Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 14

где n, n’ - показатели преломления оптических сред, m - коэффициент пропускания света.

Полем зрения называется та часть пространства предметов, которая видна или изображается с помощью данной оптической системы. Поле зрения измеряется в угловой и линейной мерах (например, 60^о - для проекционных объективов или 0,5 мм - для микроскопов). Величина поля зрения зависит от апертуры и огра­ни­чи­ва­ет­ся полевой диафрагмой.

Глаз имеет большой угол зрения  125⁰ по вертикали и  150⁰ - по горизонтали. Однако, область резкого зрения, ограниченная желтым пятном, не превышает 6 ... 8⁰ (рис.5.64). Угол «качественного стереозрения» человека составляет  60 ... 70⁰.

Апертурой (от латинского «от­кры­тый») называется действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз и диафрагмами (рис. 5.66). В расчетах чаще всего используется угловая апертура , под которой понимают угол между крайним лучом первой линзы и ее оптической осью.

Разрешающая способность связана со свойством оптической си­с­темы, воспроизводить раздельно две точки. Она также может определяться в угловых _р и линейных K единицах. В первом случае справедлива при­ближенная формула Рэлея:

Здесь d - диаметр входного зрачка.

Разрешающая способность определяется с помощью тест-объ­ек­тов, называемых мирами. Различают штриховые миры (миры Фуко) и радиальные.

Разрешающая способность глаза зависит от диаметра зрачка (1,5 ... 8 мм) и растет с увеличением последнего. Она максимальна при освещенности  50 лк и длины волны излучения  равной 0,55 мкм. В среднем _р составляет 1’, однако, может достигать 10.

5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем

В настоящее время в системах навигации обычно используются оптронные ОЛС (для ближнего радиуса действия) и лазерные - для дальнего. Информативным параметром является величина сигнала, регистрируемого приемником ОЛС, зависящая, в том числе, и от яркости L объекта. Для системы, работающей в отраженном свете уро­вень принимаемого сигнала пропорционален отража­ю­щей поверхности объекта или его k_отр. Следовательно, сигнал от объекта с большей отражающей способностью, будет выше и, например, белый объект будет казаться бли­же черного.

Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических пре­образователей (напри­мер, оптронной пары типа светодиод - фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как пра­вило, в ИК диапазоне. Качество обнаружения (де­тек­тиро­ва­ния) определяется следу­ю­щими параметрами: мощностью и направленностью излучения, спектральной характеристикой первичных пре­­образователей (излучающего диода - на стороне излучателя и фото­детектора на стороне приемника) и свойствами отражающей поверхности объекта.

Излучатели и приемники ОЛС состоят из двух основных функциональных блоков: первичного преобразователя и оптической системы.

П ервичные преобразователи оптронных ОЛС строятся по тем же схемам, что и преобразователи оптических датчиков положения. Как правило, для излучения света применяются полупроводниковые светодиоды, использующие явление элек­тро­лю­ми­несцен­ции. Их изготавливают на базе фосфида и арсенида галлия (обеспечивая, при этом КПД до 25%), карбида кремния. В оптических системах для приема светового сиг­нала чаще всего используются фото­транзи­сто­ры, действие которых основано на внут­реннем фотоэффекте или фотоумножители с малыми значениями темнового то­ка ( 0,1 мкА) и постоянной времени (10^-2 мкс). Фототранзисторы обладают высокой чувствительностью и линейной фун­кцией преобразования.

Оптическая система, входящая в состав излучателей и приемников оптронных ОЛС предназначена для формирования направленного светового потока и получения изображения объекта. Она, как правило, строятся по схеме «объектив-конденсор».

Объективом обычно называется ближняя к объ­екту ли­н­за (или система линз), дающая его обратное действите­ль­ное изображение. Появление объектива датируется 1840 г., когда венский оптик Й. Петцваль рассчитал первый прибор, который затем использовал для получения портретных изображений. (Его объектив был четырехлинзовым, линзы име­ли большие размеры и выполнялись из двух сортов стекла).

