6. Технические характеристики средств оптической разведки: Общие характеристики. Характеристики человеческого глаза. Характеристики объективов. Характеристики визуально-оптических приборов.
Технические характеристики средств оптической разведки
Общие характеристики
Характеристики средств наблюдения определяются, прежде всего, параметрами оптиче- ской системы и светоэлектрического преобразователя, а также они зависят от способов обра- ботки электрических сигналов и формирования изображения при индикации. Основными из них являются:
Средства наблюдения в зависимости от назначения создаются для видимого диапазона в целом или его отдельных зон, а также для различных участков инфракрасного диапазона.
Чувствительность средства наблюдения оценивается минимальным уровнем энергии светового луча, при котором обеспечивается требуемое качество изображения объекта наблю- дения. Качество изображения зависит как от яркости и контрастности проецируемого изобра- жения, так и от помех. Помехи создают лучи света, попадающие на вход от других источников света, и шумы светоэлектрического преобразователя. На экране светоэлектрического преобра- зователя при посторонней внешней засветке наблюдается ухудшение контраста изображение аналогичное варианту прямого попадания на экран телевизионного приемника яркого солнеч- ного света.
Разрешающая способность характеризуется минимальными линейными или угловыми размерами между двумя соседними точками изображения, которые наблюдаются как отдель- ные. Так как изображение формируется из точек, размеры которых определяются разрешающей способностью средства наблюдения, то вероятность обнаружения и распознавания объекта воз- растает с повышением разрешающей способности средства наблюдения (увеличением количе- ства точек изображения объекта).
Поле зрения это то, что проецируется на экран оптического приемника. Угол, под кото- рым средство «видит» предметное пространство, называется углом поля зрения. Часть поля зрения, удовлетворяющего требованиям к качеству изображения по его резкости, называется полем или соответственно углом поля изображения.
3.5.2 Характеристики человеческого глаза
Наиболее совершенным средством наблюдения в видимом диапазоне является зритель- ная система человека, включающая глаза и области мозга, осуществляющие обработку сигна- лов, поступающих с сетчатки глаз.
Возможности зрения человека характеризуются следующими показателями:
глаз воспринимает световые лучи в диапазоне 0.4–0.76 мкм, причем максимум его спек- тральной 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, составляют 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, чрезвычайно широк – 60–70 дБ;
при освещенности менее 0.1 лк (в безоблачную лунную ночь) глаз перестает различать цвет.
Уникальные возможности глаз человека достигаются благодаря совершенству, в том числе, его оптической системы–хрусталика, выполняющей функции объектива. Совершенство хрусталика проявляется, прежде всего, тем, что его кривизна с помощью специальных глазных мышц изменяется таким образом, чтобы обеспечить на сетчатке глаза максимально четкое изоб- ражение объектов, расположенных на различных расстояниях от наблюдателя. Хотя ведутся исследования по созданию подобных искусственных объективов, но приблизиться к возможно- стям хрусталика глаза пока не удается.
Характеристики объективов
Объективы в силу постоянства кривизны поверхностей линз и оптической плотности стекла проецируют изображения с различного рода погрешностями. Наиболее заметны из них: сферическая аберрация, проявляющаяся в отсутствии резкости изображения на всем поле зре- ния (оно резко в центре или по краям);
С целью уменьшения погрешностей объективы выполняются из большое го (до 10 и бо- лее) количества линз с различной кривизной поверхностей. Все или отдельные группы линз склеиваются между собой.
Качество объективов описываются совокупностью параметров. Для оценки возможно- стей средств наблюдения основными из них являются: фокусное расстояние, угол поля зрения и изображения, светосила, разрешение, частотно-контрастная характеристика.
По величине фокусного расстояния объективы делятся на короткофокусные, с фокус- ным расстоянием f, меньшим длины диагонали кадра поля изображения d, нормальные илисреднефокусные (f = d), длиннофокусные и телеобъективы с f > d, а также с переменным фокус- ным расстоянием.
Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкратический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрена возможность смещения оптических компонентов, за счет чего изменяется величина фокусного расстояния. Величину фокусного расстояния изменяют дискретно или плавно [19].
Дискретное изменение фокусного расстояния достигается применение афокальных на- садок, уменьшающих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное изменение величины фокусного расстояния осуществляете перемещением отдельных компонент вдоль оптической оси по линейном или нелинейному закону. В зависимости от способа коррекции аберрации эти объективы подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы.
Вариообъективы представляют собой единую оптическую схему, в которой изменение фокусного расстояния осуществляется непрерывным перемещением одного или нескольких компонентов вдоль оптической оси.
Трансфокаторы состоят из афокальной 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 компенсации (при линейном перемещении компонентов) и механиче- ской (при нелинейном). В первом случае кратность изменения фокусного расстояния не более
3, во втором – 6–7.
По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы, у которых ве- личина угла не превышает 30°, среднеугольные (угол в пределах 30°–60°), широкоугольные суглом более 60° и, наконец, – с переменным углом поля изображения у объективов с перемен- ным фокусным расстоянием.
