Optischer Aufsatz - Telekonverter 4x
EinfĂŒhrung
Aus GrĂŒnden der raschen Entwicklung sowohl technischer Mittel als auch mathematischer Methoden und Algorithmen fĂŒr die digitale Bildverarbeitung zeigt sich zunehmend ein stetig zunehmendes Interesse an den Fragen des Durchsichtens einer turbulenten AtmosphĂ€re. Um das Bild eines Objekts zu verbessern, gibt es viele Möglichkeiten. Basierend auf theoretischen Studien werden sowohl spezialisierte GerĂ€te als auch zugehörige Software entwickelt und implementiert.In den letzten 10 Jahren wurden sowohl in Russland als auch im Ausland immer mehr Methoden entwickelt, um die Sichtbarkeit entfernter Objekte zu verbessern. In der Regel bietet die Verwendung von Optiken mit einer Apertur von mehr als 100 mm in der OberflĂ€chenatmosphĂ€re keine Vorteile hinsichtlich der Auflösung, da der Fried-Radius, der die Auflösung in der AtmosphĂ€re bestimmt, hat normalerweise einen deutlich niedrigeren Wert.Andererseits ist eine groĂe Brennweite des Systems erforderlich, damit die durch die AtmosphĂ€re in das Bild einer Punktquelle eingebrachten Verzerrungen auf einer typischen Matrix mit einer PixelgröĂe von 5 bis 10 Mikrometern detailliert untersucht werden können. FĂŒr solche Beobachtungen sollte die Linse eine relative Apertur in der GröĂenordnung von 1:40 - 1:60 bei einer Apertur von 100 mm haben. Um solche relativen Aperturen zu implementieren, mĂŒssen optische DĂŒsen mit Teleobjektiven verwendet werden, die die Brennweite um ein Vielfaches erhöhen (Telekonverter).Unsere Aufgabe war es, das optische Design und das Design des 4x-Konverters zu berechnen. Als Versuchsobjektiv wurde MTO 1000A (Mensutovs Meniskus-Teleobjektiv) gewĂ€hlt. Dieses Teleobjektiv wird als Teil eines Videosystems verwendet, um entfernte kleine Objekte durch ein turbulentes Medium in Entfernungen von bis zu 4 km zu beobachten. Unten in Abb. 1 zeigt eine Ansicht des Teleobjektivs MTO 1000A.
Die Zerstörung von Informationen unter dem Einfluss von Phasenverzerrungen
Um zu verstehen, wie das Problem gelöst werden kann, mĂŒssen Sie sich zunĂ€chst der Literatur zuwenden und den Mechanismus der Zerstörung von Informationen in Bildern verstehen.Wenn sie also ein entferntes Objekt unter Verwendung eines Werkzeugs mit einer hohen Winkelauflösung untersuchen, neigen sie normalerweise dazu, sein Bild zu erhalten, d. H. Die Helligkeit als Funktion der Koordinaten. Die Genauigkeit der Helligkeitsmessung wird in diesem Fall durch verschiedene Zufallsfaktoren begrenzt, die durch das Konzept des Rauschens kombiniert werden. Dieses Rauschen verringert den Informationsgehalt des Bildes. Dies wird als Zerstörung von Informationen durch Rauschen bezeichnet. Typische Arten von GerĂ€uschen, die die Beobachtung von atmosphĂ€rischen Objekten stören, sind RegistrierungsgerĂ€usche und atmosphĂ€rische GerĂ€usche. Sie fĂŒhren zufĂ€llige Verzerrungen, die dem Betrachter unbekannt sind, in die Werte der GröĂen ein, die das Bild des Objekts charakterisieren, und verringern dadurch die Genauigkeit ihrer Messung, d. H. Zerstören Informationen ĂŒber diese Werte.Wenn wir die Beziehung (3) in die Koordinatendarstellung schreiben, dann gilt:J (x, y) = â«G (x'-x, y'-y) J (x ', y') dx 'dy ', (3)wobei G (x'-x, y'-y) der atmosphĂ€rische Aperturkern (Hardwarefunktion, Punktstreufunktion) ist, Fourier - dessen Bild in (3) dem Frequenzgang des Mittellinsensystems enthalten ist.Somit registriert , wenn ein Bild ein Objekt durch ein Medium mit zufĂ€lligen Unebenheiten beobachtet, eine Faltung eines wahren Bild des Objekts mit dem Zufall atmosphĂ€risch - Apertur kernel G.In Fig. 2 zeigt Beispiele fĂŒr Realisierungen solcher Kerne im typischen Fall, wenn das Phasenverzerrungsfeld ÎŽ (Ο, η) eine Implementierung eines stationĂ€ren GauĂschen Prozesses mit einer GauĂschen Korrelationsfunktion und verschiedenen Werten der mittleren quadratischen Verzerrung q ist (die Ergebnisse wurden unter Verwendung einer numerischen Simulation erhalten).
