автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы и средства оптимизации оптических систем со стабилизацией изображения

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ _РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ__

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

pre од

На правах рукописи

О У (DEB

ГОРДЕЕВ Дмитрий Михайлович

УДК 681.7.013.8

методы и средства оптимизации оптических систем со стабилизацией изображения

Специальность 05.11.07 — Оптические и оптико-элекгронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Рабата выполнена в УНТЦ "Техническая оптика" Санкт-Петербургского института точной механики и оптики (техническом университете)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

A. В. ДЕМИН

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

B. А. ЗВЕРЕВ

- кандидат технических наук О. А. ВОЛКОВ

Ведущее предпршггие - ОАО "ЛОМО"

Защита диссертации состоится "" 1998 г. в /3 ч&кин. I

заседании специализированного совета Д.053.26.01 "Оптические и огтгик< электронные приборы" при Санкт-Петербургском Государственном институ] точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: (190001 Санкт-Петербург, Саблииская ул., д. 14).

Автореферат разослан "/¿_" 1991 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес института: 197101 Санкт-Петербург, Саблинская ул., д. 14, секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь Г\ \

специализированного совета Д.053.26..01 \ \ : |\

кандидат технических наук, доцент ц и |В. М. КРАСАВЦЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время круг задач, решаемых оптическими методами, то есть при помощи приборов и систем, для которых первичной информацией является оптическая, чрезвычайно широк. Это, в частности, задачи, связанные с оптическим мониторингом окружающей среды, сбором и обработкой оптической информации как специального, так и гражданского назначения, вопросами ориентации, навигации, управления носителями, вопросами искусства и многими другими.

Решение указанных задач является наиболее актуальным при работе оптической техники на подвижных и малоподвижных носителях, то есть при наличии внешнего возмущающего воздействия. К числу таких приборов относятся, удерживаемые при работе руками (бинокли, фотоаппараты, киносъемочные аппараты и другие). Качка и колебания оказывают вредное влияние на работу приборов, и зачастую исключают возможность пользования приборами, обладающими большим увеличением. В этой связи возникает проблема компенсации сдвига изображения или стабилизации изображения как по положению, так и по скорости.

Известны два принципиальных метода решения задачи стабилизации изображения. Первый метод - как метод силовой стабилизации, например, когда ротор гироскопа кинематически связан с подвижным оптическим элементом, либо с прибором в целом (наличие стабилизированного поста). Второй метод - это метод косвенной стабилизации, т. е. когда источником информации о параметрах внешнего возмущающего воздействия является информационно-измерительная система (гироскоп, гаротахометр и т. п.), а выходной сигнал преобразуется либо в сигнал управления подвижным оптическим элементом, либо в любой другой сигнал в зависимости от назначения системы. Решению данных вопросов посвящен ряд работ, выполненных Ривкиным С.С., Бабаевым А.А., Николаевым В Л., Еськовым Д.Н., и другими учеными.

Анализ вышеуказанных работ указал на существование проблемы в данной области. А именно, на повышение эффективности применения оптической техники со стабилизацией изображения не за счет усложнения оптических схем, а за счет оптимизации системы стабилизации изображения.

Таким образом, целью настоящей работы является: исследование возможностей и путей повышения эффективности применения визуальных оптических приборов со встроенной системой стабилизации изображения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1) Разработка методики математического моделирования оптических приборов с системой стабилизации изображения (ОП с ССИ).

2) Разработка метода расчета хода действительных лучей через ОП с ССИ в динамике.

3) Разработка метода расчета ОПФ для ОП с ССИ в динамике.

4) Разработка алгоритмов и программного обеспечения процесса оптимизации ОП с ССИ.

Методы исследования. Решение указанных задач базируется на следующих методах:

1) Анализ существующих методов описания ОП и расчета хода лучей.

2) Анализ существующих численных методов по расчету качества изображения ОП.

3) Использование основных соотношений геометрической оптики и матричной оптики.

4) Применение математического аппарата пространственной аналитической геометрии; сферической тригонометрии; теории матриц; интегрального исчисления; дифференциального исчисления; теоретической механики.

5) Применение численных методов дифференцирования, интегрирования, нелинейного программирования и оптимизации.

Научная новизна диссертации:

1. Предложено комбинированное описание хода действительных лучей в матрично-аналитическом виде через пространственные оптические системы, что позволило впервые:

- создать пространственную оптико-динамическую модель ОП с ССИ, отображающую ход лучей с точностью, принятой для расчета остаточных аберраций, в реальном масштабе времени;

- производить вычисление ОПФ в динамике при произвольной траектории смещения изображения;

2. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, позволяющие исследовать и оптимизировать конструктивные параметры ОП с ССИ.