Современный объектив (рис. 5.68) характеризуется:

• фокусным расстоянием F (1 ... 10000 мм);

• углом поля зрения ’ (до 170⁰);

• светосилой S_F или относительным отверстием r = d/F (r = 1:1 ... 1:30).

Кроме объектива в оптической системе может использоваться и окуляр - обычно ближняя к глазу линза (или несколько линз), образующая действительное изображение.

Объектив используется не только на передающей, но и на приемной стороне. Его важнейшая характеристика - фокусное расстояние характеризует величину поля зрения. Чем меньше F, тем больше зона обзора, но меньше разрешающая способность. Следовательно, для каждой конкретной задачи необходимо подбирать объектив с требуемым фокусным расстоянием. Объектив обычно содержит заслонку с отверстием, ограни­чива­ю­щую пучок лучей - диафрагму. (Диафрагмой глаза, например, изменяющей размер зрачка в пределах 1,5 … 8 мм, является его радужная оболочка). Диа­фраг­ма, проходящая через точку пересечения главного луча с оптической осью (в системе с одной линзой она является ее «оп­равой») называется апе­р­турной. Ее изображением в простран­­стве пре­д­ме­тов и изображений являются входной и выходной зрачок, соответст­венно. Характеристикой апертуры является угол поля зрения ’ (или угловое поле зрения) определяется размером диагонали кадра изображения и фокусным расстоянием объектива. Так, для обычных объективов ’ = 45 … 60⁰ (рис. 5.68а), объективы с мень­шим фокусным расстоянием называются широкоугольными (рис. 5.68в); для них характерно большее угловое поле (до 170⁰), и, наконец, телеобъективы или длиннофокусные объективы (рис. 5.68б) имеют угловое поле 5 … 30⁰. В некоторых источниках, в основу разделения объективов по фокусному расстоянию по­ло­жен параметр F^* равный отношению фокусного расстояния к диагонали изображения. Объективы с F^* < 0,9 называются короткофокусными, с F^* > 1,5 - длиннофокусными. Таким образом, с помощью короткофокусных объективов можно увидеть большую зону, чем с помощью длиннофокусных, но с меньшими подробностями.

К ачество объектива определяется всеми компонентами, образующими его оптическую систему. Так, каждой из линз объектива свойственна абер­рация - нелинейное искажение изображения, обу­слов­ленное отклонением свойств реальной линзы от идеальной. Частичная компенсация аберраций достигается в объективах с несколькими линзами (например, склеенными или выполненными из разных материалов), а также применением зеркальных систем, как в фотообъективах. Однако, при малых значениях относительного отверстия и угла поля зрения (r < 1:12 и ’ = 1 … 3^о) аберрации практически отсутствуют. Такие объективы используются в качестве тестовых.

Применительно к объективам светосила определяется выражением: S_F = r²m. Иногда ее вычисляют через относительное отверстие r, величину равную отношению диаметра отверстия диафрагмы d к фокусному расстоянию F. (Например, если диаметра действующего отверстия диафрагмы объектива 25 мм, а его фокусное расстояние 50 мм, то говорят, что его светосила составляет 1:2). Для увеличения светосилы в боль­шин­стве современных объективов с автодиафрагмой используются специальные фильтры с «центральным пятном». Относительное отверстие определяет и разрешающую спо­собность объектива. Для нахождения линейной разрешающей способности K существует эмпирическая зависимость:

K = 1473/N. Размерность K - линий/мм.

При описании объективов наряду со светосилой S_F, используется понятие диафрагменного (апертурного) числа N или эффективного диафрагменного числа k_э, равных, соответствен­но:

N = 1/r = F/d,

k_э = N/2 .

Значения k_э обычно стандартизуют рядом предпочтительных значений - 1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; ... 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16 ... 1:64.