Abb. 1. Beispiele fĂŒr Bilder eines unlöslichen Sterns in dem Fall, in dem die GröĂe der InhomogenitĂ€ten viel kleiner als die GröĂe der Apertur ist, a) q = 1, b) q = Ï, c) q = 2Ï Diedurch Formel (3) beschriebene Bildverzerrung des Objekts fĂŒhrt zu einem signifikanten Informationsverlust ĂŒber das beobachtete Objekt . Dies spiegelt sich in einer Zunahme der Fehler wider, mit denen es möglich ist, die Phasen der Fourier-Komponente des Bildes zu messen, und einer entsprechenden Abnahme der Elemente der Fisher-Matrix und damit des skalaren Informationsgehalts des Bildes. Wie im Fall von Rauschen anderer Art kann die Signalakkumulation zur Rettung kommen, d. H. Eine SchĂ€tzung des wahren Bildes aus der Gesamtheit der wĂ€hrend der Beobachtung erhaltenen Bilder.Ăblicherweise hĂ€ngt das Phasenverzerrungsfeld ÎŽ (Ο, η) auch von der Zeit ab. Wenn Sie die Registrierung des Bildes zu verschiedenen Zeitpunkten wiederholen, können Sie mehr Informationen ĂŒber das Objekt sammeln und ein Bild von besserer QualitĂ€t erhalten. Dies ist eine in der Funktechnik bekannte temporĂ€re Signalakkumulation. Bei der Arbeit mit Bildern ist auch eine rĂ€umliche Signalakkumulation möglich. Es basiert auf der Tatsache, dass Phasenverzerrungen unterschiedlich sind, wenn sie von verschiedenen Punkten im Raum aus betrachtet werden. Die Theorie der Signalakkumulation bei der Arbeit mit Bildern ist noch wenig entwickelt.Die einfachste Art der temporĂ€ren Akkumulation ist die Methode zum Summieren von Bildern, möglicherweise mit der Auswahl der besten von ihnen. Diese Akkumulation reduziert rĂ€umliches Rauschen, unterdrĂŒckt jedoch hohe rĂ€umliche Frequenzen, was zu einem Verlust der Winkelauflösung fĂŒhrt. Es gibt komplexere Akkumulationsmethoden, die meisten sind jedoch technisch komplex und erfordern zusĂ€tzliche theoretische und experimentelle Studien.Entwurfsergebnisse
TatsĂ€chlich bestand die Aufgabe darin, einen 4-fachen Konverter zu entwickeln, der im sichtbaren Bereich von 0,38 Mikrometer bis 0,7 Mikrometer achromatisiert ist. Eine der wichtigsten Anforderungen war die Minimierung von sphĂ€rischen Aberrationen, Positionschromatismus und Koma. Als Softwareumgebung fĂŒr das Design von Konvertern wurde das Fremdpaket des ZEMAX-Anwendungsprogramms der Version âJuni 2009â gewĂ€hlt.Eine wichtige Entwurfsphase war die Bestimmung der Entwurfsparameter der Konverter und die Auswahl der GlasqualitĂ€ten fĂŒr die optischen Komponenten des Systems. Um eine chromatische Aberration der Position und des SekundĂ€rspektrums zu beseitigen, wurden Brillenpaare mit einer relativen relativen Frequenzdispersion nahe am Wert ausgewĂ€hlt. Um die optimale Lösung unter dem Gesichtspunkt der Achromatisierung zu finden, wurden GlĂ€ser aus dem inlĂ€ndischen Katalog LZOS (Lytkarinsky Optical Glass Plant) ausgewĂ€hlt.WĂ€hrend des Entwurfsprozesses wurden die optischen Parameter beider Systeme mit einer geringfĂŒgigen Abweichung von den ursprĂŒnglichen erhalten. Dies liegt an der Tatsache, dass die Hauptaufgabe bei der Erstellung dieses Konvertertyps darin bestand, die