автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Волоконно-оптические системы наблюдения со спектральной обработкой передаваемого изображения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ В Г (: ЛП (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Г

■О

На правах рукописи

Пуйша Александр Эдуардович

УДК535.863:666.189.2

ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ СО СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПЕРЕДАВАЕМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Специальность 05.11.07 " Оптические и оптико-электронные приборы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Санкт - Петербург 2000 г.

Работа выполнена в ГУЛ ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова»

Научный руководитель

доктор технических наук

Михеев П. А.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, Латьгев С.М.

профессор

кандидат технических наук

Гоголев Ю. А.

Ведущая организация

ОАО «ЛОМО»

Защита состоится 28 декабря 2000г. в 15 час.20мин. на заседании диссертационного совета Д053.26.01 Санкт - Петербургского Государственного института точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: 197101,Санкт-Петербург,ул.Саблинская 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова "

О О у V

Автореферат разослан " ¿с " / / 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета №Д053.26.01

к.т.н., доцент Красавцев В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В последние годы все большее значение приобретает новый раздел оптики -волоконная оптика. Это связано с широким применением её элементов в оптико-механическом, электронно-оптическом, медицинском, измерительном и других направлениях приборостроения.

Вопросами изучения оптических свойств отдельных единичных световодов и их пучков, в частности, исследования закономерности распространения излучения через пучок световодов ( эффект трех колец ), светопропускания, номинальной числовой апертуры, светораспределения выходящего излучения, оценка технологических и структурных аберраций в зависимости от диаметра единичных жил и конструкции исходных световодов, занимались на стадии отработки оптимальных режимов изготовления волоконных элементов такие ученые как В.Б.Вейнберг, Д.К.Сатгаров, Г.ЯКанаева, Л.С.Трофимова, В.Х.Ягмуров, П.А.Михеев и др.

Однако, как показала практика первых разработок, качество изображения в макетных вариантах волоконно-оптических систем наблюдения (ВОСН) на основе гибких регулярных жгутов волокон (ГРЖВ) оставалось еще неудовлетворительным. От разработчиков элементной базы волоконной оптики требовалось существенно, в 1,5-2 раза, повысить качество ГРЖВ, избавившись при этом от локальной микронерегулярности укладки единичных волокон, снизить число обломов и уровень неравномерности светопропускания по отдельным группам волокон, повысить чистоту поля зрения (ЧТО) волоконных элементов. Понятно, что достижения здесь были возможны только на базе разработки новых идей следующего, более высокого технологического уровня.

Именно поэтому актуальнейшей задачей перед разработчиками приборов наблюдения на основе волоконной оптики является задача по изысканию оптических, практически реализуемых способов повышения качества изображения, передаваемого волоконно-оптическими элементами (ВОЭ). В первую очередь это касается устранения мозаичности структуры ВОЭ - главного недостатка, по которому ВОСН уступает классическим оптическим системам и который не устраняется технологическими приемами.

Цель работы

Целью диссертационной работы является теоретические и экспериментальные исследования закономерностей передачи изображения волоконно-оптическими системами наблюдения со спектральной обработкой передаваемого изображения, а также в практической разработке оптических систем наблюдения и визирования на основе элементов волоконной оптики с улучшенными оптическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести исследования спектрального метода повышения качества изображения, передаваемого волоконными элементами, позволяющего построение волоконных систем бесструктурного типа.

2. Провести расчетный анализ и подтвердить на практике возможности построения волоконных систем спектрального типа с увеличением Г > I

3. Исследовать точностные характеристики волоконных систем спектрального типа в устройствах передачи угловых координат.

4. Исследовать влияние стыковки волоконных элементов типа «жгут + жгут» на разрешающую способность систем спектрального типа.

5. Разработать и исследовать новые оптические способы повышения качества изображения, передаваемого волоконными элементами.

6. Разработать и исследовать новые элементы волоконной оптики, в том числе, и для систем спектрального типа.