Оптическая (преломляющая) сила линз D зависит от радиуса кривизны R границы раздела двух сред и их коэффициентов преломления n₁ и n₃ (рис. 5.69):

D = - n₁/f = n₃/f’.

Для линзы, находящейся в воздухе (n₁ = n₃  1) справедливо выражение:

D = 1/F,

где D измеряется в диоптриях (дп). Для собирающих линз D > 0, для рассеивающих D < 0. Чем больше оптическая сила, тем ближе к линзе располагается изображение и тем меньше величина этого изображения.

Для вычисления преломляющей силы оптической системы с несколькими линзами D_n используется формула Гу­льстранда, учитывающая количество преломляющих пове­рхностей. Так, если оптическая система состоит из нетонких линз, т.е. каждая из них представляет собой систему с двумя преломляющими поверхностями, то для каждой из линз справедливо:

Здесь D_п и D_з - преломляющие силы передней и задней поверхностей линзы соответственно, d’ - расстояние между ними, n - коэффициент преломления заключенной между ними среды.

В качестве примера рассмотрим глаз человека, представляющий собой оптическую систему с двумя линзами или четырьмя преломляющими поверхностями. Оптическая сила глаза D_г составляет  59 дп. При его напряжении происходит изменение фокусных расстояний хрусталика, и оптическая сила возрастает до 70 дп. Нормальный глаз называется эмметропичес­ким. В этом случае плоскость изображений находится на сетчатке. Близорукость (миопия) возникает, когда задний фокус глаза оказывается перед сетчаткой, дальнозоркость (гиперметропия) - если за ней. Для нормализации близорукого глаза необходимо уменьшить его оптическую силу, для чего к глазу приставляют отрицательную линзу, оптическая сила которой приводит задний фокус на сетчатку. Глаз без хрусталика (афакический) требует для восстановления оптической силы компенсационной очковой линзы силой  11 ... 14 дп. Глаз, как линзовая система, имеет и другие дефекты. Так, например, различие оптической силы глаза в разных направлениях приводит к астигматизму, ко­торый проявляется в том, что изображение двух взаимно перпендикулярных прямых не получаются одинаково резкими.

Важной характеристикой объектива является глубина резкости Т_L, выражаемая через расстояние вдоль оптической оси между точками простра­нства изображений, определяющими границы резкого изо­бражения. Для качественных объективов (с высокой разрешающей способностью и аберрацией ниже 0,015 мм) справедливо эмпирическое выражение:

Например, для относительных отверстий r = 1:2 ... 1:4 глубина резкости составляет  0,05 ... 0,1 мм.

В табл. 5.14 представлены некоторые технические характеристики объективов.

Таблица 5.14. Примеры отечественных промышленных объективов

Примечание. K_F - кратность изменения фокусного расстояния.

Конденсор предназначен для увеличения освещенности в плоскости изображения. Он создает действительное изображение источника света на конечном расстоянии от него. (Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий параллельный световой пучок). В приемнике он устанавливается после объектива, в передатчике перед ним, но во всех случаях - ближе к плоскости изображений. Конструкция конденсора зависит от апертуры. Простейший конденсор представляет собой пло­сковыпуклую линзу, сферическая поверхность которой направлена в сторону далеко удаленного источника света (или его изображения). Более сложные схемы включают 1 … 2 линзы (при малых значениях апертуры) и не менее трех линз, при апертуре большей 30⁰ (рис. 5.70).

Используемые в современной фотографии оптические системы, состоящие из нескольких линз, получили название «объектив-ан­астиг­мат». В частности, известная модель Индустар содержит 4 линзы, две из которых простые, а две склеенные. Такая схема хорошо исправляет аберрации. Промышленно выпускаются объективы с фокусными расстояниями F = 50 ... 1200 мм и относительными отверстиями r = 1:9 ... 1:2,8. Широкое распространение получили оптические системы с переменным фокусным расстоянием - трансфокаторы. Так, известная схема ZOOM, позволяющая изменять фокусное расстояние в десятки раз, содержит от 6 до 10 и более линз.