Средства наблюдения в оптическом диапазоне

В оптическом видимом диапазоне света информация развед­кой добывается путем визуального, визуально-оптического и теле­визионного наблюдения, фото- и киносъемки, а в инфракрасном диапазоне — с использованием приборов ночного видения и теп­ловизоров.

Наибольшее количество признаков добывается в видимом диа­пазоне. Но видимый свет как носитель информации имеет малую проникающую способность, дальность его распространения в ат­мосфере сильно зависит от ее состояния, климатических и погод­ных условий. ИК-лучи как носители информации обладают боль­шей проникающей способностью и позволяют наблюдать объек­ты при малой освещенности и даже в темноте. Но при их преобра­зовании в видимый свет для обеспечения возможности наблюде­ния объекта человеком происходит значительная потеря информа­ции об объекте.

Так как физическая природа носителя информации в видимом и инфракрасном диапазонах одинакова, то различные средства на­блюдения, применяемые для добывания информации в этом диа­пазоне, имеют достаточно общую структуру. Ее можно предста­вить в виде, приведенном на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Структурная схема оптического приемника

Большинство средств наблюдения представляют собой опти­ческий приемник, содержащий оптическую систему, светоэлектрический элемент, усилитель и индикатор. В зависимости от вида светочувствительного элемента оптические приборы делятся на визуально-оптические, фотографические и оптико-электрон­ные. В визуально-оптических средствах наблюдения светочувс­твительным элементом является сетчатка глаза человека, в тради­ционных фото- и киноаппаратах — фотопленка, а в оптико-элект­ронных приборах — мишень светоэлектрического преобразовате­ля (СЭП).

Оптическая система или объектив проецирует световой поток от объекта наблюдения на поверхность светочувствительного эле­мента (сетчатку глаза, фотопленку, фотодиод, фототранзистор, ми­шень СЭП). Светочувствительный элемент преобразует оптичес­кое изображение в эквивалентное распределение плотности хими­ческого вещества или электронное изображение, количество «сво­бодных» электронов каждой точки которого пропорционально яр­кости соответствующей точки оптического изображения. Способы визуализации изображения для разных типов оптического прием­ника могут существенно отличаться. Изображение в виде зритель­ного образа формируется в мозгу человека, на фотопленке — в ре­зультате химической обработки светочувствительного слоя, на эк­ране технического средства— путем параллельного или после­довательного съема электронов со светоэлектрического элемента, усиления электрических сигналов и формирования под их действи­ем видимого изображения на экране оптического приемника.

Характеристики средств наблюдения определяются, прежде всего, параметрами оптической системы и светоэлектрического эле­мента, а также зависят от способов обработки электрических сиг­налов и формирования изображения при индикации. Основными характеристиками являются:

•диапазон длин волн световых лучей, воспринимаемых средством наблюдения;

•чувствительность;

•разрешающая способность;

•поле (угол) зрения и изображения;

•динамический диапазон интенсивности света на входе оптичес­кого приемника, не вызывающий искажение изображения на его выходе.

Средства наблюдения в зависимости от назначения создают­ся для видимого диапазона длин волн или его отдельных участков (зон), а также для различных участков инфракрасного диапазона.

Чувствительность средства наблюдения оценивается мини­мальным уровнем световой энергии, при которой обеспечивается требуемое качество изображения объекта наблюдения. Качество изображения зависит как от яркости и контрастности проецируе­мого изображения, так и от помех. Помехи создают лучи света, по­падающие на вход приемника от других источников света, и теп­ловые Шумы светоэлектрического преобразователя. На экране све­точувствительного элемента при посторонней внешней засветке ухудшается контраст изображения аналогично варианту прямого попадания на экран телевизионного приемника или монитора ком­пьютера яркого солнечного света.

Разрешающая способность характеризуется минимальными линейными или угловыми размерами между двумя соседними точ­ками изображения, которые наблюдаются как отдельные. Так как изображение формируется из точек (пикселей), размеры которых определяются разрешающей способностью средства наблюдения, то вероятность обнаружения и распознавания объекта возрастает с повышением разрешающей способности средства наблюдения (увеличением количества пикселей изображения объекта).

