Lampiran optik - teleconverter 4x
pengantar
Karena alasan perkembangan yang cepat dari kedua cara teknis dan metode matematika dan algoritma untuk pemrosesan gambar digital, minat yang terus meningkat dalam masalah melihat melalui atmosfer yang bergejolak semakin menunjukkan. Untuk meningkatkan citra suatu objek, ada banyak cara. Berdasarkan studi teoritis, perangkat khusus dan perangkat lunak terkait dikembangkan dan diimplementasikan.Dalam 10 tahun terakhir, baik di Rusia maupun di luar negeri, semakin banyak metode yang dikembangkan untuk meningkatkan visibilitas objek yang jauh. Sebagai aturan, penggunaan optik dengan aperture lebih dari 100 mm tidak memberikan keuntungan apa pun di atmosfer permukaan sehubungan dengan resolusi, karena jari-jari Goreng, yang menentukan resolusi di atmosfer, biasanya memiliki nilai yang jauh lebih rendah.Di sisi lain, agar distorsi yang dimasukkan atmosfer ke dalam citra sumber titik untuk diperiksa secara terperinci pada matriks tipikal dengan ukuran piksel 5-10 mikron, diperlukan panjang fokus sistem yang besar. Untuk pengamatan seperti itu, lensa harus memiliki bukaan relatif dari urutan 1:40 - 1:60 pada bukaan 100 mm. Untuk menerapkan celah relatif seperti itu, perlu untuk menggunakan nozel optik dengan lensa telefoto, yang meningkatkan panjang fokus beberapa kali (teleconverters).Tugas kami adalah menghitung desain optik dan desain konverter 4x. MTO 1000A (lensa telefoto menutus Mensutov) dipilih sebagai lensa eksperimental. Lensa telefoto ini digunakan sebagai bagian dari sistem video untuk mengamati objek kecil jarak jauh melalui media yang bergejolak pada jarak hingga 4 km. Di bawah ini dalam gambar. 1 menunjukkan pandangan lensa telefoto MTO 1000A.
Penghancuran informasi di bawah pengaruh fase distorsi
Untuk memahami cara mengatasi masalah, Anda harus terlebih dahulu membuka literatur dan memahami mekanisme penghancuran informasi dalam gambar.Jadi, ketika mereka memeriksa objek yang jauh menggunakan alat dengan resolusi sudut tinggi, mereka biasanya cenderung mendapatkan gambarnya, yaitu kecerahan sebagai fungsi koordinat. Keakuratan pengukuran kecerahan dalam kasus ini dibatasi oleh berbagai faktor acak, yang dikombinasikan dengan konsep kebisingan. Derau ini mengurangi konten informasi gambar. Ini disebut sebagai penghancuran informasi oleh kebisingan. Jenis kebisingan umum yang mengganggu pengamatan objek atmosfer adalah kebisingan registrasi dan kebisingan atmosfer. Mereka memperkenalkan distorsi acak yang tidak diketahui oleh pengamat ke dalam nilai-nilai kuantitas yang mencirikan gambar objek, dan dengan demikian mengurangi akurasi pengukuran mereka, yaitu, menghancurkan informasi tentang nilai-nilai ini.Jika kita menulis relasi (3) dalam representasi koordinat, maka:J (x, y) = ∫G (x'-x, y'-y) J (x ', y') dx 'dy ', (3)di mana G (x'-x, y'-y) adalah atmosfer - inti aperture (fungsi perangkat keras, fungsi penghamburan titik), Fourier - gambar yang termasuk dalam (3) respons frekuensi dari sistem lensa menengah.Dengan demikian, gambar yang terdaftar ketika mengamati suatu objek melalui media dengan penyimpangan acak, adalah konvolusi dari citra sebenarnya dari objek dengan kernel atmosfer-bukaan acak G.Pada Gambar. Gambar 2 menunjukkan contoh realisasi inti tersebut dalam kasus khas ketika bidang distorsi fase δ (ξ, η) adalah implementasi dari proses Gaussian stasioner dengan fungsi korelasi Gaussian dan berbagai nilai dari distorsi rata-rata q (hasil diperoleh dengan menggunakan simulasi numerik).
