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光学附件-增距镜4x

介绍


由于用于数字图像处理的技术手段以及数学方法和算法的飞速发展，人们对在湍流环境中透视的问题越来越感兴趣。为了改善物体的图像，有很多方法。基于理论研究，开发并实现了专用设备和相关软件。

在过去的十年中，无论是在俄罗斯还是在国外，都在开发越来越多的方法来改善远处物体的可见性。通常，使用孔径大于100 mm的光学元件在表面大气分辨率方面没有任何优势，因为弗里德半径，它决定了大气中的分辨率，通常具有明显较低的值。

另一方面，为了在由像素尺寸为5-10微米的典型矩阵上详细检查由大气引入点源图像的畸变，需要系统的大焦距。对于此类观察，在100 mm的光圈下，镜片的相对光圈应为1:40-1:60的数量级。为了实现这样的相对孔径，有必要使用带有远摄镜头的光学喷嘴，该光学喷嘴将焦距增加几倍（增距镜）。

我们的任务是计算4x转换器的光学设计和设计。选择了MTO 1000A（孟苏托夫的弯月形长焦镜头）作为实验镜头。这种远摄镜头被用作视频系统的一部分，以通过湍流介质观察遥远的小物体，最大距离为4 km。下图。图1示出了MTO 1000A远摄镜头的视图。



相位失真影响下的信息破坏



为了了解如何解决该问题，您首先需要阅读文献并了解破坏图像中信息的机制。

因此，当他们使用具有高角度分辨率的工具检查远处的物体时，他们通常倾向于获取其图像，即，亮度是坐标的函数。在这种情况下，亮度测量的精度受到各种随机因素的限制，这些因素通过噪声的概念进行组合。这种噪声会减少图像的信息内容。这被称为噪声破坏信息。干扰大气物体观测的典型噪声类型是配准噪声和大气噪声。他们将观察者未知的随机畸变引入表征物体图像特征量的值中，从而降低其测量精度，即破坏有关这些值的信息。

如果我们在坐标表示中写下关系式（3），则：

J（x，y）=∫G（x'-x，y'-y）J（x'，y'）dx'dy'，（3）

其中G（x'-x，y'-y）是大气层-孔径核心（硬件功能，点散射函数），傅立叶-图像包含在（3）中镜头系统的频率响应中。
因此，当通过具有随机不规则性的介质观察物体时所记录的图像是物体的真实图像与随机大气-孔径核G的卷积

。图2显示了在典型情况下这种原子核的实现示例，其中相位畸变场δ（ξ，η）是具有高斯相关函数和均方畸变q的各种值的固定高斯过程的实现（结果是通过数值模拟获得的）。


图。1。在的情况下的不溶性星的图像的一个例子时的非均匀性的尺寸大于孔的尺寸，一个）Q = 1，b）中Q =π，C）小得多Q =2π的

由式（3）引线关于所观察的对象描述信息的显著损失的对象的图像的失真。这反映在可以测量图像的傅立叶分量的相位的误差的增加，以及费舍尔矩阵的元素的相应减少以及因此图像的标量信息内容上。与任何其他性质的噪声一样，信号的积累也可以解决，即从观察过程中获得的全部图像估计真实图像。

通常，相位失真场δ（ξ，η）也取决于时间。在不同的时间点重复注册图像，您可以积累有关对象的更多信息，并获得质量更好的图像。这在无线电工程临时信号累积中是众所周知的。在处理图像时，也可以进行空间信号累积。基于以下事实：从空间的不同点观察时，相位畸变会有所不同。处理图像时的信号累积理论仍未得到很好的发展。

临时累积的最简单类型是对图像求和的方法，可能会选择其中的最佳方法。这种积累减少了空间噪声，但是抑制了高空间频率，从而导致角分辨率的损失。存在更复杂的积累方法，但是大多数方法技术复杂，需要进行额外的理论和实验研究。