Чем больше фокусное расстояние f объектива, тем больше деталей объекта можно рас-
смотреть на его изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для обнаружения объ-
екта используют короткофокусные объективы, а для распознавания – длиннофокусные. Разме- ры объекта h на изображении определяются по соотношению h = fH/L в зависимости от разме- ров реального объекта Н, расстояния от него до объектива L и фокусного расстояния объектива
f.
Светосила характеризует способность объектива создавать освещенность в поле изобра- жения в соответствии с яркостью объекта. На светосилу объектива влияют следующие факто- ры:
⎯ относительное отверстие объектива;
⎯ прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отражения) линз;
⎯ коэффициент увеличения (масштаб получаемого изображения);
⎯ коэффициент падения освещенности к краю поля изображения.
Светосила без учета реальных потерь света в линзах оценивается величиной геометриче- ского относительного отверстия l:к = 1:f/D, где D – диаметр входного отверстия объектива (апертура) или фокальным числом F = f/D. Эффективное относительное отверстие объектива меньше геометрического на величину потерь света в его линзах. По величинеотносительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные, у которых 1:к = 1:2 и менее, светосильные (1:к = 1:2.8–1:4) и малосветосильные с 1:к = 1:5.6 и более [19]. Чем большесветосила объекти- ва, тем выше чувствительность средства наблюдения. Однако при этом растут искажения изо- бражения и для их уменьшения усложняют конструкцию светосильныхобъективов, что естест- венно приводит к их удорожанию.
Свет, падающий на линзу и проходящий через нее, отражается и поглощается. Количест- во поглощенного света зависит от толщины стекла (в среднем 1–2% на 1 см толщины). Линзы отражают 4–6% падающего на них свет. Чем больше отражающих поверхностей имеет объек- тив, тем больше потери света. В объективах из 5–7 линз потери света на отражение могут со- ставлять 40–50% [19]. Уменьшают потери света просветлением линз.
Просветлением называются способы уменьшения отражения света от поверхности стек- ла путем нанесения на него тонкой пленки с коэффициентом преломления, меньшим преломле- ния стекла линзы. Толщина просветляющей пленки должна составлять 1/4 длины волны па- дающего на линзу света. В этом случае отраженные лучи света в силу противоположности их фазфазам падающих лучей компенсируются и, следовательно, отражение света отсутствует. Первоначально объективы просветляли для желто-зеленой части спектра, к которой наиболее чувствителен глаз человека. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине- фиолетовый опенок и назывался «голубой» оптикой. Современные технологии просветления оптики позволяют наносить на поверхность линзы 12-14 слоев просветляющих пленок и пере- крывать 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 1мм поля изображения в его центре и по краям. Наиболее высокую разрешающую способ- ность имеют объективы для микрофотографирования в микроэлектронике. Она достигает 280–
440 линий на мм по центру и 260–400 линий на мм по краям поля изображения.
Так как одним из основных факторов, определяющих вероятность обнаружения и распознава- ния объектов, является контрастность его изображения по отношению к фону, то важной харак- теристикой объектива как элемента средства наблюдения является его частотно-контрастная характеристика. Она служит мерой способности объектива передавать контраст деталей объ- ектаи измеряется отношением контрастности деталей определенных размеров на изображении и на объекте. Уменьшение контраста мелких деталей на изображении вызвано тем, что в ре-зультате различных аберраций объектива на изображении размываются границы деталей на- блюдаемых 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 из- мерений контрастности n линий на проецируемом объективом изображении строится зависи- мость контраста К от количества линий n в одном мм. Зависимость K = f(n) определяет частот- но-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 мик- рофотографирования и т. д.
Для добывания информации применяются объективы трех видов: для аэрофотосъемки, широкого применения (фото, кино и видеосъемки с использованием бытовых и профессиональ- ных камер) и для скрытой съемки.
Объективы широкого применения разделяются в соответствии с размерами фотоаппара-
тов: для малоформатных и миниатюрных, среднеформатных и крупноформатных камер.
Для скрытого наблюдения используются:
⎯ телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300–4800 мм) дл фотографирования на большом удалении от объекта наблюдения, на|пример, из окна противоположного до- ма и далее
⎯ так называемые точечные объективы для фотографирования из портфеля, часов, зажи- галки, через щели и отверстия. Они имеют очень малые габариты и фокусное расстоя- ние, нобольшой угол поля зрения. Например, объектив фотоаппарата РК 420, вмонтиро- ванного в корпус наручных часов, имеет размеры 7.5 мм с апертурой 2.8 мм. В мини-
камерах фирм Hitachi, Sony, Philips. Ockar используются объективы диаметром 1–4
мм и длиной до 15 мм.