3. Проведено экспериментальное и аналитическое исследование влияния ряда 'Конструктивных параметров элементов ССИ на качество. стабилизации изображения.

4. Проведено экспериментальное исследование бинокулярных ОП со встроенной ССИ: БССИ 12x64 и БССИ 16x64.

Основные результаты/выносимые на защиту:

1. Методы математического моделирования ОП с ССИ в динамике.

2. Методы расчета хода действительных лучей через ОП с ССИ в динамике.

3. Методы расчета ОПФ в динамике.

4. Программное обеспечение по расчету и оптимизации ОП с ССИ.

5. Проектирование и создание линейки биноклей БССИ. Практическая ценность работы:

- Разработана методика математического моделирования ОП с ССИ, позволяющая рассчитывать характеристики качества изображения в динамике.

- Созданы программно-аппаратные средства для комплексного исследования и оптимизации ОП с ССИ.

- Разработана линейка биноклей со встроенной системой стабилизации изображения увеличением (8х, 12х, 16х, 20х, 24х). Созданы макеты БССИ12х64 и БССИ16х64.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Республиканской научно-технической конференции "Конверсия, приборостроение, рынок" (г. Владимир июнь 1995г.), на Второй Российской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" (г. С.-Петербург ноябрь 1995г.), на международной Научно-практической конференции "Оптика, стекло, лазер - 95" (г. С.-Петербург 1995г.), на Первой Международной конференции "INSTRUMENTATION in ECOLOGY and HUMAN SAPETY" (г. Санкт-Петербург, 1996 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из tfQ наименований, содержит страниц текста, рисунков и таблиц.

содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности развития методов и средств оптимизации систем стабилизации изображения с целью повышения эффективности применения визуально-оптических приборов. Сформулированы задачи, решением которых достигается поставленная цель, а также основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту. Введено понятие оптико-динамической модели ОП с ССИ, под которой понимается математическая модель ОП, позволяющая рассчитывать ход действительных лучей через пространственную оптическую систему с подвижными оптическими элементами и оценивать качество изображения данной ОС при наличии внешних механических воздействий и работающей ССИ, т.е. в динамике.

Первая глава диссертации посвящена разработке методов математического описания ОП с ССИ и методов расчета ОПФ в динамике, приводится краткий анализ существующих методов математического описания оптических систем, а также известных численных методов расчета ОПФ. Анализ таких методов как векторный, матричный и аналитический показал, что только последний пригоден для расчета хода действительных лучей через пространственную оптическую систему, что является необходимым условием для расчета ОПФ оптической системы. В связи с этим, аналитический метод был положен в основу решения задачи построения математической модели ОП с ССИ.

Отмечено, что особенности математического описания ОП с ССИ, по сравнению с известными моделями ОП, определяются условиями

эксплуатации, т.е. наличием внешних механических воздействий с одной стороны, и ССИ, реализованной по силовой или косвенной схеме, включающей подвижные оптические элементы - с другой. Таким образом, можно сказать, что математические модели ОП с ССИ имеют две основные отличительные особенности: во-первых, ОП характеризуется переменными пространственно-временными параметрами, во-вторых, в состав ОП входят подвижные оптические элементы, пространственная ориентация которых также является переменной во времени величиной. Под оценкой качества изображения в динамике понимается оценка реального качества изображения в зависимости от АЧХ внешних механических возмущений при работающей системе стабилизации изображения.

Не умаляя общности рассуждений, ограничимся рассмотрением случая построения математических моделей визуально-оптических приборов с ССИ. Для этого прежде всего рассмотрим процесс ведения наблюдений при удерживании оптического прибора в руках оператора, находящегося на подвижном основании. Введем следующие ортогональные системы координат для определения положения ОП с ССИ в пространстве:

- неподвижную систему координат Охуг, связанную с пространством предметов (в дальнейшем ОСК - система координат объекта);

- подвижную систему координат Охул, связанную с носителем ОП (далее НСК- система координат носителя);

- подвижную систему координат ОаХ-аУ&а-, связанную с ОП (далее ПСК -приборная система координат);

- подвижную систему ■ координат ОоадА,, связанную с анализатором изображения (далее АСК - система координат анализатора изображения).

Заметим, что под носителем ОП в данном случае понимается не отдельное транспортное средство (ТС), на котором установлен ОП, а некоторая комплексная динамическая система, которая может включать в себя также и наблюдателя находящегося на ТС.