7. Создать и испытать экспериментальные образцы конкретных волоконных систем наблюдения и визирования спектрального типа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые, на основании экспериментальных и теоретических исследований изучены основные закономерности построения волоконных оптических систем наблюдения (ВОСН) с бесструктурным изображением за счет использования спектрального метода обработки передаваемого изображения. Показано, что при засвечивании спектром более 30 единичных световодов разрешающая способность ВОСН повышается более чем в 2,5 - 3 раза, а предельный контраст наблюдаемых объектов уменьшается с 0,3 до

0,05 - 0,07. Впервые показана принципиальная возможность построения ВОСН спектрального типа не единичного увеличения.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования по точности передачи угловых координат ВОСН спектрального типа. Показано, что спектральный метод обработки передаваемого изображения позволяет в 2- 2,5 раза уменьшить ошибку в передаче визирной марки.

3. Впервые получены аналитические зависимости для разрешающей способности протяженных систем типа «жгут + жгут».

4. Впервые предложена , исследована и внедрена в практику волоконно-оптического приборостроения, в том числе и в системы спектрального типа, новая элементная база: жгут " двойного " разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон (ЖРЖВ), волоконно-оптические преобразователи формы и индикатрисы.

5. Впервые предложены и исследованы эргономические способы повышения качества изображения, передаваемого ВОСН :

- способ внеапертурной засветки входного и выходного торцов волоконного элемента.

- способ люминесцентного высвечивания структуры;

- способ засветки матированных оболочек.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Исследование основных закономерностей построения ВОСН с бесструктурным изображением на основе спектрального метода обработки передаваемого изображения. Разработка ВОСН спектрального типа с увеличением Г > 1.

2. Создание новой элементной базы для ВОСН, в том числе и для систем спектрального типа, - жгута " двойного " разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон, волоконно-оптические преобразователи формы и индикатрисы.

3. Разработка новых способов повышения качества изображения, передаваемого ВОСН :

- способ внеапертурной засветки входного и выходного торцов волоконного элемента;

- способ люминесцентного высвечивания структуры;

- способ засветки матированных оболочек.

4. Создание бесструктурных волоконно-оптических систем наблюдения и визирования на основе спектрального метода и новой элементной базы волоконной оптики.

Научная и практическая ценность работы

Выполнен значительный цикл теоретических и экспериментальных исследований , связанных с разработкой, созданием и внедрением в практику оптического приборостроения волоконно-оптических систем наблюдения и визирования с бесструктурным изображением, обеспечивающих решение следующих задач;

- повышение точности визирования личным составом военно-гусеничных машин (ВГМ);

- повышение надежности объектов ВГМ за счет создания систем дублирования и резервирования основных комплексов управления и возможности оптического обмена информацией между членами экипажа;

- улучшение и обеспечение кругового статического обзора из замкнутого объема в сложных компановочных условиях.

Предложены и изготовлены волоконно-оптические элементы нового типа: жгут " двойного " разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон, и волоконно-оптические формирователи формы и индихатрмсы.

Разработаны оригинальные методы повышения качества изображения, передаваемого ВОСН, основанные на физиологии восприятия оператором малоконтрастных объектов на фоне контрастного побочного раздражителя -макромозаичной структуры волоконного элемента.

Исследован и впервые внедрен в практику отечественного волоконно-оптического приборостроения спектральный метод обработки передаваемого ВОСН изображения для систем с увеличением Г > 1.

Реализация результатов работы

Разработанные волоконно-оптические системы внедрены на: 1. ОАО "ЛЗОС" г. Лыткарино Московской области.

Прибор наблюдения с волоконным каналом передачи визирной марки ТНПЗВЭ04 для изделия 688.

2. ЦКБ "Точприбор" г. Новосибирск.

Прибор - дублер оператора ГЩН-1 со жгутом "двойного" разрешения для изделия 477

3. ГОИ им.С.И. Вавилова.

Прибор статического обзора НП-41 для изделия 477.

4. ЦКБ 'Электроприбор" г. С-Петербург. Волоконно-оптический преобразователь.

Реализация результатов подтверждена 4 актами использования, приведенными в приложении к диссертации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Всесоюзном научно-техническом совещании «Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапазона» ( г. Могилев, 1983 г. ).

2. I Всесоюзная конференция по оптической обработке информации ( г, Ленинград, 1988 г).

3. Всесоюзная конференция « Волоконная оптика» ( г. Москва, 1990 г. ).

