиальной системы (D : f’ = 1 : 10). Тогда DДТВ = 60 мм.
ФПМ дифракционно ограниченной системы определяется как[2]:
, где(33) 
[мм-1]. 
Рис. 6. Функция передачи модуляции входного объектива дневного канала.
2) ПЗС матрица
Помимо указанных в предыдущем разделе параметров, необходима относительная спектральная чувствительность ПЗС-матрицы:
3) Фоноцелевая обстановка отличается от описанной в разделе 2.2.2.1 уровнем освещённости Земной поверхности: Ev = 104 лк.
· Рассчитаем спектральную яркость объекта и фона:
Аналогично п. 2.2.2.1, но относительная спектральная яркость источника (Солнце) описывается исходя из соотношения Планка для АЧТ, нагретого до температуры 5217 К.
Рис. 7. Относительная спектральная яркость Солнца.
·
- число электронов, полученное от фотокатода за время 
(постоянная времени глаза) при облучении от зон миры, соответствующих объекту и фону: 
(34),Где
- максимум спектральной чувствительности приёмника.
· Число темновых электронов, получаемое от одной чувствительной площадки ПЗС-матрицы за время
:Расчёт совпадает с приведённым в разделе 2.2.2.1.
Сквозная передаточная функция дневного канала.
1. Функция передачи модуляции объектива.
Пространственная частота для объектива находится так же, как и в разделе 2.2.2.1.
График ФПМ объектива приведен на рис.14.
2. Геометрическая ФПМ ПЗС-матрицы.
Пространственная частота для ПЗС матрицы в данном случае совпадает с пространственной частотой объектива. Геометрическая ФПМ ПЗС-матрицы приведена на рис. 10.
3. ФПМ растекания заряда ПЗС матрицы.
Приведена на рис.11.
Очевидно, сквозная передаточная функция прибора:
(35)Найдём отношение сигнал/шум:
(36)Требуемое отношение сигнал/шум – аналогично разделу 2.2.
Таким образом получим для цели №1 Lрасп = 10800 [м].
Для цели №2 Lрасп = 15500 [м].
2.3 Аберрационный расчет объектива НУТВ
Коррекция двухзеркальной системы
Рис. 8. Оптическая схема двухзеркального объектива
Принципиальная схема двухзеркалькой системы[6] показана на рис. 18. Расстояние с от вершины большого зеркала до плоскости изображения обычно оговаривается в технических условиях на расчет системы и зависит от конкретного назначения объектива. Будем считать, что центр входного зрачка совпадает с вершиной большого зеркала.
Для вспомогательных лучей примем следующие условия нормировки: α1 = 0; h1 = 1; α3 =1; β1 = 1; Н1 = 0; β2 = -1. Отрезки -d, с и S’f’ на рис. 18 приведены к фокусному расстоянию, равному единице.
Видно, что двухзеркальная система имеет два свободных параметра (α2 и d), которые следует выбирать с учетом габаритных условий.
Для расширения коррекционных возможностей рассмотренной системы используют различные линзовые компенсаторы или деформируют поверхности зеркал, делая их несферическими.
Компенсация сферической аберрации. Определение коррекционных параметров
Линза поз. 1 (см. оптическую схему принципиальную) имеет отрицательную сферическую аберрацию, так же как и главное зеркало поз. 2, если его изготовить с наружной отражающей поверхностью ("собирающие элементы"). Известно [6], что отрицательная линза имеет положительную сферическую аберрацию. Поэтому комбинация положительной линзы, имеющей отрицательную сферическую аберрацию, с отрицательной линзой позволяет получить систему с исправленной сферической аберрацией. К сожалению, устранить сферическую аберрацию можно только для некоторых лучей, но нельзя ее полностью исправить в пределах всего входного зрачка.
Исходя из вышесказанного, выполним главное зеркало в виде зеркала с внутренней отражающей поверхностью (т.н. зеркало Манжена). Тогда преломляющая поверхность и ее отражение в развертке хода лучей образуют отрицательную линзу. Это обеспечит нам один корректирующий параметр (при фиксированной толщине) – радиус преломляющей поверхности зеркала.