Для задания взаимного расположения принятых систем координат, учитывалось следующее. При визуально-оптических наблюдениях линейные и угловые перемещения подвижного основания вызывают колебания прибора относительно глаз оператора. Оптический прибор, удерживаемый в руках, в общем случае, имеет шесть степеней свободы, но учитывая тот факт, что линейные колебания ОП относительно глаз при амплитудах, меньших величины зрачка глаза, мало влияют на качество его работа, рассматривались только угловые перемещения ОП, наблюдателя и подвижного основания. Значительную роль в ухудшении качества изображения играют угловые перемещения ОП в направлениях, перпендикулярных оптической оси прибора. Повороты относительно оптической оси не оказывают заметного влияния на качество изображения, по крайне мере, в центре поля зрения. Рассматривались лишь небольшие угловые перемещения прибора, соответствующие режиму наблюдения за целью, значительные же перемещения прибора, которые соответствуют поиску цели, из анализа исключались.

С учетом вышеизложенного, было принято следующее взаимное расположение координатных осей:

1) Центры систем координат ОСК и ИСК совпадают, а начальное расположение центров ПСК и АСК определяются соответствующими матрицами смещения: Ц/ и Эа относительно ОСК. В случае моделирования монокулярного ОП, общий центр ОСК и НСК принимался совмещенным с центром входного зрачка глаза наблюдателя. Для бинокулярного ОП общий центр ОСК и НСК смещался вдоль оси Ох на величину, равную половине расстояния, определяющего базу глаз.

2) Центр ПСК совпадает с вершиной первой оптической поверхности, а направление оси совпадает с оптической осью прибора. Оси Ог„, Охс и О&а принимаются направленными в сторону распространения света.

3) Взаимная угловая ориентация принятых координатных систем, задается при помощи соответствующих матриц разворота К^ К„. Каждая из данных матриц вычисляется как матричное произведение составляющих ее ортогональных матриц разворота вокруг соответствующих осей координат, а в целом, в каждый момент времени определяется тремя углами последовательных поворотов: а(О, ДО» Л1)-

4) Принимался следующий порядок разворота НСК: угол тангажа Ос в плоскости 0ус2с, угол рыскания рс в плоскости Огх, угол крена ус в плоскости Ох,у. Положение системы координат, связанной с оптическим прибором, определялось двумя углами (ввиду того, что вращение вокруг оптической оси не учитывается): сц - угол тангажа и - угол рыскания (рис.1). Подобным же образом определяются углы разворота системы координат, связанной с анализатором изображения, относительно системы Охсу^с. Оа, ра' утлы разворота зрительного анализатора в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. Угловые скорости разворотов обозначались, соответственно: а.с, рс, ус,аа, Р^,сса, (За.

Величины углов последовательных поворотов координатных систем для каждого момента времени / определяются соответствующими функциями возмущающего воздействия. В процессе моделирования они могут быть представлены как линейные, гармонические или любые другие функции для которых выполняются условия непрерывности и гладкости на всем рассматриваемом временном промежутке. В этом случае вычисление смещения изображения за время его фиксации г = д/ (с] — величина, обратная уровню дискретности), можно производить с достаточно большой дискретностью. Каждый тип внешнего возмущающего воздействия характеризуется своим амплитудно-частотным спектром (АЧС) или функцией (АЧХ). Для дальнейшего анализа целесообразно, АЧХ возмущающего воздействия, привести к ОП, тогда исключается необходимость ввода НСК и соответствующих промежуточных матричных преобразований.

Процедура расчета хода действительных лучей через пространственные оптические системы с ССИ в динамическом режиме представлена в виде последовательного вычисления параметров лучей при прохождении через силовые и несиловые элемешы оптической системы.

Вводится следующее описание геометрического действительного луча в трехмерном пространстве: луч в произвольной точке пространства, может быть однозначно определен обобщенной матрицей А следующего вида:

А =

уГ

г 2

(1)

где х, у, г - координаты произвольной точки, принадлежащие прямой, вдоль которой распространяется луч, а X, Г, 2 - направляющие косинусы единичного орта направления луча. Преимуществом такого определения геометрического луча является не только его полная определенность в пространстве, но и удобство при обмене информацией о текущем состоянии луча между программными модулями, каждый го которых может- определять действие отдельного оптического элемента.

Для задания матрицы главного луча Ас(г,/), г-го пучка в каждый момент времени t, вводится дополнительная, локальная система координат, начало которой совпадает с центром входного зрачка прибора. Тогда эквивалентное преобразование матрицы главного луча АЙ1(г)=[0Д0| соответст-

вующей статическому состоянию прибора в системе координат (>¿($£<1, для каждого момента времени (, может быть произведено в соответствии со следующим матричным выражением:

ао(»,0=м01а<ь(')-пд (2)

где Вр - матрица смещения центра входного зрачка относительно ОСК, И^г) -матрица разворота ПСК относительно ОСК.

Далее, по формулам аналитической геометрии находится точка пересечения главного луча с плоскостью, О&аУл и вычисляются координаты пересечения неглавных лучей /-го пучка с данной плоскостью, которые образуют базовую лучевую сеть с учетом равного энергетического вклада каждого луча.

Дальнейшие вычисления хода действительных лучей через силовые оптические элементы, а также между несиловыми элементами, производятся в ПСК по формулам Федера, которые обеспечивают необходимую точность для определения характеристик качества изображения.

Расчет хода лучей через оптические призмы проводился аналитическим методом, подробно рассмотренным Слюсаревым Г.Г.

При моделировании процесса отражения лучей от подвижных зеркальных элементов, решались две задачи: нахождение точки пересечения луча с поверхностью зеркала и определение направления отраженного луча. Первая задача решалась средствами пространственной аналитической геометрии (для поверхностей 1-го и 2-го порядков). Вторая - методами матричной оптики.

Расположение и ориентация зеркала в ПСК определяется ортом нормали зеркальной поверхности N = (А/*, А^ Луг и координатами центральной точки Р

В произвольный момент времени значения направляющих косинусов, составляющих вектор N(0 вычисляются в соответствии со следующим выражением:

Лгх(г)=соз(¥>5±Ар(0У

^(0=008^ ±АК0)[, (3)

где <р„ щ, Ц, - углы, определяющие нулевое статическое состояние; Лу(0, АЩ) ~ углы изменения ориентации зеркала в динамическом состоянии.

Очевидно, что величины углов ДЛ КО' Аф) зависят как от величины амплитуды возмущающего воздействия в данный момент времени, так и от пространственного расположения зеркала. В связи с этим, введено понятие коэффициента К„ характеризующего взаимосвязь между пространствешю-временным положением орта нормали отражающей поверхности и внешним возмущающим воздействием, относительно схемотехнического решения ССИ:

(4)

аЛч

где сф) - амплитудное значение угла разворота прибора в момент времени / вокруг соответствующей оси координат ОСК.

В случае, когда система стабилизации изображения выполнена по схеме силовой стабилизации, необходимо обеспечить выполнение условия £,=1. Если

же ССИ реализована по косвенной схеме, то имеется возможность выбора К5 из условия минимизации потерь качества изображения и снижения энергозатрат.

Плоскость зеркала, проходящая через точку Р = (Рх, Ру, Р2)т и перпендикулярная вектору нормали N(/1^,/^,//^) , может быть представлена уравнением

первой степени:

ЛГДдг+ + = 0 (5)

где Иу, И; - направляющие косинусы вектора нормали N. Прямая

распространения луча, проходящая через точку Р = Ру, Р2\, в пространстве задастся системой параметрических уравнений:

х = х0 + Хр

У = Уо+Ур\, (6)

2 - ¿й + 2р

Общая точка плоскости Р и луча, если таковая существует, находится решением уравнения:

+ + + ИуУа +0 = 0 (7)

относительно параметра р и подстановкой его в систему параметрических уравнений (6), где О - -{Ы^ + Ыуу0 +ТУ2г0).

Направление отраженного луча находится из следующего матричного выражения:

А' = МА, (8)

где А и А' - орты падающего и отрешенного лучей, соответственно, М -матрица плоского зеркала.

В конце процедуры вычисления хода лучей через ОС, выполняется преобразование лучевой матрицы А(да,/), где тп - индекс луча в пучке, из ПСК в АСК по формуле:

Ав(и1,0 = Нв0ХАДи,0+ОД0). (9)

где затем вычисляются и формируются массивы значений поперечных аберраций.

В первой главе также рассматривается процесс вычисления ОПФ в динамике. Сформулированы требования, которым должны удовлетворять методы расчета характеристик качества изображения в динамике:

1) Инвариантность методов расчета к виду траектории смещения изображения, так как, в общем случае, траектория может быть произвольной;

2) Результаты расчетов должны адекватно отображать качество изображения.

Анализ известной литературы показал, что на сегодняшний день производится лишь приближенная оценка качества изображения в динамике. В этой связи, была разработана методика вычисления характеристик качества изображения, прежде всего таких как ОПФ в динамике, в зависимости от АЧС возмущающего воздействия, основанная на классических методах ее вычисления. Суть метода заключается в следующем.