4. V Международная конференция «Транском - 97» ( г. Санкт- Петербург, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 18 печатных работ, в том числе 13 научных статей, 5 авторских свидетельств на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, выводов по работе, списка литературы, включающего 6! наименований, и приложения.

Объем диссертации: 120 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 24 таблицы,

Основное содержание работы.

Введение. Содержит краткий обзор и классификацию основных способов повышения разрешающей способности ВОСН, общую характеристику работы, её актуальность, определяет вынесенные на защиту основные результаты.

Глава I посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям спектрального метода обработки изображения, передаваемого волоконной системой. Оценка эффективности метода проводилась в сравнении с волоконными системами "классического" типа, состоящих из объектива, волоконного жгута и окуляра.

В разделе 1.1 показано, что :

- при использовании спектрального метода обработки передаваемого изображения в ВОСН возможно улучшение разрешающей способности более чем в 2,5-3 раза по сравнению с ВОСН "классического" типа, так как технологические аберрации реальных световодов проявляют себя появлением хроматического фона малой интенсивности рядом с основным изображением.

- влияние незначительного по интенсивности хроматического фона на разрешающую способность ВОС спектрального типа значительно меньше, чем влияние технологических аберраций (сдвиги, нерегулярности укладки, смещения, обломы, неравномерность пропускания и т.п.) на разрешающую способность ВОСН классического типа.

Там же экспериментально подтверждены выводы аналитического расчета и показано, что максимальный выигрыш в разрешающей способности для реальных волоконных элементов обеспечивается при засвечивании спектром 30 и более единичных световодов.

В разделе! .2 приведены результаты по исследованию ЧКХ ВОСН спектрального типа. Показано, что в случаях спектральной обработки изображения, ВОСН преобразуется в пространственно-инвариантную, и можно говорить с уверенностью о действительных коэффициентах передачи контраста.

В разделе 1.3 даны уравнения, описывающие влияние на контраст переданного волоконным элементом изображения объекта, оказываемое неравномерностью светопропускания отдельных групп единичных световодов. Показано, что в области

малоконтрастных переходов неравномерность светопропускания является аддитивной помехой, которая может привести к потере малоконтрастных деталей или возникновению ложных. Предложен новый способ определения контраста неравномерности на основе полутеневого метода. Экспериментально показано, что использование метода спектрального разложения и свертывания для улучшения качества изображения приводит к уменьшению величины контраста неравномерности в 2,2-4 раза.

В разделе 1.4 на основании'большого цикла экспериментальных исследований получены аналитические зависимости изменения разрешающей способности от контраста наблюдаемого предмета (функция контрастного разрешения - ФКР ) для ВОСН спектрального типа и классической ВОСН, в том числе для систем, содержащих состыкованные волоконные жгуты. Для систем спектрального типа, то-есть, для бесструктурного изображения, ФКР аппроксимирована зависимостью:

где V, - разрешающая способность гибкого регулярного жгута волокон (ГРЖВ), мм"1;

- текущее значение разрешающей способности при данном контрасте объекта К^ для ВОСН спектрального типа.

Для ВОСН классического типа ФКР аппроксимирована зависимостью:

Сравнение экспериментальных данных и полученных аналитических выражений показывает существенное преимущество применения спектрального метода улучшения качества изображения. При этом:

- обеспечивается визуальное наблюдение малоконтрастных объектов, вплоть до пороговых значений зрительного анализатора;

- происходит существенное улучшение качества изображения на всех контрастах. Для ВОСН, содержащих п состыкованных ГРЖВ одинакового качества,

соответственно было получено:

2

У„ = 1,66У, ~ 1--

п) 1п 0,07-Ун.

^п) \ 1п 0,26л/«;

Из анализа формул видно то преимущество спектрального метода, которое может бьггь получено в волоконно-оптических системах, особенно при наблюдении малоконтрастных объектов. Физические причины этого заключаются в существенном снижении пространственного "шума" волоконной детали за счет его осреднения по числу засвечиваемых спектром единичных волокон ГРЖВ.