vorhandenen Systemaberrationen zu minimieren. Somit erreichte die Brennweite des 4x-Wandlers 4025,7 mm, wĂ€hrend das Winkelfeld von 2,5 auf 0,625 Grad abnimmt. Es ist anzumerken, dass die resultierende Brennweite des 4x-Wandlers geringfĂŒgig um 3,69% weniger von den ursprĂŒnglich berechneten Werten abweicht, diese Abweichung von den angegebenen Parametern das System jedoch nicht wesentlich beeinflusst.Die unter Verwendung der optischen Schaltung der Wandler erhaltene BildqualitĂ€t wurde unter Verwendung von Kriterien wie dem Effektivradius des Streupunkts (RMS-Radius) und dem Wert der polychromatischen ModulationsĂŒbertragungsfunktion (MPF) fĂŒr die meridionale und sagittale Orientierung der Streifen bei rĂ€umlichen Frequenzen geschĂ€tzt. Als Frequenzen wurden die Werte ausgewĂ€hlt, die den Auflösungsfrequenzen der RT-1000-Videokamera mit den Abmessungen einer separaten lichtempfindlichen Zelle (Pixel) von 12,8 Ă 12,8 & mgr; m entsprechen.Die durch das optische Schema erhaltene BildqualitĂ€t wird hauptsĂ€chlich durch Beugung begrenzt: Der quadratische Mittelwert des Streupunkts erreicht 1,4 ÎŒm, was viel kleiner ist als die PixelgröĂe der Videokameramatrix und des Airy-Kreises (siehe Abb. 3). Die geschĂ€tzte Funktion der Wellenaberrationen des Systems (OPD) ist in Abb. 1 dargestellt. 4. Das linke Diagramm wird fĂŒr einen Punkt auf der Achse angezeigt, das rechte Diagramm befindet sich auĂerhalb der Achse.Feige. 3. Diagramm des Streupunkts des Telekonverters 4x (RMS-Radius - mittlerer quadratischer Radius des Streupunkts, Mikrometer).
Feige. 4. Defokussierung und sphÀrische Aberration des 4x-Wandlers.
Ein vollstĂ€ndiges Bild der Aberrationskorrektur kann erhalten werden, indem die Aberrationsgraphen des im Zemax-Programm konstruierten und in den folgenden Abbildungen dargestellten entworfenen Wandlers betrachtet werden:Abb. 5. KrĂŒmmung des Feldes und Verzerrung.
Feige. 6. Polychromatische Beugungsfunktion der Energiekonzentration im Streupunkt.
Feige. 7. MPF-Wandler 4x fĂŒr den WellenlĂ€ngenbereich von 0,4 bis 0,7 Mikrometer.
Fazit
Infolgedessen wurde gemÀà den Entwurfsergebnissen das Problem der optimalen Auswahl von GlĂ€sern mit dem besten VerhĂ€ltnis der relativen Teildispersion im sichtbaren Bereich gelöst. Dies ermöglichte es, eine SLE-PunktgröĂe fĂŒr Punkte auf der Achse und der Feldkante im Bereich von 1,3 bis 16,9 zu erhalten, was der PixelgröĂe der empfangenden Videokamera entspricht.Im Vergleich zu den bereits veröffentlichten Versionen der Konverter enthalten die resultierenden Konverter drei Komponenten weniger bei vergleichbarer BildqualitĂ€t.Diese Leistung ermöglicht es, einen 4x-Konverter zu erstellen, der aus GrĂŒnden unbefriedigender Ergebnisse bisher möglicherweise nicht mehr Aufmerksamkeit erhalten hat, als er verdient.Im Moment gibt es eine Spendenaktionzur Herstellung mehrerer Exemplare. Vielleicht werden wir in Zukunft Konverter mit gröĂerer Vielfalt sehen, wĂ€hrend sie die BildqualitĂ€t nicht wesentlich beeintrĂ€chtigen.Literatur
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