В соответствии с приведенным выше описанием, вычисляется ход лучей через ОС в динамике за время фиксации изображения т для выбранной формы возмущающего воздействия. В ходе данной процедуры вычисляются и формируются массивы значений поперечных аберраций dg' и dG'. Массивы dg' и dG' имеют размерность (1хи), где величина п определяется из соотношения:

n=N,N,q-Na, (10)

где N,, N9 - число лучей вдоль радиуса и угла исходной лучевой сети соответствешш, Na - число лучей, не попавших в какой-либо световой размер.

Следует заметить, что при таком способе формирования массивов аберраций, последние фактически не отличаются от полученных для статического состояния ОП, хотя вычисления аберраций производятся по всему пятну рассеяния, сформированному за время фиксации изображения г. Такой подход позволяет для вычисления ОПФ в динамике применять тот же математический аппарат, что и для статического состояния ОП.

Во всех примерах приведенных далее, вычисления динамической ОПФ производились по методу элементарных площадок, предложенному Слюсаревым Г.Г.

Описанный выше метод формирования массивов поперечных аберраций, позволяет получить средневзвешенную по времени, ОПФ:

dfry)=]db/y,t)a, (И)

о

где d{jjУ,t) - ОПФ, характерная для ОП с определенными пространственно-временными параметрами.

Представленные выше методы математического моделирования ОП с ССИ в динамике, были реализованы в пакете прикладных программ, предназначенном для анализа и оптимизации оптических систем данного типа.

В конце первой главы рассмотрены основные принципы, а также приведены алгоритмы, графического отображения хода лучей через ОС и оптических элементов, в том числе подвижных, в динамике.

На основании вышеизложенного, во второй главе диссертационной работы представлена методика исследования и оптимизации оптического клинового компенсатора в динамике. Компенсатор составлен из сложных клиньев, представляющих собой склейки ахроматических пар стекол (ТФ4, СТК19), имеющих значительную клиновидность.

Начальная пространственная ориентация каждой плоской преломляющей поверхности клиньев задавалась тремя углами: ¡pife), yÁk), ¿¡(к), образованными нормалью N(&) данной поверхности с индексом к, и координатными осями Ojxj, Ojyd и Ofid, соответственно. Клинья поворачиваются вокруг оси OjZd в противоположных направлениях на одинаковый угол yjf), величина которого в динамическом режиме является некоторой функцией от переменной времени t. Каждый вектор нормали Щк,1) в текущий момент времени t вычислялся в соответствии с формулой:

где 1Ч0(&) - вектор нормали к-й поверхности, определяющий ее ориентацию в нулевой момент времени, а - матрица разворота клиньев вокруг оси л -номер сложного клина

В качестве задающего воздействия принимался линейный закон, т.е.

е = 0,...,7), (13)

где /«л, - амплитудное значение угла разворота клиньев относительно нулевого положения, ф - фазовый угол, определяющий начальное отклонение клиньев от нулевого положения (в данном примере равен нулю).

Указано, что вследствие большой клиновидности каждой из призм, отклоняемый системой луч не будет оставаться в начальной плоскости, боковое смещение луча не равно нулю и зависит ог величины углов поворота клиньев.

Вывод о необходимости привлечения аппарата оптимизации к решению задачи минимизации бокового увода луча был сделан на основании результатов тестирования исходной модели клинового компенсатора, в ходе которого анализировалась зависимость величин рабочего углового отклонения луча и соответствующего бокового увода от ряда конструктивных параметров ОС.

Исходя из предположения, что разрабатываемая конструкция должна обеспечить компенсацию угловых смещений ОП с максимальной амплитудой ±5° в одной плоскости, сформулирована задача оптимизации: минимизировать угловое и линейное боковое смещение осевого луча, при максимально возможной амплитуде рабочего угла, причем угловая амплитуда Р' должна быть не менее ±5° на всем диапазоне углов разворота клиньев.

Рассмотрены основные моменты и приведены соотношения, позволяющие вычислять функции ограничений типа неравенств при решении задачи оптимизации клиновых компенсаторов. Для решения данной оптимизационной задачи использовался метод "скользящего допуска", который позволяет улучшить значения целевой функции как за счет информации, получаемой в допустимых точках пространства решений, так и за счет информации, которую удается получить при прохождении через некоторые точки, лежащие вне допустимой области, но являющиеся близкими к допустимым. Для решения задачи безусловной минимизации используется метод "деформируемого многогранника", предложенный Нелдером и Мидом, как исключительно эффективный если функции ограничений являются активными. Разработана программа, реализующая метод "скользящего допуска", вошедшая в состав пакета прикладных программ по анализу и оптимизации ОП с ССИ.