Компенсация комы. Определение коррекционных параметров
Рассмотрим компенсатор, состоящей из линзы, расположенной в сходящихся пучках лучей (линза поз. 4 на оптической схеме).
При фиксированной оптической силе и толщине компенсатор имеет один свободный параметр (радиус одной из поверхностей). При определении конструктивных параметров компенсатора следует иметь ввиду, что его коррекционные возможности зависят от положения компенсатора относительно плоскости малого зеркала. Если компенсатор располагать ближе к малому зеркалу, то он сильнее будет влиять на сферическую аберрацию системы, если компенсатор приближать к задней фокальной плоскости, то возрастает его влияние на полевые аберрации.
Применение компенсатора целесообразно при относительных отверстиях до 1 : 5, что соответствует данному случаю.
Расчет конструктивных параметров
Рассчитаем конструктивные параметры оптической системы методом проб[6].Метод проб состоит в исследовании и использовании зависимостей между изменениями отдельных параметров оптической схемы с известной конструкциейи вызываемыми ими изменениями значений аберраций.
Первоначально из каталогов, архивных данных или патентов выбирают наиболее подходящую оптическую систему, которую пересчитывают, если это необходимо, на требуемое фокусное расстояние или увеличение и принимают за исходную. Последовательно изменяя значения отдельных параметров исходной системы, получают конечный ряд вариантов оптической системы. Рассчитывают ход ряда лучей осевого и наклонного пучков через оптическую систему каждого из полученных вариантов, вычисляют аберрации и, сравнивая их с аберрациями исходной системы, находят указанные выше зависимости. Результаты исследований анализируют по таблицам или графикам, иллюстрирующим влияние изменений параметров на аберрации и другие величины, характеризующие свойства оптической системы. Путем интерполяции или экстраполяции по таблицам или графикам находят вариант оптической системы, который удовлетворяет техническому заданию. В качестве изменяемых параметров могут быть взяты конструктивные параметры (r, d, n). Очевидно, что метод проб достаточно трудоемок по времени, так как требуется проводить большое количество расчетов хода лучей через систему. Однако интенсивное развитие ЭВМ в последние годы позволяет сделать это в автоматическом режиме.
Исходная система:
Исходной системой является объектив, разработанный на ОАО "НПО Геофизика-НВ". Он не удовлетворяет требованиям к качеству изображения и результатам габаритного расчета. Имеет следующие характеристики:
· Заднее фокусное расстояние 270 мм.
· Диаметр входного зрачка 200 мм, диаметр экранированной части 100 мм.
· Угловое поле 5,3°.
Рис. 9. Оптическая схема исходного объектива.
Конструктивные параметры объектива:
| Номер поверхности(по ходу лучей) | Радиус, мм | Толщина по оси, мм | Материал |
| 1 | 656,10 | ||
| 21 | К8 | ||
| 2 | ∞ | ||
| 146,01 | воздух | ||
| 3 | -364,13 | ||
| 18 | К8 | ||
| 4 | -570,2 | Зеркало | |
| -18 | К8 | ||
| 5 | -364,13 | ||
| -146,01 | воздух | ||
| 6 | ∞ | Зеркало | |
| 90,23 | воздух | ||
| 7 | 88,92 | ||
| 5 | ТФ5 | ||
| 8 | 69,02 | ||
| 13,4 | ТК14 | ||
| 9 | 625,2 |
Опишем поэтапно расчет конструктивных параметров при помощи САПР Zemax (в диалоговом режиме).
1) Моделирование исходной оптической системы.
2) Масштабирование всей системы с целью получения искомого фокусного расстояния (1307 мм).
3) Задание искомого диаметра входного зрачка (250 мм).
4) Задание искомого размера изображения (18 мм).
5) Приведение коррекционных элементов к виду, описанному в п. 2.3.1, 2.3.2.
6) Задание оптимизационных требований и ограничений: