3.5.1. Общие характеристики
Характеристики средств наблюдения определяются прежде всего параметрами оптической системы и светоэлектрического преобразователя. Они также зависят от способов обработки электрических сигналов и формирования изображения при индикации. К основным характеристикам относятся:
- диапазон длин волн световых лучей, воспринимаемых светоэлектрическим преобразователем;
- чувствительность материала экрана светоэлектрического преобразователя;
- разрешающая способность (в основном пары «оптическая система – преобразователь света»);
- поле (угол) зрения и поле (угол) изображения.
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 наблюдения. Качество изображения зависит как от яркости и контрастности проецируемого изображения, так и от помех. Помехи создают лучи света, попадающие на вход от посторонних источников, а также шумы светоэлектрического преобразователя. При внешней засветке на экране светоэлектрического преобразователя наблюдается ухудшение контраста, аналогичное эффекту прямого попадания яркого солнечного света на экран телевизионного приёмника.
Разрешающая способность характеризуется минимальными линейными или угловыми размерами между двумя соседними точками изображения, которые наблюдаются как раздельные. Поскольку изображение формируется из точек, размеры которых определяются разрешающей способностью средства наблюдения, вероятность обнаружения и распознавания объекта возрастает с повышением разрешающей способности (увеличением количества точек изображения объекта).
Поле зрения — это область предметного пространства, проецируемая на экран оптического приёмника. Угол, под которым средство «видит» предметное пространство, называется углом поля зрения. Часть поля зрения, удовлетворяющая требованиям к качеству изображения по резкости, называется полем (или углом) поля изображения.
3.5.2. Характеристики человеческого глаза
Наиболее совершенным средством наблюдения в видимом диапазоне является зрительная система человека, включающая глаза и области мозга, осуществляющие обработку сигналов, поступающих с сетчатки.
Возможности зрения человека характеризуются следующими показателями:
- глаз воспринимает световые лучи в диапазоне 0,4–0,76 мкм; максимум спектральной чувствительности днём приходится на голубой цвет (0,51 мкм), в темноте — на зелёный (0,55 мкм);
- порог угловых размеров, различаемых как две раздельные точки, составляет: днём — 0,5–1 угл. мин., ночью — около 30 угл. мин.;
- порог контрастности различимого объекта по отношению к фону составляет: днём — 0,01–0,03, ночью — около 0,6;
- диапазон освещённости объектов наблюдения, к которому адаптируется глаз, чрезвычайно широк — 60–70 дБ;
- при освещённости менее 0,1 лк (в безоблачную лунную ночь) глаз перестаёт различать цвет.
Уникальные возможности человеческого зрения достигаются благодаря совершенству оптической системы глаза — хрусталика, выполняющего функции объектива. Его кривизна изменяется с помощью глазных мышц так, чтобы обеспечить на сетчатке максимально чёткое изображение объектов, расположенных на разных расстояниях. Несмотря на исследования по созданию подобных искусственных объективов, приблизиться к возможностям хрусталика пока не удаётся.
3.5.3. Характеристики объективов
Объективы в силу постоянства кривизны поверхностей линз и оптической плотности стекла формируют изображение с различного рода погрешностями. Наиболее заметны:
- сферическая аберрация — отсутствие резкости изображения по всему полю зрения (резкость выражена в центре или по краям);
- астигматизм — отсутствие одновременной резкости на краях поля изображения для вертикальных и горизонтальных линий;
- дисторсия — искривление прямых линий;
- хроматическая аберрация — появление цветных окантовок на границах световых переходов из-за различной преломляющей способности линз для спектральных составляющих света.
Для уменьшения погрешностей объективы выполняются из большого (до 10 и более) числа линз с разной кривизной поверхностей; все или отдельные группы линз могут склеиваться между собой.
Качество объективов описывается совокупностью параметров. Для оценки возможностей средств наблюдения основными являются: фокусное расстояние, угол поля зрения и изображения, светосила, разрешение, частотно-контрастная характеристика.
По величине фокусного расстояния объективы делятся на: короткофокусные (f меньше диагонали кадра d), нормальные/среднефокусные (f = d), длиннофокусные и телеобъективы (f > d), а также объективы с переменным фокусным расстоянием.
Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкратический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрено смещение оптических компонентов, за счёт чего изменяется фокусное расстояние. Оно может изменяться дискретно или плавно.