Вектор параметров оптимизации х = [хь х„]г составили пять величин -значения приращений углов, определяющих ориентацию преломляющих граней клиньев, поделенные на соответствующие масштабы бх^...^, а также приращение осевого расстояния /3(4), (воздушный промежуток между парой клиньев).

В результате оптимизационного поиска удалось улучшить целевую функцию примерно в 22.5 раза и получить оптическую систему клинового компенсатора со следующими оптико-динамическими характеристиками:

Максимальная амплитуда углового отклонения луча в рабочем направлении

5°10'55"

Максимальная величина бокового увода

0°0'15"

Максимальное линейное боковое смещение

0.01 мм

Лвйде • - ■ : УвЪса(га1а*юл--

20-

15- УейсЫРАМ-

10-

• «>-В. ■ и 1 \ _

6-, -15--Ж- ' 'Л П

4(1 60 0

Нопгог*аЕиЯ#ндте ь НсгйНаГРт и ^ Л

)

V

л

и

« % »» з -е

• - •" .•:$•„-•- - " .......

Рис.2. Графическое отображение хода лучей через клиновой компенсатор в

динамике и траектория движения изображения до и после оптимизации. Второй клин вращается с удвоенной скоростью по отношению к 1-му.

Отличительной особенностью предложенного подхода является его инвариантность к виду траектории смещения изображения. Конструкция, полученная в результате оптимизации, позволяет получать развертки сканирования луча, близкие к их аналитическому описанию (с очень малой величиной потрешности при значительной клиновидности). Что и продемонстрировано на рис.2, где приведены ход лучей через ОС в динамике, а также траектории движения изображения до и после оптимизациошшго поиска, в ходе которого минимизировалась величина бокового увода луча.

В рамках второй главы также рассмотрены основные аспекты обработки результатов вычислений хода лучей через ОС в динамике. В частности отмечено, что ввиду специфики описания орта направления луча (через направляющие косинусы), для корректного вычисления угловых скоростей смещения изображения необходимо применять специальные приемы.

Третья глава диссертации посвящена созданию, анализу и оптимизации оптико-динамической модели устройства компенсации линейных смещений изображения, вызванных угловыми перемещениями ОП. Компенсатор реализован на базе подвижного зеркального элемента, расположенного за объективом в сходящемся ходе лучей.

Для реализации модели использовались конструктивные данные объектива бинокля БССИ1бх64 (/"' = 306.58, = 211.32, = -332.98, 2<&=4°, Б, = 93.5, Ввх-зр. = 64 мм). Предполагалось, что прибор совершает угловые колебания в вертикальной плоскости относительно некоторого центра тяжести, расположенного на удалении 200 мм от начала ПСК вдоль оси 0<&а- В ходе анализа, методами оптимизации находилась плоскость наилучшей установки, где в качестве критерия качества изображения принимался квадрат модуля ОПФ, а целевая функция вычислялась в соответствии со следующим выражением:

¿=1 ,=1 у=1

(14)

где р.\, у'к - некоторый набор пространственных частот в рабочем интервале, у - индекс выбранной точки предмета, - модуль ОПФ,

¿Т(_/, 1л[Ук) - соответствующий весовой коэффициент, Т{},ц'кУк) - заданное значение модуля ОПФ для к-ой пространственной частоты.

На следующем этапе при помощи методов оптимизации, была определена зависимость оптимальных значений коэффициента Кх (4) от удаления ценпра качания зеркала относительно последней оптической поверхности объектива для амплитудного диапазона возмущающего воздействия 1+4° (рис. 3). При этом было отмечено, что при постоянном удалении центра качки зеркала, оптимальные значения К, могут варьироваться в пределах от 0.5 до 2 % в зависимости от угла качки прибора (обозначим данную вариацию как МГ,), при этом если не вводить соответствующую корректирующую поправку на

компенсационный разворот зеркала, предельные потери качества изображения могут составить от 10 до 40 % (наиболее типичный пример данного случая может иметь место в силовой схеме ССИ, где помимо увода гироскопа присутствует указанный эффект). При сокращении расстояния между центром качки зеркала и плоскостью изображения, наряду с ростом величины К„ также имеет место увеличение вариации АК„ а следовательно, растет и величина дестабилизации изображения при условии, что управление зеркалом реализуется по линейному закону. Вследствие этого, был сделан вывод о нецелесообразности смещения центра качки зеркала ближе к плоскости изображения.