Размеры наблюдаемой части пространства характеризуются полем и углом зрения. Поле зрения — часть пространства, изоб­ражение которого проецируется на экран оптического приемника. Угол, под которым средство «видит» предметное пространство, на­зывается углом поля зрения. Часть поля зрения, удовлетворяюще­го требованиям к качеству изображения по резкости, называется полем или, соответственно, углом поля изображения.

Динамический диапазон оптического приемника определя­ет в дБ интервал силы света на входе оптического приемника, при котором обеспечивается заданное качество изображения на выхо­де. Чем шире динамический диапазон оптического приемника, тем больше оперативные возможности его применения. Несоответствие динамического диапазона приемника диапазону силы света от объ­ектов наблюдения приводит не только к искажению добываемой информации, но и может вызвать нарушение в работе приемника вплоть до разрушения светочувствительного элемента. Например, если человек посмотрит открытыми глазами на Солнце, то он в те­чение некоторого времени «слепнет».

Наиболее совершенным средством наблюдения в видимом диа­пазоне является зрительная система человека, включающая глаза и области мозга, осуществляющие обработку сигналов, поступаю­щих с сетчатки глаз. Возможности зрения человека характеризу­ются следующими показателями:

•глаз воспринимает световые лучи в диапазоне 0,4-0,76 мкм, причем максимум его спектральной чувствительности в свет­лое время суток приходится на голубой цвет (0,51 мкм), в тем­ноте — на зеленый (0,55 мкм);

•порог угловых размеров, которые глаз различает как две разде­льные точки на объекте наблюдения, составляет днем 0,5-1 угл. мин, ночью — 30 угл. мин;

• порог контрастности различимого объекта по отношению к фону составляет днем 0,01-0,03, ночью — 0,6;

• диапазон освещенности объектов наблюдения, к которым адап­тируется глаз, достигает 60-70 дБ;

•при освещенности менее 0,1 лк (в безоблачную лунную ночь) глаз перестает различать цвет;

•угловое поле зрения:

—в горизонтальной плоскости 65-95°;

—в вертикальной плоскости 60-90°;

— резкого изображения 30°;

•расстояние наилучшего зрения — 250 мм;

•время удержания взглядом изображения — 0,06 С;

Уникальные возможности зрительной системы человека обес­печиваются, прежде всего, оптической системой глаза, выполняю­щего функции объектива. Ее возможности и достигаются в ре­зультате того, что его кривизна с помощью специальных глазных мышц изменяется таким образом, чтобы обеспечить на сетчатке глаза максимально четкое изображение объектов, расположенных на различных расстояниях от наблюдателя. Хотя ведутся исследо­вания по созданию подобных искусственных объективов, но при­близиться к возможностям глаза пока не удается.

Оптические системы

Основу оптических систем средств наблюдения составляют объективы, которые в силу постоянства сферической кривизны по­верхностей линз и оптической плотности стекла проецируют изображения с различного рода погрешностями. Наиболее заметны сле­дующие из них:

•сферическая аберрация, проявляющаяся в отсутствии резкости изображения на всем поле зрения (оно резко в центре или по краям);

•астигматизм— отсутствие одновременной резкости на краях поля изображения для вертикальных и горизонтальных линий;

•дисторсия — искривление прямых линий на изображении;

•хроматическая аберрация — появление цветных окантовок на границах световых переходов изображения, вызванных различ­ными коэффициентами преломления линзами объектива спект­ральных составляющих световых лучей.

С целью уменьшения погрешностей объективы выполняются из большого (до 10 и более) количества сферических линз с раз­личной кривизной поверхностей. Все или отдельные группы линз склеиваются между собой. Аберрации линз существенно умень­шаются у асферических линз со сложной кривизной поверхнос­ти. Технология полировки асферических линз сложна и дорога. Выпускаются для недорогих объективов литые асферические лин­зы, уступающие по качеству стекла шлифованным сферическим линзам.

Возможности объективов описываются совокупностью харак­теристик, основными из которых являются:

•фокусное расстояние;

•угол поля зрения и изображения;

•светосила;

•разрешающая способность;

•частотно-контрастная характеристика.