Дискретное изменение фокусного расстояния достигается применением афокальных насадок, уменьшающих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное изменение осуществляется перемещением отдельных компонентов вдоль оптической оси по линейному или нелинейному закону. В зависимости от способа коррекции аберраций такие объективы подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы.
Вариообъективы — это единая оптическая схема, в которой фокусное расстояние изменяется непрерывным перемещением одного или нескольких компонентов. Трансфокаторы состоят из афокальной насадки с плавным увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием.
Сложность конструкции объективов с переменным фокусным расстоянием связана с необходимостью автоматического сохранения положения плоскости резкого изображения при изменении фокусного расстояния. Это достигается оптической компенсацией (при линейном перемещении компонентов) или механической (при нелинейном). В первом случае кратность изменения фокусного расстояния обычно не превышает 3, во втором — 6–7.
По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы (до 30°), среднеугольные (30°–60°), широкоугольные (более 60°), а также объективы с переменным углом поля изображения (у объективов с переменным фокусным расстоянием).
Чем больше фокусное расстояние f, тем больше деталей объекта можно рассмотреть на изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для обнаружения объекта используют короткофокусные объективы, а для распознавания — длиннофокусные. Размеры объекта на изображении h определяются соотношением: h = fH / L, где H — размер реального объекта, L — расстояние до объекта, f — фокусное расстояние объектива.
Светосила характеризует способность объектива создавать освещённость в поле изображения в соответствии с яркостью объекта. На светосилу влияют:
- относительное отверстие объектива;
- прозрачность линз (коэффициенты пропускания, поглощения, отражения);
- коэффициент увеличения (масштаб изображения);
- падение освещённости к краю поля изображения.
Светосила без учёта потерь в линзах оценивается геометрическим относительным отверстием 1:k = 1:(f/D) или фокальным числом F = f/D, где D — диаметр входного отверстия (апертура). Эффективное относительное отверстие меньше геометрического на величину потерь света в линзах. По относительному отверстию объективы делятся на сверхсветосильные (1:k = 1:2 и менее), светосильные (1:k = 1:2,8–1:4) и малосветосильные (1:k = 1:5,6 и более). Чем выше светосила, тем выше чувствительность средства наблюдения, но тем сильнее искажения и тем сложнее (и дороже) конструкция объектива.
При прохождении через линзу свет частично отражается и поглощается. Поглощение зависит от толщины стекла (в среднем 1–2% на 1 см). Отражение от поверхности линз составляет около 4–6%. Чем больше отражающих поверхностей, тем выше потери: в объективах из 5–7 линз они могут достигать 40–50%. Снижение потерь достигают просветлением линз.
Просветление — это уменьшение отражения света от поверхности стекла путём нанесения тонкой плёнки с меньшим коэффициентом преломления. Толщина плёнки выбирается порядка 1/4 длины волны света, что приводит к компенсации отражённых лучей по фазе и снижению отражения. Современные технологии позволяют наносить многослойные покрытия (12–14 слоёв), перекрывая весь видимый диапазон. Такие объективы маркируют индексом МС (многослойное покрытие).
Разрешающая способность объектива выражается максимальным числом штрихов и промежутков между ними на 1 мм поля изображения (в центре и по краям). Наиболее высокие значения характерны для объективов микрофотографии в микроэлектронике и достигают сотен линий на мм.
Важной характеристикой является частотно-контрастная характеристика — мера способности объектива передавать контраст деталей разных размеров. Она определяется отношением контрастности деталей на изображении и на объекте. Снижение контраста мелких деталей обусловлено размыванием границ из-за аберраций.
Для оценки частотно-контрастной характеристики используют тест-объект (мира) в виде чёрно-белых линий с уменьшающейся шириной. По результатам измерений строят зависимость контраста K от числа линий n на 1 мм: K = f(n). Эта зависимость и является частотно-контрастной характеристикой объектива.
Из-за сложности создания универсальных объективов оптическая промышленность выпускает широкий набор специализированных объективов: для фото- и киносъёмки, портретные, проекционные, для микрофотографии и др.
Для добывания информации применяются объективы трёх типов: для аэрофотосъёмки, широкого применения (фото, кино и видео — бытовые и профессиональные камеры) и для скрытой съёмки.
Для скрытого наблюдения используются:
- телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300–4800 мм) для съёмки на значительном удалении (например, из окна противоположного дома и далее);
- точечные объективы для съёмки из портфеля, часов, зажигалки, через щели и отверстия. Они имеют малые габариты и фокусное расстояние, но большой угол поля зрения. Например, объектив фотоаппарата РК-420, встроенного в наручные часы, имеет размеры около 7,5 мм с апертурой 2,8 мм. В мини-камерах ряда фирм применяются объективы диаметром 1–4 мм и длиной до 15 мм.
