Acessório óptico - teleconversor 4x
Introdução
Por razões do rápido desenvolvimento de meios técnicos e métodos matemáticos e algoritmos para processamento digital de imagens, um interesse crescente e constante pelas questões de enxergar através de uma atmosfera turbulenta está se mostrando cada vez mais. Para melhorar a imagem de um objeto, existem várias maneiras. Com base em estudos teóricos, dispositivos especializados e softwares relacionados são desenvolvidos e implementados.Nos últimos 10 anos, na Rússia e no exterior, mais e mais métodos estão sendo desenvolvidos para melhorar a visibilidade de objetos remotos. Como regra, o uso de ópticas com uma abertura superior a 100 mm não oferece vantagens na atmosfera da superfície em relação à resolução, uma vez que a Frid, que determina a resolução na atmosfera, geralmente tem um valor significativamente menor.Por outro lado, para que as distorções introduzidas pela atmosfera na imagem de uma fonte pontual sejam examinadas em detalhes em uma matriz típica com um tamanho de pixel de 5 a 10 mícrons, é necessária uma grande distância focal do sistema. Para tais observações, a lente deve ter uma abertura relativa da ordem de 1:40 - 1:60 a uma abertura de 100 mm. Para implementar essas aberturas relativas, é necessário o uso de bicos ópticos com lentes telefoto, que aumentam a distância focal várias vezes (teleconversores).Nossa tarefa era calcular o design óptico e o design do conversor 4x. A MTO 1000A (lente telefoto do menisco de Mensutov) foi escolhida como uma lente experimental. Essa lente telefoto é usada como parte de um sistema de vídeo para observar pequenos objetos remotos através de um meio turbulento a distâncias de até 4 km. Abaixo na fig. 1 mostra uma vista da lente telefoto MTO 1000A.
A destruição de informações sob a influência de distorção de fase
Para entender como resolver o problema, você primeiro precisa recorrer à literatura e entender o mecanismo de destruição de informações nas imagens.Portanto, quando examinam um objeto distante usando uma ferramenta com alta resolução angular, geralmente tendem a obter sua imagem, ou seja, brilho em função das coordenadas. A precisão da medição do brilho neste caso é limitada por vários fatores aleatórios, que são combinados pelo conceito de ruído. Esse ruído reduz o conteúdo de informações da imagem. Isso é chamado de destruição de informações por ruído. Os tipos típicos de ruído que interferem na observação de objetos atmosféricos são o ruído de registro e o ruído atmosférico. Eles introduzem distorções aleatórias desconhecidas pelo observador nos valores das quantidades que caracterizam a imagem do objeto e, assim, reduzem a precisão de sua medição, ou seja, destroem informações sobre esses valores.Se escrevermos a relação (3) na representação de coordenadas, então:J (x, y) = ∫G (x'-x, y'-y) J (x ', y') dx 'dy », (3)onde G (x'-x, y'-y) é a atmosfera - núcleo da abertura (função de hardware, função de dispersão de pontos), Fourier - cuja imagem está incluída em (3) a resposta de frequência do sistema de lentes médias.Assim, uma imagem registrada ao observar um objeto através de um meio com irregularidades aleatórias, é uma convolução de uma imagem verdadeira do objeto com o núcleo aleatório de abertura atmosférica G.Na Fig. A Figura 2 mostra exemplos de realizações de tais núcleos no caso típico quando o campo de distorção de fase δ (ξ, η) é uma implementação de um processo gaussiano estacionário com uma função de correlação gaussiana e vários valores da distorção quadrática média q (os resultados foram obtidos usando simulação numérica).