Коэффициент Кз

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Расстояние от объектива, им

Рис.3. График изменения значений коэффициента & в зависимости от расположили зеркала за последней оптической поверхностью объектива

На рисунке 4 приводятся зависимости момента инерции зеркала (значения рассчитаны в CAD системе Pio/ENGINEHR) и мощностных затрат на его разворот при амплнпгуде качки 2е с частотой 2 Гп от удаления центра качания зеркального элемента. Причем, вид зависимости затрачиваемой мощности на разворот зеркала сохраняется для любых других точек АЧХ возмущающего воздействия.

Проведен анализ влияния месторасположения центра качки зеркала на динамическую ЧКХ оптической системы. Влияние точности подбора коэффициента К, рассмотрено на примере изменения функции распределения энергии в пятне рассеяния и динамической ЧКХ.

В результате проведенных исследований возможностей оптимизации данной конструкции стабилизатора были сделаны следующие выводы:

1) преимущественное влияние на качество изображения оказывают такие факторы как кривизна поля оптической системы и радиус траектории движения изображения (для внеосевых пучков лучей);

2) в режиме стабилизации происходит снижение качества изображения по отношению к статике, в обоих направлениях как в продольном, так и перпендикулярном "рабочему" смещению изображения;

3) оптимальный подбор коэффициента стабилизации К, позволяет существенно расширить допуск на положение центра качки зеркального компенсатора

относительно плоскости изображения в пределах которого характеристики качества изображения остаются практически неизменными;

4) необходимая точность подбора К! должна быть не менее 0.1%, по крайней мере для наиболее характерного участка амплитудно-частотного спектра внешнего возмущающего воздействия в том случае, если в ССИ реализована линейная система управления;

5) с целью минимизации ухудшения качества изображения внеосевых объектов целесообразно расположить центр качки зеркального компенсатора как можно дальше от плоскости изображения.

Рис. 4. Графики изменения момента инерции зеркала и мощностных затрат на его разворот, в зависимости от расположения зеркала относительно последней поверхности объектива.

С учетом вышесказанного было сделано заключение, что в целях снижения энергозатрат и минимизации потерь качества изображения в оптической системе с данными конструктивными параметрами центр качки зеркального компенсатора рекомендуется располагать на максимально возможном удалении от плоскости изображения. При этом следует отметить, что такое расположение зеркального компенсатора позволит существенно упростить конструкцию последнего.

В четвертой главе диссертационной работы представлена методика по созданию и исследованию оптико-динамической модели бинокулярного ОП со встроенной ССИ.

Предложен экспресс-метод для оценки величины остаточной дестабилизации по амплитудно-частотной характеристики выходящих лучей (АЧХЛ) и частотно-скоростной характеристики выходящих лучей (ЧСХЛ). Рассмотрен пример такой оценки для всего АЧС возмущающего воздействия на оптико-динамическую модель бинокля БССИ12х64, моделирующего тремор рук наблюдателя. Найдены оптимальные значения коэффициентов К^ и К^ -для первого и второго зеркальных компенсаторов, обеспечивающих стабилизацию изображения по направлению в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соответственно.

Предложена методика оптимизационного поиска плоскости наилучшей установки в динамике по критерию качества изображения (14). Вычислены динамические ЧКХ бинокля БССИ12х64 для ряда характерных точек ЛЧХ возмущающего воздействия тремора рук наблюдателя (рис.5).

Отмечено, что динамическая ЧКХ системы определяется совокупным влиянием аберраций осевого и внеосевых пучков. Ввиду того, что в режиме стабилизации изображения встроенная ССИ восстанавливает исходное направление пучков лучей с некоторой поправкой (рабочим является центр поля окуляра), с точки зрения улучшения динамической ЧКХ особенно критична степень исправленности остаточных аберраций внеосевых пучков лучей объектива. Приведены примеры графического отображения хода лучей через БССИ12х64 и оптических элементов в динамике. Приведен пример построения изображения двух точечных объектов в различных точках АЧХ возмущающего воздействия, позволяющий производить оценку динамической разрешающей способности ОП с ССИ (рис.6).

На основашга проведенных исследований и оптимизации была разработана линейка биноклей БССИ с увеличением 8х, 12х, 16х, 20х, 24х. Проведено экспериментальное исследование бинокулярных ОП со встроенной ССИ: БССИ12х64 и БССИ16х64 (рис.7) результаты которого подтвердили правильность выбранной методики расчетов и полную корректность разработанной оптико-динамической модели ОП со встроенной ССИ.