3.5.4. Характеристики визуально-оптических приборов
Для визуально-оптического наблюдения применяются оптические приборы, увеличивающие размеры изображения на сетчатке глаза. Это повышает дальность наблюдения, а также вероятность обнаружения и распознавания мелких объектов. К таким приборам относятся бинокли, монокуляры, подзорные трубы, специальные телескопы.
Бинокль — оптический прибор из двух параллельных зрительных труб. По оптической схеме бинокли делятся на обыкновенные (галилеевские) и призменные.
Зрительная труба призменного бинокля состоит из объектива, системы призм (оборачивающей изображение) и окуляра. В галилеевском бинокле призмы отсутствуют, оптические оси объектива и окуляра совпадают, а расстояние между центрами объективов и окуляров примерно равно 65 мм (среднее межзрачковое расстояние). Такие бинокли просты и обладают высокой светосилой, однако имеют малое поле зрения и не позволяют устанавливать углоизмерительную сетку.
Наиболее распространены призменные бинокли: они обеспечивают большее поле зрения и повышенную стереоскопичность за счёт увеличения базы (расстояния между объективами). В них часто устанавливают углоизмерительную сетку в фокальной плоскости окуляра. Зрительные трубы призменных биноклей обычно шарнирно закреплены на общей оси, что позволяет подбирать межокулярное расстояние под наблюдателя (ориентировочно 54–74 мм). Окуляры могут выдвигаться для настройки по зрению; для этого используются диоптрийные шкалы.
Современные бинокли могут иметь большую кратность увеличения. Например, бинокль Б-15 имеет увеличение 15 и угол поля зрения около 4°. Бинокль «Марк-1610» (США) имеет кратность 10 и 20 при угле зрения 5° и 2,5° соответственно.
При больших увеличениях угол зрения становится малым, и из-за дрожания рук трудно удерживать объект в поле зрения. Для стабилизации приборы устанавливают на штативе или треноге. В более дорогих моделях применяют электронную стабилизацию, позволяющую вести наблюдение «с рук» или с движущегося транспорта. Например, бинокль со стабилизацией изображения БС 16×40 имеет кратность 16, размеры 240×195×100 мм и массу не более 2,2 кг.
Для улучшения наблюдения при тумане, ярком солнечном освещении или зимой на фоне снега на окуляры надевают жёлто-зелёные светофильтры. В некоторых биноклях для обнаружения активных инфракрасных приборов ночью применяют специальный экран, чувствительный к ИК-излучению.
В последнее время используются панкратические бинокли с плавно изменяемым увеличением в широких пределах (от 4 до 20 и более). При этом в обратной пропорции изменяется поле зрения. Это удобно: поиск выполняют при большом поле зрения и малом увеличении, а изучение объекта — при большом увеличении. Например, панкратический бинокль фирмы Tasko (США) имеет увеличение 8–15, угол зрения 6,0–3,6° и диаметр входного зрачка 5–2,3 мм. У панкратических зрительных труб увеличение может изменяться ещё шире: например, труба фирмы Swiff (Великобритания) — 6–30 при угле зрения 7,5–1,3°.
Для скрытного наблюдения удалённых объектов применяют подзорные трубы и специальные телескопы с большими фокусными расстояниями. Например, телескоп РК-6500 при фокусном расстоянии 3900 мм и апертуре 350 мм позволяет опознать автомобиль на удалении до 10 км, однако имеет крупные размеры, значительную массу и устанавливается на штатив с электроприводом.
На базе волоконно-оптических световодов созданы технические эндоскопы для наблюдения через малые отверстия (примерно 6–10 мм). Типовой эндоскоп включает окулярную часть, рабочую часть в виде волоконно-оптического кабеля (ориентировочно 600–1500 мм), дистальную часть с объективом, а также осветительный жгут для подсветки объекта. Эндоскопы комплектуются сетевыми или аккумуляторными осветителями с галогенными лампами мощностью 20–150 Вт. Часто обеспечивается отклонение дистальной части до 180° в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Угол поля зрения объектива составляет 40–60°, а фокусировка обеспечивает наблюдение как на малых дистанциях (от 1 мм), так и на больших расстояниях (условно «на бесконечности», более 5 м).