В разделе 1.5 приведены результаты исследований изменения разрешающей способности для стопы , состоящей из п волоконных пластин. Впервые экспериментально объяснены различия в рекомендуемых разными авторами выражениях для расчета разрешающей способности У£„ для а состыкованных ВОП от

Тп . '

где V] - разрешающая способность одной ВОП, до

Строгая теория взаимодействия волоконных структур показывает, что по крайней мере, при некоторых углах разворота взаимодействующих структур друг относительно друга в поле зрения должны появляться световые биения, известные в оптике под названием муаровых полос. Автору впервые удалось наблюдать и зафиксировать муаровые картины. При этом проявляется ярко выраженная повторяющаяся зависимость разрешающей способности стопы ВОП в зависимости от взаимной ориентации сопрягаемых структур на всех контрастах миры. С уменьшением контраста миры (К) амплитуда и период колебаний зависимости - возрастают. В случае, когда генеральные направления гексагональной укладки сопрягаемых ВОП совпадают (периодичность ~ 30° ), миры с контрастом К < 0,4 не разрешаются.

В разделе 1.6 рассмотрены вопросы точности передачи угловых координат ВОСН. При этом наиболее актуальными вопросами являлись вопросы угловой чувствительности наведения и точности передачи угловых координат наблюдаемых объектов при использовании спектрального метода, улучшающего качество изображения, а также выявления связи между качеством изображения и названными параметрами ВОСН.

Приведены результаты экспериментальных исследований. Показано, что при визировании через ВОСН появляется систематическая ошибка, по величине равная 1-1,5 угловым диаметрам единичного волокна. При наблюдении через ВОСН с улучшенным качеством изображения величина систематической ошибки уменьшается вдвое. Появление систематической ошибки обуславливается специфическими свойствами волоконных элементов. Так, например, бесконечно тонкая светлая линия изображается линией конечной ширины вследствие конечности размеров единичного волокна. Именно из этих соображений были выбраны объекты измерений:

- светящиеся линии на темном фоне;

- темные линии на светлом фоне;

- с одной стороны граница светлая, а с другой - темная.

Это обстоятельство нашло свое отражение как в величине, так и в знаке систематической ошибки. Случайная же ошибка при визировании объектов через ВОСН традиционного типа составляет приблизительно половину углового диаметра единичного волокна. При использовании спектрального метода обработки передаваемого изображения случайная ошибка становится в 3,4-4 раза меньше.

В Главе П (раздел 2.1) приведена новая методика расчета спектральных призм для ВОСН неединичного увеличения,т. е. Г > 1, что является существенным развитием спектрального метода улучшения качества изображения.

Показано, что из-за того, что в системах при Г^ ф i ок закономерности изменения угловых координат подчиняются тангенсным зависимостям, т.е., f<d Гок = tgaV tg а, а ход лучей через призменную спектральную систему определяется последовательным применением закона преломления, то-есть, синусным зависимостям от угла падения лучей, происходит некоторое уменьшение поля зрения системы (в сравнении с

традиционной волоконной системой без спектральных призм) вследствие некомпенсированного остаточного хроматизма.

В разделе 2.2 рассмотрен один из центральных вопросов теории видимости объектов, а именно, влияние световых условий на наблюдение через волоконно-оптические системы. Исследованы зависимости углового разрешения от яркости фона системы «ВОСН + оператор». На основании экспериментальных данных предложен расчетно-графический метод определения углов, разрешаемых системой «ВОСН + оператор». Сравнение результатов показывает, что в диапазоне яркостей фока Ц, от 0,005 до 0,1 кд/м2 улучшение углового разрешения при использовании спектрального метода близко к 1,5 - 2,0 , возрастая до 3,0 при Ьф > 0,1 кд/м2 , и , практически, неощутимо при Ц, = 0,001 кд/м2. Последнее обстоятельство объясняется тем, что с уменьшением яркости фона решающее влияние на разрешаемый системой «ВОСН + оператор», угол оказывает угловое разрешение глаза оператора. Это вызывает необходимость введения в волоконно-оптическую систему устройств, повышающих яркость изображения - электронно-оптический преобразователь (ЭОП):

ЭОП в волоконно-оптическую систему. Предложен метод расчета разрешающей способности ВОСН с анализом функции передачи контраста (ФПК) и пороговых характеристик углового разрешения зрительной системы оператора. Показано, что в ряде случаев более целесообразно повышать видимое увеличение системы, чем увеличивать яркость изображения.