3.5.4 Характеристики визуально-оптических приборов
Для визуально-оптического наблюдения применяются оптические приборы, увеличи- вающие размеры изображения на сетчатке глаза. В результате этого повышается дальность на- блюдения, вероятность обнаружения и распознавания мелких объектов. К визуально- оптическим приборам относятся бинокли, монокуляры, подзорные трубы, специальные теле- скопы. Длянаблюдения за объектами наиболее распространены бинокли. Бинокль (от лат. birii
–пара и oculus – глаз) – оптический прибор из двух параллельных соединенных между собой зрительных труб. В зависимости от оптической схемы зрительной трубы бинокли разделяются на обыкновенные (галилеевские) и призменные.
Зрительная труба призменного бинокля состоит из объектива, обращенного в сторону объекта наблюдения, системы призм, оборачивающей изображение, и окуляра – объектива, об- ращенного к зрачку глаза. В обыкновенном бинокле призмы отсутствуют, оптические оси объ- ектива и окуляра трубы совпадают, расстояние между центрами объективов и центрами окуля- ров зрительных труб одинаково и равно 65 мм (среднее расстояние между зрачками глаз на- блюдателя). Бинокли этого типа просты по устройству, обладают высокой светосилой, однако имеют малое поле зрения и не позволяют устанавливать углоизмерительную сетку. Наиболее распространены призменные бинокли. Они обладают сравнительно большим полем зрения и повышенной стереоскопичностью за счет увеличения расстояния между центрами объективов труб. В призменных биноклях устанавливают углоизмерительную сетку в фокальной плоскости окуляра. Зрительные трубы у призменных биноклей шарнирно закреплены на общей оси, что позволяет подбирать расстояние между окулярами по базе глаз наблюдателя (от 54 до 74 мм).Объективы и призмы оборачивающей системы закреплены в зрительных трубах неподвижно, а окуляры могут выдвигаться для установки по силе зрения наблюдателя. Для этого на окуляр- ных трубах наносятся диоптрийные шкалы.
Современные бинокли имеют большие коэффициенты (кратности) увеличения. Напри- мер, увеличение бинокля Б–15 равно 15, а угол поля зрения ~ 4 град. Бинокль «Марк–1610» (США) имеет кратность увеличения 10 и 20 при угле зрения 5 и 2.5 град, соответственно.
При достаточно большом увеличении визуально-оптического прибора его угол зрения стано- вится столь малым, что трудно из-за дрожания рук Удерживать изображение наблюдаемого объекта в поле зрения прибора. Для стабилизации изображения визуально-оптические приборы устанавливают на штативе или треноге. В более дорогих приборах применяют электронную стабилизацию изображения, обеспечивающую наблюдение с рук или с движущегося транспор-
та. Например, бинокль со стабилизацией изображения БС 16x40 имеет кратность увеличения
16, размеры 240x195x100 мм и вес не более 2.2 кг.
Чтобы улучшить наблюдение при тумане, ярком солнечном освещении или зимой на фоне снега, на окуляры бинокля надеваются желто-зеленые светофильтры. В некоторых бинок- лях для обнаружения активных инфракрасных приборов ночью применяют специальный экран, чувствительный к инфракрасным лучам.
В последнее время применяются так называемые панкратические бинокли, плавно изме- няющиеся увеличение в значительных пределах (от 4 до 20 и более). При этом в обратно про- порциональной зависимости изменяется величина поля зрения. Такие бинокли наиболее удоб- ны для наблюдения: позволяют производить поиск объектов при большом поле зрения, но ма- лом увеличении, а изучение объекта – при большом увеличении. Например, панкратический бинокль фирмы Tasko (США) имеет увеличение 8–15, угол зрения 6.0–3.6 градусов и диаметр входного зрачка 5–2.3 мм. У панкратических зрительных труб увеличение может изменяться в еще больших пределах. Например, кратность увеличения зрительной трубы фирмы Swiff (Ве- ликобритания) составляет 6–30 при угле зрения 7.5–1.3 градусов.
Для скрытного наблюдения удаленных объектов применяют подзорные трубы и специ- альные телескопы, имеющие объективы с большим фокусным расстоянием. Например, теле- скоп РК 6500 при фокусном расстоянии 3900 мм и диаметре входной апертуры 350 мм позволя- ет опознать автомобиль на удалении до 10 км. Однако телескоп имеет сравнительно большие размеры 460x560x1120 мм, вес 54 кг и устанавливается на специальном штативе с электропри- водом [20].
На базе волоконно-оптических световодов созданы разнообразные типы технических эн- доскопов для наблюдения через малые отверстия диаметром 6–10 мм. Типовой технический эн- доскоп состоит: из окулярной части, через которую проводится наблюдение, рабочей части в виде волоконно-оптического кабеля длиной 600–1500 мм, дистальной части, содержащей объ- ектив и осветительного жгута для подсветки объекта наблюдения. Эндоскопы комплектуются сетевыми или аккумуляторными осветителями с источникам света – галогенными лампами мощностью 20–150 Вт. В эндоскопе обеспечивается возможность отклонения дистальной части на 180 градусов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Угол поля зрения объектива со- ставляет 40–60°, фокусировка объектива обеспечивает наблюдение как вблизи (от 1 мм и да- лее), так и «в бесконечности» (на расстоянии более 5 м).