автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование оптических систем с зеркально-линзовым панорамным компонентом

Введение.

Глава 1 Методы построения панорамного изображения.

1.1 Типы обзорно-панорамных оптико-электронных систем.

1.1.1 Системы с механическим сканированием.

1.1.2 Системы с составным угловым полем.

1.1.3 Системы с панорамной оптикой.

1.2 Типы панорамных систем в зависимости от вида поверхностей, формирующих панорамное изображение.

1.2.1 Линзовые системы.

1.2.2 Зеркальные системы.

1.2.3 Зеркально-линзовые системы.

1.3 Типы панорамных систем в зависимости от формы углового поля.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Методика синтеза панорамного компонента.

2.1 Конструкция панорамного компонента.

2.2 Уравнение синтеза панорамного компонента.

2.3 Исходные данные для синтеза панорамного компонента.

2.4 Синтез панорамного компонента.:.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Синтез и исследование панорамного компонента «Сакура».

3.1 Определение конструктивных параметров панорамного компонента.

3.2 Аберрационный анализ и оптимизация панорамного компонента.

3.3 Исследование зависимости характеристик компонента от конструктивных параметров.

3.3.1 Влияние показателя преломления на конструктивные параметры компонента.

3.3.2 Влияние толщины линз по краю на конструктивные параметры панорамного компонента.

3.3.3 Влияние максимального диаметра(Отах) и диаметра третьей поверхности (D' та>;)на конструктивные параметры панорамного компонента.

3.4 Конструкция макета панорамной насадки к фотообъективу фотоаппарата «Зенит».

3.5 Конструкция видеокамеры с обзорно-панорамным компонентом.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Перспективы использования оптических и оптико-электронных систем с панорамным компонентом.

4.1 Базовая конструкция обзорно-панорамной оптико-электронной системы.

4.2 Построение системы наблюдения.

4.3 Построение системы для исследования внутренних поверхностей полостей.

4.4 Углоизмерительные системы.

4.5 Системы ориентации.Ю

При решении ряда научных и практических задач возникает необходимость обзора пространства в полной сфере, полусфере или в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места). Такой обзор может производиться с различными целями -обнаружение объектов, целеуказание, сопровождение, мониторинг и другое.

Оптико-электронные системы, осуществляющие обзор пространства в пределах, близких к полусфере, будем называть обзорно-панорамными оптико-электронными системами.

Можно выделить три наиболее общих подхода к созданию таких систем. Во-первых, это системы, в которых непрерывный обзор пространства осуществляется за счет сканирования механическим приводом. Мгновенное угловое поле сканирующих панорамных оптико-электронных систем сравнительно мало и соответствует элементу разложения поля обзора (пикселю).

Другим подходом к построению обзорно-панорамных оптико-электронных систем является создание многоканальных устройств, в которых широкое угловое поле достигается состыковкой сравнительно узкопольных систем. 4

Такие системы будем называть обзорно-панорамными оптико-электронными системами с составным угловым полем.

Третий путь - создание обзорно-панорамной оптико-электронной системы на базе панорамной оптики. Эти системы будем называть обзорно-панорам н ы ми оптико-электронными системами с панорамной оптикой. Именно эти, обзорно-панорамные оптико-электронные системы являются предметом рассмотрения в диссертации.

Идея создания оптической системы, способной обозревать весь горизонт, была реализована в виде концентрического объектива Саттона в середине 19 века и кольцевой отражающей линзы Манжена в конце 19 века. За последние сто лет появилось около двух десятков систем, в том или ином виде решающих эту задачу. Эти устройства оказались технологически сложными, дорогими, имеющими серьезные ограничения в использовании, которое возникает из-за существенной дисторсии, характерной для таких систем. С другой стороны, появление многоэлементных приемников излучения с большим количеством элементов создало необходимые предпосылки для разработки оптико-электронных систем, способных создавать видеосигнал, соответствующий широкоугольному охвату пространства. Кроме того, развитие вычислительной техники позволило 5 преобразовывать искаженные дисторсией изображения в привычный для зрительного восприятия вид.

Актуальность темы диссертации определяется отсутствием разработок простых по конструкции обзорно-панорамных оптико-электронных систем с панорамной оптикой, позволяющих обозревать пространство предметов в широком угловом поле - в кольцевой зоне в угле 360° по азимуту и до 70°-80° по углу места.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и методов аппаратурной реализации на современной элементной базе обзорно-панорамных оптико-электронных систем с панорамной оптикой, решающих задачи формирования и анализа панорамного изображения пространства в области близкой к полусфере, включающей и отрицательные относительно горизонта углы.

Научная новизна. Предложен принцип построения панорамных оптических систем с зеркально-линзовым компонентом, действующий как объектив или как элемент объектива оптической системы. Разработана методика синтеза панорамного зеркально-линзового компонента, дан теоретический анализ его свойств в зависимости от конструктивных параметров. совпадением теоретических выводов, полученных по различным методикам расчета, с результатами проведенных экспериментов. С использованием разработанного панорамного компонента были изготовлены макеты принципиально новых приборов, создающих панорамное изображение пространства в широком угловом поле. Результаты испытания прибора подтвердили основные теоретические выводы, полученные в диссертации.