Fig. 1. Contoh gambar bintang yang tidak dapat larut dalam kasus ketika ukuran ketidakhomogenan jauh lebih kecil dari ukuran aperture, a) q = 1, b) q = π, c) q = 2πDistorsi gambar objek yang dijelaskan oleh rumus (3) menyebabkan hilangnya informasi yang signifikan tentang objek yang diamati. . Ini dinyatakan dalam peningkatan kesalahan yang memungkinkan untuk mengukur fase komponen Fourier gambar, dan penurunan yang sesuai dalam elemen-elemen matriks Fisher, dan, oleh karena itu, isi informasi skalar dari gambar. Seperti dalam kasus kebisingan yang bersifat lainnya, akumulasi sinyal dapat sampai pada penyelamatan, yaitu, perkiraan gambar sebenarnya dari totalitas gambar yang diperoleh selama pengamatan.Biasanya, bidang distorsi fase δ (ξ, η) juga tergantung pada waktu. Mengulangi pendaftaran gambar di berbagai titik waktu, Anda dapat mengumpulkan lebih banyak informasi tentang objek dan mendapatkan gambar dengan kualitas yang lebih baik. Ini adalah akumulasi sinyal sementara yang terkenal di bidang teknik radio. Saat bekerja dengan gambar, akumulasi sinyal spasial juga dimungkinkan. Hal ini didasarkan pada kenyataan bahwa ketika diamati dari titik yang berbeda di ruang angkasa, distorsi fase akan berbeda. Teori akumulasi sinyal ketika bekerja dengan gambar masih kurang berkembang.Jenis akumulasi sementara yang paling sederhana adalah metode penjumlahan gambar, mungkin dengan pilihan yang terbaik. Akumulasi ini mengurangi kebisingan spasial, tetapi menekan frekuensi spasial yang tinggi, yang mengakibatkan hilangnya resolusi sudut. Ada metode akumulasi yang lebih canggih, tetapi kebanyakan dari mereka secara teknis kompleks dan memerlukan studi teoritis dan eksperimental tambahan.Hasil Desain
Sebenarnya, tugas itu diatur untuk mengembangkan konverter 4 kali lipat achromatized dalam rentang yang terlihat dari 0,38 mikron hingga 0,7 mikron. Salah satu persyaratan yang paling penting adalah untuk meminimalkan penyimpangan bola, kromatisme posisi, dan koma. Sebagai lingkungan perangkat lunak untuk desain konverter, paket luar negeri dari program aplikasi ZEMAX versi "Juni 2009" dipilih.Tahap desain yang penting adalah penentuan parameter desain konverter dan pilihan nilai kaca untuk komponen optik sistem. Untuk menghilangkan aberasi kromatik posisi dan spektrum sekunder, pasangan kacamata dengan nilai dispersi frekuensi relatif yang dekat dipilih. Untuk menemukan solusi optimal, dari sudut pandang achromatization, kacamata dipilih dari katalog domestik LZOS (Lytkarinsky Optical Glass Plant).Selama proses desain, parameter optik dari kedua sistem diperoleh dengan sedikit penyimpangan dari yang awal. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa tugas utama dalam membuat jenis konverter ini adalah untuk meminimalkan penyimpangan sistem yang ada. Dengan demikian, panjang fokus konverter 4x mencapai 4.025,7 mm, sedangkan bidang sudut menurun 2,5-625 derajat. Perlu dicatat bahwa panjang fokus yang dihasilkan dari konverter 4x sedikit berbeda dari nilai yang dihitung semula sebesar 3,69% lebih sedikit, tetapi penyimpangan dari parameter yang diberikan ini tidak secara signifikan mempengaruhi sistem.Kualitas gambar yang diperoleh dengan menggunakan rangkaian optik dari konverter diperkirakan dengan menggunakan kriteria seperti jari-jari rms dari tempat hamburan (RMS Radius) dan nilai fungsi transfer modulasi polikromatik (MPF) untuk orientasi garis garis meridional dan sagital pada frekuensi spasial. Sebagai frekuensi, nilai yang sesuai dengan frekuensi resolusi kamera video RT-1000 dengan dimensi sel fotosensitif (piksel) terpisah 12,8 x 12,8 μm dipilih.Kualitas gambar yang diperoleh oleh skema optik terutama dibatasi oleh difraksi: radius rata-rata akar dari titik hamburan mencapai 1,4 μm, yang jauh lebih kecil daripada ukuran piksel dari matriks kamera video dan lingkaran Airy (lihat Gambar 3). Fungsi yang diperkirakan dari penyimpangan gelombang sistem (OPD) ditunjukkan pada Gambar. 4. Grafik kiri ditampilkan untuk titik pada sumbu, grafik kanan berada di luar sumbu.Ara. 3. Diagram tempat hamburan dari teleconverter 4x (Radius RMS - jari-jari kuadrat dari tempat hamburan, mikron).