Figura 1. Exemplos de imagens de uma estrela insolúvel no caso em que o tamanho das heterogeneidades é muito menor que o tamanho da abertura, a) q = 1, b) q = π, c) q = 2π Adistorção da imagem do objeto descrita pela fórmula (3) leva a uma perda significativa de informações sobre o objeto observado . Isso é expresso em um aumento nos erros com os quais é possível medir as fases do componente Fourier da imagem e uma diminuição correspondente nos elementos da matriz Fisher e, portanto, no conteúdo escalar de informações da imagem. Como no caso de ruído de qualquer outra natureza, a acumulação de sinal pode chegar ao resgate, isto é, uma estimativa da imagem verdadeira a partir da totalidade das imagens obtidas durante a observação.Normalmente, o campo de distorção de fase δ (ξ, η) também depende do tempo. Repetindo o registro da imagem em diferentes momentos, você pode acumular mais informações sobre o objeto e obter uma imagem de melhor qualidade. Isso é bem conhecido na acumulação temporária de sinais de engenharia de rádio. Ao trabalhar com imagens, a acumulação de sinal espacial também é possível. É baseado no fato de que, quando observadas de diferentes pontos no espaço, as distorções de fase serão diferentes. A teoria da acumulação de sinal ao trabalhar com imagens ainda é pouco desenvolvida.O tipo mais simples de acumulação temporária é o método de somar imagens, possivelmente com a escolha do melhor deles. Esse acúmulo reduz o ruído espacial, mas suprime as altas frequências espaciais, resultando em uma perda de resolução angular. Existem métodos de acumulação mais sofisticados, mas a maioria deles é tecnicamente complexa e requer estudos teóricos e experimentais adicionais.Resultados do projeto
Na verdade, a tarefa foi elaborada para desenvolver um conversor de quatro vezes acromatizado na faixa visível de 0,38 microns a 0,7 microns. Um dos requisitos mais importantes era minimizar as aberrações esféricas, o cromatismo da posição e o coma. Como ambiente de software para o design de conversores, foi escolhido o pacote externo do programa aplicativo ZEMAX da versão “junho de 2009”.Uma etapa importante do projeto foi a determinação dos parâmetros de projeto dos conversores e a escolha dos tipos de vidro para os componentes ópticos do sistema. Para eliminar a aberração cromática da posição e do espectro secundário, foram escolhidos pares de óculos com uma dispersão relativa de frequência relativa próxima ao valor. Para encontrar a solução ideal, do ponto de vista da acromatização, os óculos foram selecionados no catálogo doméstico LZOS (Lytkarinsky Optical Glass Plant).Durante o processo de projeto, os parâmetros ópticos de ambos os sistemas foram obtidos com um ligeiro desvio dos iniciais. Isso se deve ao fato de que a principal tarefa na criação desse tipo de conversor foi minimizar as aberrações presentes no sistema. Assim, a distância focal do conversor 4x atingiu 4025,7 mm, enquanto o campo angular diminui de 2,5 para 0,625 graus. Vale ressaltar que a distância focal resultante do conversor 4x é ligeiramente diferente dos valores originalmente calculados em 3,69% menos, mas esse desvio dos parâmetros fornecidos não afeta significativamente o sistema.A qualidade da imagem obtida usando o circuito óptico dos conversores foi estimada usando critérios como o raio rms do ponto de espalhamento (RMS Radius) e o valor da função de transferência de modulação policromática (MPF) para a orientação meridional e sagital das faixas nas frequências espaciais. Como frequências, escolhemos os valores correspondentes às frequências de resolução da câmera de vídeo RT-1000 com as dimensões de uma célula fotossensível (pixel) 12,8 x 12,8 μm.A qualidade da imagem obtida pelo esquema óptico é principalmente limitada pela difração: o raio da raiz quadrada média do ponto de dispersão atinge 1,4 μm, que é muito menor que o tamanho de pixel da matriz da câmera de vídeo e do círculo Airy (veja a Fig. 3). A função estimada das aberrações de ondas do sistema (OPD) é mostrada na Fig. 4. O gráfico esquerdo é mostrado para um ponto no eixo, o gráfico direito está fora do eixo.FIG. 3. Diagrama do ponto de dispersão do teleconversor 4x (Raio RMS - raio quadrado médio do ponto de dispersão, mícrons).
FIG. 4. Desfocagem e aberração esférica do conversor 4x.
Uma imagem completa da correção de aberrações pode ser obtida observando os gráficos de aberrações do conversor projetado construído no programa Zemax e apresentado nas figuras a seguir:Fig. 5. Curvatura do campo e distorção.
FIG. 6. Função de difração policromática da concentração de energia no ponto de dispersão.
FIG. 7. Conversor MPF 4x para o comprimento de onda varia de 0,4 a 0,7 mícrons.
Conclusão
Como resultado, de acordo com os resultados do projeto, foi resolvido o problema da escolha ideal de óculos com a melhor razão da dispersão parcial relativa na faixa visível. Isso tornou possível obter um tamanho de ponto do SLE para pontos no eixo e na borda do campo na faixa de 1,3 a 16,9, o que corresponde ao tamanho do pixel da câmera de vídeo receptora.Comparados às versões já lançadas dos conversores, os conversores resultantes contêm três componentes a menos com qualidade de imagem comparável.Essa conquista possibilita a criação de um conversor de 4x, que anteriormente poderia não ter recebido mais atenção do que merece, por razões de resultados insatisfatórios.No momento, agora existe uma empresa de captação de recursospara a fabricação de várias cópias. Talvez, no futuro, veremos conversores de maior multiplicidade, enquanto eles não prejudicarão muito a qualidade da imagem.Literatura
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