Практическая ценность работы состоит в доведении полученных исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, позволяющих непосредственно перейти к созданию опытного образца обзорно-панорамной оптико-электронной системы. Оптические и оптико-электронные системы с использованием разработанного панорамного зеркал ьно-л инзового компонента занимают свое место в иерархии панорамных систем и это место определено впервые. Показана целесообразность построения достаточно простых и эффективных панорамных систем, являющихся универсальным средством получения панорамного изображения в области близкой к полусфере и способных решать ряд важных измерительных задач.

Публикации. По результатам работы были опубликованы четыре научно-технические статьи. На метод построения 7 панорамного изображения и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Показана перспективность разработки панорамных оптических и оптико-электронных систем нового типа, в которых в составе оптической системы используется панорамный зеркально-линзовый компонент, схема и конструкция которого разработаны автором. Впервые разработана и опубликована методика синтеза панорамного зеркально-линзового компонента, который может использоваться и как самостоятельный объектив и входить в состав панорамной оптической системы. Предложена конструкция панорамного зеркально-линзового компонента с кольцевым угловым полем, в которой по сравнению с известными аналогами отсутствуют асферические поверхности, угловое поле расширено как в область отрицательных, так и в область положительных относительно горизонта углов.

4. Исследованы зависимости параметров панорамного зеркально-линзового компонента от конструктивных факторов. По результатам исследований даны инженерные рекомендации по разработке конструкции компонента, сформулированные в главе 2.

108

5. Разработаны и изготовлены макеты панорамных оптических систем, показавшие: практическую возможность построения обзорно-панорамных оптических и оптико-электронных систем с зеркально-линзовым компонентом, схемы которых разработаны автором; достоверность теоретических выводов, полученных в диссертации, и правильность предложенной методики расчета (синтеза) панорамного компонента; возможность развертки кольцевого изображения, даваемого панорамной оптической системой, в прямоугольную форму;

6. Определены перспективные направления развития и использования оптических и оптико-электронных систем с панорамным зеркально-линзовым компонентом.

7. Разработанные принципы построения панорамных оптических систем открывают новое направление в панорамной оптике и ставят множество научных и практических задач, выходящих за рамки диссертации и требующих отдельного рассмотрения.

109

Заключение

1. Bankston, Cheryl D., SEDS, Earth, atmosphere, and space imaging system (SEASIS). SPIE-Optical engineering, 06/1994.

2. Buchele et at. U.S. Patent Documents 359/725 2.638.033 05.1953

3. Fair, Sara В.; Gilbert, John A., Panoramic endoscopies. SPIE-Optical engineering. 08/1992

4. Galileiskiy V.P., Morozov A.M., Oshlakov V.K Color Temperature and Pseudoemission Properies of the Atmospheric Dust. SPIE Proc. vol. 2312, p.8, sep., 1994, Rome, Italy.

5. Galileiskiy V.P., Morozov A.M., Oshlakov V.K Panoramic photometry complex for cloud detection, p.4. European Symposium on Satellite Remote Sensing II, Paris, France, 1995

6. Gilbert, John A.; Matthys, Donald R.; Hendren, Christelle

7. M., Displacement analysis of the interior walls of a pipe using panoramic holointerferometry. SPIE-Optical engineering. 07/1991

8. Gilbert, John A.; Matthys, Donald R.; Lehner, David L.,

9. Moire measurements using a panoramic annular lens. SPIE-Optical engineering. 12/1991.

10. Gilbert, John A.; Matthys, Donald R.; Lindner, Christelle

11. M., Displacement analysis of the interior walls of a pipe using panoramic holointerferometry. SPIE-Optical engineering. 12/1991

12. Gilbert, John A.; Matthys, Donald R.; Lindner, Christelle

13. M., Endoscopes inspection and measurement. SPIE-Optical engineering. 01/1993

14. Greguss Pal et at. U.S. Patent Documents 359/725 4.566.763 01.1986110

15. Greguss, Pal; Kertesz, Attila; Kertesz, Viktor,

16. PALIMADAR: a P AL-optic-based imaging module for all-round data acquisition and recording. SPIE-Optical engineering. 01/1993.

17. Jan Powell et at. U.S. Patent Documents 359/725 5.473.474 05.1 995

18. K.Nakagava, "Estimation of the Sky View-factor from a Fish-eye Lens Image, Considering the Anisotropy of the Downward Longwave Radiation",J. Meteorological Society of Japan, December, 1988, 903-91 1.