Ara. 4. Defocusing dan penyimpangan bola dari konverter 4x.
Gambar lengkap koreksi aberasi dapat diperoleh dengan melihat grafik aberasi dari konverter yang dirancang yang dibangun dalam program Zemax dan disajikan dalam gambar berikut:Gbr. 5. Lengkungan bidang dan distorsi.
Ara. 6. Fungsi difraksi polikromatik dari konsentrasi energi di tempat hamburan.
Ara. 7. Konverter MPF 4x untuk rentang panjang gelombang 0,4 hingga 0,7 mikron.
Kesimpulan
Akibatnya, menurut hasil desain, masalah pilihan kacamata optimal dengan rasio terbaik dari dispersi parsial relatif dalam rentang yang terlihat telah diselesaikan. Ini memungkinkan untuk memperoleh ukuran tempat SLE untuk titik-titik pada sumbu dan tepi bidang dalam kisaran 1,3 hingga 16,9, yang sesuai dengan ukuran piksel kamera video penerima.Dibandingkan dengan versi konverter yang sudah dirilis, konverter yang dihasilkan mengandung tiga komponen lebih sedikit dengan kualitas gambar yang sebanding.Pencapaian ini memungkinkan untuk membuat konverter 4x, yang sebelumnya mungkin tidak mendapatkan perhatian lebih dari yang seharusnya, karena alasan hasil yang tidak memuaskan.Saat ini, ada perusahaan penggalangan danauntuk pembuatan beberapa salinan. Mungkin di masa depan kita akan melihat konverter dari multiplisitas yang lebih besar, sementara mereka tidak akan sangat merusak kualitas gambar.literatur
1. Zuev V.E. Pemindahan sinyal optik di atmosfer Bumi dalam gangguan - M .: Radio Soviet, 1977.2. Tatarsky V. I. Perambatan gelombang di atmosfer yang bergejolak. - M.: Nauka, 1967.-- 548 hal.3. Tatarsky V. I. Teori fluktuasi fenomena dalam perambatan gelombang di atmosfer yang bergejolak. - M .:Penerbitan. USSR Academy of Sciences, 1959. - 230 hal.4. Churilovsky, V.N. Teori kromatisme dan penyimpangan urutan ketiga / V.N. Churilovsky. - L.: Teknik,1968 .-- 312 hal.5. LS Rothman, IE Gordon, A. Barbe, D. Chris Benner, PF Bernath, M. Birk, V. Boudon, LR Brown, A. Campargue,Juara J. P., Kesempatan K., Kesempatan, LH Coudert, V. Dana, VM Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, RR Gamache, A. Goldman, D.Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, WJ Lafferty, J.-Y. Mandin, ST Massie, S. Mikhailenko, N. Moazzen-Ahmadi, OVNaumenko, A. Nikitin, J. Orphal, A. Predoi-Cross, V. Perevalov, A. Perrin, CP Rinsland, M. Rotger, M. Simeckova ,MAH Smith, K. Sung, S. Tashkun, J. Tennyson, RA Toth, AC Vandaele, J. Vander Auwera // Basisdata spektroskopi molekul HITRAN 2008 // J.Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer - 2009 .-- P. 533-572.Source: https://habr.com/ru/post/id383449/
All Articles