Фокусное расстояние объектива представляет собой рас­стояние от оптической плоскости объектива до плоскости, где фокусируются входящие в объектив параллельные лучи света. По соотношению величины фокусного расстояния f объектива и длины диагонали кадра поля создаваемого им изображения d объ­ективы делятся на короткофокусные, у которых f < d, нормальные или среднефокусные (f~d), длиннофокусные и телеобъективы с f > d, а также с переменным фокусным расстоянием. Фокусное рас­стояние глаза человека составляет около 17 мм. Значения фокусного расстояния объективов унифицированы и принимают дискрет­ные значения: 2,6, 3,5,4,8, 6, 8, 12, 16, 25, 50, 75 мм и т. д.

Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкреатический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрена возможность смещения оптических компонентов вдоль оптической оси объектива, за счет чего изменяется величина фокусного расстояния. Величину фокусного расстояния изменяют дискретно или плавно. Дискретное изменение фокусного рассто­яния достигается применением афокальных насадок, уменьшаю­щих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное измене­ние величины фокусного расстояния осуществляется перемещени­ем отдельных линз объектива вдоль оптической оси по линейно­му или нелинейному закону. В зависимости от способа изменения эти объективы подразделяют на вариообъективы и трансфока­торы. Вариообъективы представляют собой единую оптическую схему, в которой изменение фокусного расстояния осуществляет­ся непрерывным перемещением одной или нескольких линз вдоль оптической оси. Трансфокаторы состоят из насадки с переменным плавным увеличением и объектива с постоянным фокусным рас­стоянием.

Сложность оптической конструкции объективов с переменным фокусным расстоянием вызвана, прежде всего, тем, что при изме­нении фокусного расстояния должно автоматически сохраняться положение плоскости резкого изображения наблюдаемого объекта. Добиваются этого путем оптической или механической компенса­ции. В первом случае кратность изменения фокусного расстояния не более 3, во втором — 6-7.

По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы, у которых величина этого угла не превышает 30°, среднеугольные (угол в пределах 30°-60°), широкоугольные с углом более 60° и, наконец, — с переменным углом поля изображения у объективов с переменным фокусным расстоянием.

Чем больше фокусное расстояние f объектива, тем больше мас­штаб изображения и больше деталей объекта можно рассмотреть на изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для об­наружения объекта используют короткофокусные объективы, а Для распознавания — длиннофокусные.

Светосила характеризует долю световой энергии, пропускае­мой объективом к светочувствительному элементу. Очевидно, что чем выше светосила объектива, тем ярче изображение на свето­чувствительном элементе. На светосилу объектива влияют следу­ющие факторы:

•относительное отверстие объектива;

•прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отра­жения) линз;

•масштаб изображения;

•коэффициент снижения яркости изображения к краю его поля.

Светосила без учета реальных потерь света в линзах вычисля­ется как квадрат относительного отверстия, равного d/f, где d — диаметр входного отверстия (апертуры). Эффективное относитель­ное отверстие объектива меньше геометрического на величину по­терь света в его линзах. По величине относительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные с d/f > 1/2, светосиль­ные с d/f = 1/2,8-1/4) и малосветосильные с d/f < 1/5 [5]. В зару­бежной литературе в качестве характеристики светосилы объек­тива используют такой показатель, как «фокальное число» F = f/d. У человека c f=17 мм и d = 6мм F = 2,8, т. е. хрусталик глаза от­носится к светосильным объективам. Чем больше светосила объ­ектива, тем выше чувствительность средства наблюдения. Однако при этом растут искажения изображения и для их уменьшения ус­ложняют конструкцию светосильных объективов, что естествен­но приводит к их удорожанию. Для изменения относительного от­верстия при чрезмерно большом диапазоне освещенности объекта наблюдения и повышения глубины резкости в объективе устанав­ливается механизм регулировки диаметра относительного отверс­тия — диафрагма. Величина диафрагмы изменяется вручную или автоматически.