Mff {dynamic), aperture angleO degrees

ис.5. ЧКХ в динамике для точки на оси в различных точках АЧХ возмущающего воздействия (пространственные частоты определяются как число направлений на угловой градус):

1 - статическое состояние (для сравнения); 2 - частота 1 Гц, амплитуда 1.5°; 3 - частота 5 Гц, амплитуда 0.5°; 4 - частота 10 Гц, амплитуда 0.25°; 5 - частота 15 Гц, амплитуда 0.14°; 6 - частота 20 Гц, амплитуда 0.1°.

ЕОР. и*.{оШ кг> вГцк<'2.4 я»|.П*

. ТЬ« «и» *мЬ4а«и£йВ.«1|.й*г

¡У^ЕНга.»» о{ ¿п* :6:0В «гуру

Рис.6. Пример построения изображения двух точечных объектов, расположенных на расстоянии 2" друг ох друга, в динамике и соответствующих функций распределение энергии дли оценки разрешающей силы при амплитуде качки б'.

Рис.7. Макет бинокля со встроенной системой стабилизации изображения БССИ16хб4. Обеспечивает устойчивое наблюдение при качке до ±4° в частотном диапазоне 0.1-^25 Гц.

В заключении сформулированы основные результата работы.

1. Разработанные методики построения оптико-динамических моделей ОП с ССИ позволяют производить расчет хода действительных лучей через оптические системы с переменными пространственно-временными характеристиками, имеющие сложную пространственную структуру и включающие в свой состав подвижные оптические элементы.

2. Предложенная методика вычисления ОПФ в динамике дает возможность производить реальную оценку качества изображения ОП с ССИ и использовать динамическую ОПФ в качестве критерия оптимизации.

3. Разработанное программное обеспечение по расчету и оптимизации ОП с ССИ позволяет наиболее полно анализировать метрологические параметры ОС и ССИ еще на этапе проектирования (в ряде случаев исключается необходимость макетирования ОП), а также производить оптимизацию конструктивных параметров ОП по ряду оптико-динамических критериев (в

том числе по величине остаточно дестабилизации изображения, по линейным и угловым скоростям смещения изображения, по динамической ОПФ и т. п.).

4. На основании разработанных оптико-динамических моделей были произведены расчет и оптимизация линейки бинокле со встроенной ССИ, базирующейся на едином гирооптическом модуле. Созданы и исследованы макетные образцы биноклей БССИ12х64 и БССИ 16x64, компенсирующие угловые колебания с амплитудой до ±4° в частотном диапазоне 0.1 -г25 Гц.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбасв A.A. Стабилизация изображения в телескопических приборах // Тезисы доклада к конференции "Конверсия, приборостроение, рынок", г. Владимир. Июнь 1995г.

2. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A. Бинокли со стабилизацией изображения // Тезисы доклада к Второй Российской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии", г. С.-Петербург. 14-17 ноября 1995г. Стр. 69-70.

3. Гордеев Д.М., Борисов В.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A., Утенков Б.И. Линейка биноклей со встроенной системой стабилизации изображения И Тезисы доклада на международной Научно-практической конференции "Оптика, стекло, лазер - 95". г. С.-Петербург. 2-5 ноября 1995г. Стр.71-72.

4. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A. Критерий оценки качества изображения в оптических приборах с системой стабилизации изображения // Тезисы доклада к международной Научно-практической конференции "Оптика, стекло, лазер - 95". г. С.-Петербург. 2-5 ноября 1995г. Стр.73-74.

5. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A. The binoculars with built-in image stabilization system // Тезисы доклада к Первой Международной конференции "INSTRUMENTATION in ECOLOGY and HUMAN SAFETY", r. Санкт-Петербург. 30 октября - 2 ноября 1996г. Стр.86.

6. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A., Женовка С.Г. Комплексированные оптические приборы // Приборостроение. Специальный выпуск. 1997.

7. Гордеев Д.М., Демин A.B., Джаманбаев A.A., Женовка С.Г., Иванова Л.И., Карасева И.А., Сергушечев А.Н., Утенков Б.И., Хитрик A.C. Линейка биноклей со встроенной системой стабилизации изображения // Сборник трудов СПбГИТМО (ТУ). 1997г. Л /-/Г

8. Гордеев Д.М., Демин A.B. Оптимизация конструкции подвижного зеркала на торсионном подвесе // Сборпик трудов СПбГИТМО (ТУ). 1997г. (публикация-« -печати). ¿7. ^

9. Гордеев Д.М., Демин A.B. Оценка качества изображения в динамике // Сборник трудов СПбГИТМО (ТУ). 1997г. (?. 3 £ -

Подписано к печати 16.12.1997г. Объем 1,1 пл.

Заказ №_Тираж 100 экз._Бесшгаттю_

Ротапринт. СПбГИТМО. 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14