19. Matthys, Donald R.; Gilbert, John A.; Greguss, Pal,

20. Endoscopic measurement using radial metrology with digital correlation. SPIE-Optical engineering. 10/1991

21. Matthys, Donald R.; Gilbert, John A.; Puiiparambil, Joseph Т., Endoscopes inspection using a panoramic annular lens. SPIE-Optical engineering. 12/1991

22. Matthys, Donald R.; Greguss, Pal; Gilbert, John A.; Lehner, David L.; Kransteuber, Amy S., Radial metrology with a panoramic annular lens, SPIE-Optical engineering. 01/1989

23. Mende S.B., R.H. Eather and E.K. Aamodt, "Instrument for monochromatic observation of all sky auroral images", Appl.Opt. 1 6, 1691-1 700 (1977).

24. Oznovich, R. Yee, A. Schiffer, D.J. McEwen, G.J. Sofko,

25. The all-sky camera revitalized", Appl.Opt.30, 7141-7150 (1994).

26. Rosendahl et at. U.S. Patent Documents 359/725 4.395.093 07.1983

27. Stedham, Mark A.; Banerjee, Partha P., Panoramicannular lens attitude determination system (PALADS). SPIE

28. Optical engineering. 06/1995.111

29. Адаптация в информационных оптических системах. М.: Радио и связь, 1984.

30. Каклицкий В. К., Бочкарев А. М. Методы дискретизации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации. М.: Радио и связь, 1986.

31. Васильенко Г. И., Цибулькин Jl. М. Голографические распознающие устройства. М.: Радио и связь, 1985.

32. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Якушенкова Ю. Г., М.: Машиностроение, 1987.

33. Галилейский В.П., Глинский А.Л., Морозов A.M.

34. Устройство для наблюдения небосвода". Авторское свидетельство №1458847. Заявка №4287946/24-10. Приоритет изобретения 21 июля 1987 г.

35. Галилейский В.П., Морозов А.М Панорамный фотометрический комплекс Оптика атмосферы и океана 1 993, том 6. N 9. стр. 113 1-1135

36. Геруберг М. Современная геометрическая оптика. М. :Изд. иностр. лит., 1962. 487с.

37. Глейхен А. Теория современных оптических инструментов. 1933.

38. Гончаренко Е.Н. Телескопическая система из двух конических отражающих повер'хностей. «ОМП» №1. 1972.

39. Гришин М. П., Курбанов Ш. М., Маркелов В. П.

40. Автоматический ввод и обработка фотографических изображений на ЭВМ. М.: Энергия, 1976.

41. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. / Пер. с англ., М.: Мир, 1988.

42. Заказное Н.И. Кирюшин С.И. Кузичев В.И. Теория оптических систем. М., «Машиностроение». 1 992 стр 268.112

43. Куртов А.В. Панорамный объектив «Сакура». Изв. вузов, "Приборостроение". 2000. №3 С. 129-140.

44. Мосягин Г. М., Немтинов В. Е., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990.

45. Ошлаков В.К. Галилейский В.П., Морозов A.M.

46. Ошлаков В.К. Определение наличия облачности на линии визирования по результатам фотометрирования. Оптика атмосферы, 1990. Т.З. №4. С. 431-435.

47. Порфирьев JI. Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980.3 8. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. -J1. Машиностроение, 1982

48. Русинов М.М. Композиция нецентрированных оптических систем. Монография. -СПб., ИТМО, 1995

49. Савиных В.П. В.А. Соломатин. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования. М., Недра. 1995.

50. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л., «Машиностроение», 1969

51. Соломатин В. А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками излучения. М.: Машиностроение, 1992.

52. Соломатин В. А., Куртов А. В. Многофункциональные оптико-электронные системы. «Труды международной конференции прикладная оптика 2000». СПб. 2000. стр 154155113

53. Соломатин В. А., Трусов А. И. Куртов А.В Новый метод пространственно-частотного анализа оптического изображения. Изв. вузов, "Приборостроение". 1998. Т. 41, № 6. С. 41—45.

54. Соломатин В. А., Трусов А. И., Щепилов С. А.

55. Двукратная модуляция в фазовых растровых преобразователях. Изв. вузов, "Геодезия и аэрофотосъемка", 1996, №4, с 121-127.

56. Трусов А. И., Шспилов С. А. К вопросу о построении электронного тракта при двукратной модуляции. Изв. вузов, "Геодезия и аэрофотосъемка", 1997, №1, с 86-89.

57. Ту Дж, Гонсалес Р. Принципы распознавания образов.

58. Фотоэлектрические преобразователи информации. / Под ред. Преснухина Л. И., М.: Машиностроение, 1974.

59. Шулыиан М. Я. Измерение передаточных функций оптических систем. JI.: Машиностроение, 1980.

60. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Сов. Радио, 1980.

61. Ярославский А. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии, введение в цифровую оптику. М.: Радио и связь, 1987.

62. Суханов А.Г. Панорамная астрофотография. М.:Наука. Гл. ред. физ-мат. лит-ры, 1985, 88с114