Свет, падающий на линзу и проходящий через нее, отражает­ся и поглощается. Количество поглощенного света зависит от тол­щины стекла (в среднем 1-2% на 1 см толщины). Линзы отражают 4-6% падающего на них света. Чем больше отражающих поверх­ностей имеет объектив, тем больше потери света. В объективах из 5-7 линз потери света на отражение могут составлять 40-50% [5]. Кроме того, свет, отраженный от внутренних поверхностей линз в сторону плоскости изображения, накладывается на изображение и создает помеху в виде засветки изображения. Засветка уменьша­ет контраст изображения. Эти неблагоприятные факторы, возни­кающие в многолинзовых объективах, уменьшают просветлением линз.

Просветлением называется способ уменьшения переотраже­ния света от внутренних поверхностей линз путем нанесения на них тонкой пленки. Толщина просветляющей пленки должна со­ставлять 1/4 длины волны падающего на линзу света. Пленка сдви­гает фазу отраженной от внутренней поверхности линзы волны на 180°, вследствие чего она компенсируется падающей волной. Первоначально объективы просветляли для узких участков спект­ра. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине-фиолетовый оттенок и назывался «голубой» оптикой. Современные технологии просветления оптики позволяют наносить на повер­хность линзы 12-14 слоев просветляющих пленок и перекрывать тем самым весь спектр видимого диапазона света. Такую оптику маркируют индексами МС — многослойное покрытие. Объективы МС в отраженном свете не меняют цвет.

Возможность объектива передавать мелкие детали изображе­ния оценивается разрешающей способностью. Она выражается максимальным числом N штрихов и промежутков между ними на 1 мм поля изображения в его центре и по краям. Наиболее высокую разрешающую способность имеют объективы для микрофотогра­фирования в микроэлектронике и линзы астрономических телеско­пов. Она достигает 1000 и более линий на мм. Изготовление та­ких объективов является чрезвычайно трудоемким процессом про­должительностью для линз телескопов большого диаметра в тече­ние многих месяцев. Объективы с линзами из кварца, применяе­мые в фотографии, имеют существенно меньшее разрешение по­рядка 50 лин./мм, с штампованными из синтетических материалов линзами — еще ниже.

Так как одним из основных факторов, определяющих вероят­ность обнаружения и распознавания объектов, является контраст его изображения по отношению к фону, то важной характеристи­кой объектива как элемента средства наблюдения является его час­тотно-контрастная характеристика. Она служит мерой способности объектива передавать контраст деталей объекта и измеряет­ся отношением контрастности деталей определенных размеров на изображении и на объекте. Уменьшение контраста мелких деталей на изображении вызвано тем, что в результате различных аберра­ций объектива на изображении размываются границы деталей на­блюдаемых объектов.

Для количественной оценки частотно-контрастной характе­ристики в качестве исходного объекта используется эталонный объект наблюдения — мира в виде черно-белых линий с уменьша­ющейся шириной, нанесенных, например, тушью на белой бумаге. По результатам измерений контрастности п линий на проецируе­мом объективом изображении строится зависимость контраста К от количества линий п в одном мм. Зависимость К = f(n) определя­ет частотно-контрастную характеристику объектива.

В связи с большими техническими проблемами создания уни­версальных объективов с высокими значениями показателей, оп­тическая промышленность выпускает широкий набор специализи­рованных объективов: для фото- и киносъемки, портретные, про­екционные, для микрофотографирования и т. д.

Для добывания информации применяются объективы трех ви­дов: для аэрофотосъемки, широкого применения (фото-, кино- и видеосъемки с использованием бытовых и профессиональных ка­мер) и для скрытой съемки.

Объективы широкого применения разделяются в соответствии с размерами фотоаппаратов: для малоформатных и миниатюрных, среднеформатных и крупноформатных камер.

Для скрытого наблюдения используются:

•телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300-4800 мм)для фотографирования на большом удалении от объекта наблю­дения, например из окна противоположного дома и далее;

•так называемые точечные объективы для фотографирования из портфеля, часов, зажигалки, через щели и отверстия. Они име­ют очень малые габариты и фокусное расстояние, но большой угол поля зрения.

Например, объектив фотоаппарата РК 420, вмонтированного в корпус наручных часов, имеет размеры 7,5 мм с апертурой 2,8 мм. В миникамерах фирм Hitachi, Sony, Philips, Ockar используются объективы диаметром 1-4 мм и длиной до 15 мм.