В разделе 2.4 представлены экспериментальные зависимости разрешающей способности ВОСН от угла а между направлением на Солнце и визирной осью системы при различных уровнях солнечной засветки 50 и 100 тыс. лк. Показано, что ВОСН со спектральной обработкой изображения сохраняют более высокую разрешающую способность по сравнению с классической ВОСН до определенных значений углов а засветки Солнцем, величина которых равна а = 25° при Е = 50 тыс. лк. на- 35° при Е = 100 тыс. лк. При уменьшении угла а кривые зависимости разрешающей способности совпадают.

В разделе 2,5 впервые экспериментально исследованы вопросы, касающиеся качества изображения ВОСН в зависимости от числа обломанных единичных световедущих волокон.

>. представлены результаты исследований эффективности введения

Качество изображения оценивалось по разрешающей способности по штриховым мирам ГОИ с контрастами К ~ 1; 0,7; 0,5; 0,3; 0,2. Измерения проводились на серийных жгутах ЛЗОС диаметром ~ 13 мм. Для исследования были выбраны участки с равномерным распределением обломов 0 % ; 20 % ; 35 % ; 50 % и 70 % от общего числа волокон.

Исследования показали, что для ВОСН традиционного типа появление обломов и их даже незначительное увеличение приводит к резкому снижению разрешающей способности на малых контрастах. Так, при 20 % обломанных световедущих жил и контрасте миры К = 0,3 разрешающая способность системы становится практически равной 0, а при К = 0,4 и таком же числе обломов разрешающая способность системы уменьшается более чем в 2 раза. При К = 1 разрешающая способность остается практически без изменений. Применение спектрального метода позволяет не только повысить разрешающую способность системы на малых контрастах, но и существенно уменьшает влияние обломов на разрешение малоконтрастных объектов. Так, например, при 20% обломов разрешаются объекты с К = 0,2-0,3.

Оценивая допустимое количество обломов по пороговому контрасту, разрешаемому оператором на выходе системы, при условии К = 0,5 , можно сказать, что для ВОСН традиционного типа П = 2% -30%, а для ВОСН спектрального типа П = 50% -70 %. Это позволяет утверждать, что спектральный метод обработки изображения увеличивает и время эксплуатации волоконных элементов. Там же на основании экспериментальных данных приведены аналитические зависимости, позволяющие определить значения числа обломов, при которых ВОСН остается работоспособной. Расчеты по предлагаемым формулам дают хорошее совпадение с экспериментальными данными. Наибольшее отклонение составляет в среднем ± 2 лин/мм, а относительная ошибка равна = 10 %.

В разделе 2.6 определены количественные соотношения между неравномерностью пропускания ВОСН спектрального типа в зависимости от числа засвечиваемых спектром единичных волокон. Приведены результата расчета для двух случаев - неравномерность пропускания световедущих жил вследствие непрозрачных прослоек и неравномерность пропускания световедущих жил вследствие обломов отдельных волокон. Расчет проводился при следующих варьируемых параметрах: диаметр единичного волокна О = 530 мкм., величина непрозрачной прослойки <1 = 1-5 мкм., число засвечиваемых спектром

волокон п = 2-50. Показано, что даже для идеального волоконного элемента, необходимо засвечивать спектром более 4 волокон. При наличии 5-15% обломов неравномерность пропускания составляет 10-15%.

В главе III описаны и представлены результаты исследований новых волоконных элементов, предложенных диссертантом.

В разделе 3.1 подробно рассмотрена идея создания волоконных жгутов, аналогичных устройству зрительного анализатора человека (глаза) с двумя различными по> разрешающей способности зонами - волоконный жгут «двойного» разрешения. При этом периферийная часть жгута позволяет эффективно решать вопросы обнаружения в большом поле, а центральная часть с высокой разрешающей способностью -осуществлять опознавание и точное наведение. На жгут «двойного» разрешения диссертантом получено авторское свидетельство. Технологами ГОИ по техническому заданию автора диссертации были изготовлены экспериментальные образцы жгутов «двойного» разрешения и проведены лабораторные исследования по зонам их основных ошотехнических характеристик:

- интегрального светопропускания;

- индикатрис светораспределения;

г- разрешающей способности;

- .1 функции контрастного разрешения.