设计结果


实际上，任务是开发一种可在0.38微米至0.7微米可见范围内消色差的4倍转化器。最重要的要求之一是最小化球差，位置色差和彗差。作为转换器设计的软件环境，选择了“ 2009年6月”版本的ZEMAX应用程序的外部软件包。

一个重要的设计阶段是确定转换器的设计参数以及为系统的光学组件选择玻璃等级。为了消除位置和二次光谱的色差，选择了相对色散值相对接近的眼镜。为了找到最佳解决方案，从消色差的角度出发，从国内目录LZOS（Lytkarinsky光学玻璃厂）中选择了玻璃。

在设计过程中，获得的两个系统的光学参数均与初始系统略有偏差。这是由于以下事实：创建此类转换器的主要任务是使存在的系统像差最小化。因此，4x转换器的焦距达到4025.7 mm，而角场从2.5度减小到0.625度。值得注意的是，4x转换器的最终焦距与原始计算值略有不同，减少了3.69％，但与给定参数的这种偏离不会对系统造成重大影响。

使用转换器的光学电路获得的图像质量是根据诸如散射点的均方根半径（RMS半径）和条纹在空间频率上的子午线和弧矢方向的多色调制传递函数（MPF）的值估算的。作为频率，我们选择与RT-1000摄像机的分辨率频率相对应的值，以及一个单独的感光单元（像素）尺寸为12.8 x 12.8μm的值。

通过光学方案获得的图像质量主要受衍射限制：散射点的均方根半径达到1.4μm，远小于摄像机矩阵和艾里圆的像素大小（请参见图3）。该系统的波像差（OPD）的估计函数如图2所示。 4.左图显示了轴上的一个点，右图显示在轴外。

图。 3.增距镜4x的散射点示意图（RMS半径-散射点的均方半径，微米）。


图。 4. 4x转换器的散焦和球差。


像差校正的一个完整的画面可以通过查看在Zemax中程序构造和呈现在以下附图中所设计的转换器的像差曲线图中获得：

图5.场的曲率和失真。


图。6.散射点能量集中的多色衍射函数。


图。7. MPF转换器4x的波长范围为0.4到0.7微米。


结论


结果，根据设计结果，解决了在可见范围内具有最佳部分相对色散比的最佳眼镜选择问题。这使得有可能获得轴和场边缘上的点的SLE光点大小在1.3到16.9的范围内，这对应于接收摄像机的像素大小。

与已经发布的转换器版本相比，最终的转换器包含更少的三个组成部分，具有可比的图像质量。

这项成就使创建4x转换器成为可能，由于结果不令人满意，该转换器以前可能没有受到应有的重视。
目前，有一家筹款公司用于制造多份副本。也许将来我们会看到更多的转换器，但它们不会严重损害图像质量。

文献

1. Zuev V.E. -在受干扰的情况下在地球大气层中传输光信号-M .：苏联电台，1977年；
2. Tatarsky V.I.在湍流大气中的波传播。 -M .:娜卡（Nauka），1967年。-548羽
3. Tatarsky V. I.湍流中波传播的波动现象理论。 -M .：
出版。苏联科学院，1959年-230羽。
4.丘里洛夫斯基，弗吉尼亚州色差理论和三阶像差/ V.N.丘里洛夫斯基。 - L：工程，
1968 .-- 312页。
5. LS Rothman，IE Gordon，A。Barbe，D。Chris Benner，PF Bernath，M。Birk，V。Boudon，LR Brown，A。Campargue，J。P
. Champion，K。Chance ，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马西，S. Mikhailenko，N. Moazzen艾哈迈迪，OV
瑙缅科，A.尼基，J. Orphal，A. Predoi十字，V. Perevalov，A.佩兰，CP Rinsland，M. Rotger，M. Simeckova ，
MAH Smith，K。Sung，S。Tashkun，J。Tennyson，RA Toth，AC Vandaele，
J.Vander Auwera // HITRAN 2008 分子光谱数据库// J.Quant。光谱。辐射。传递 -2009年。-第533-572页。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN383449/

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