Здесь же рассмотрены особенности взаимодействия спектрального метода со жгутом «двойного» разрешения. Показано, что вследствие различия в диаметрах единичных световодов центральной и периферийной зон жгута улучшение N разрешающей способности различно по зонам. При этом, в районе границы центральной и периферийной зон жгута «двойного» разрешения существует зона переменного разрешения хроматических изображений. Эта зона тем больше, чем больше засвечивается спектром единичных световодов и чем больше разница в диаметрах единичных световодов по зонам жгута.

На основе жгута «двойного» разрешения при участии диссертанта был разработан и изготовлен в ЦКБ «Точприбор» г. Новосибирска прибор-дублер оператора ПДН-1 для

изделия 477. Описание прибора и результаты его испытаний приведены в диссертации в Главе IV (раздел 4.1).

В разделе 3.2 приведены исследования новых крупногабаритных жестких регулярных жгутов волокон (ЖРЖВ), созданных под руководством автора диссертации. В ГОИ была разработана технология изготовления крупногабаритных ЖРЖВ и изготовлены экспериментальные образцы. Рассмотрены характерные типы укладки ЖРЖВ и их влияние на разрешающую способность и функцию контрастного разрешения. Показано, что вследсвие макромозаичной структуры ЖРЖВ происходит существенное падение разрешающей способности при контрастах объектов наблюдения К < 0,5.

Полученные результаты показали перспективность применения в ВОСН нового элемента - ЖРЖВ

В разделе 3.3 рассмотрены новые оптические способы уменьшения заметности макроструктуры ЖРЖВ, предложенные диссертантом, на которые им получены авторские свидетельства:

- способ внеапертурного высвечивания структуры;

- способ засветки матированных оболочек;

- способ люминесцентного высвечивания структуры и дефектов волокна.

В разделе 3.4 приведены описания авторских свидетельств на новые волоконные элементы и результаты исследований устройств на их основе.

Рассмотрены:

- волоконный преобразователь изображения;

- волоконный «жгут-гантель»;

В разделе 3.5 описываются несколько оригинальных способов увеличения углового поля зрения ВОСН путем повышения числовой апертуры волоконного элемента за счет нанесения на входной или выходной торцы прозрачных дифракционных структур. Теоретически и практически показано, что нанесение дифракционной решетки на торец волоконно-оптического элемента (ВОЭ) увеличивает числовую апертуру элементов в 1,7 - 2,5 раза. Приведены графики изменения индикатрис светопропускания для волоконных жгутов и фоконов при нанесении на торцы различных прозрачных дифракционных решеток с N = 150 штр/мм, 300 щтр/мм и 600 штр/мм. Для сравнения приведены индикатрисы без дифракционной решетки. Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

1. Нанесение дифракционных решеток увеличивает светопропускание ВОЭ при углах падения лучей > 20°, что превышает значение апертурного угла исследуемых элементов.

2. При углах падения лучей < 20° наблюдается незначительное уменьшение коэффициента светопропускания, что объясняется перераспределением дифракционной решеткой суммарного светового потока, распространяющегося по ВОЭ без виньетирования.

3. Введение дифракционной решетки практически не меняет цветного восприятия изображения, т.к. образуемые решеткой спектральные составляющие луча оказываются заключены (при правильном выборе параметров решетки) внутри единичного волокна, в котором происходит усреднение всех энергетических составляющих, в том числе и спектральных.

На основании полученных результатов автор отмечает, что волоконные элементы с дифракционными структурами представляют собой, по существу, новый класс волоконных элементов с новыми оптическими свойствами, которые расширяют возможности их применения в оптотехнике.

В Главе IV приведены оптические схемы, описания и результаты лабораторных и полевых испытаний различных макетных образцов волоконных систем наблюдения и визирования спектрального типа, созданных при непосредственном участии и руководстве диссертанта.

В разделе 4.1 приведено описание нескольких вариантов построения приборов-дублеров. Для проверки возможности построения приборов такого класса на основе волоконной оптики и спектрального метода был разработан и изготовлен на Красногорском механическом заводе первый вариант прибора-дублера оператора (ПДО).

Совместно с ЦКБ «Точприбор» г. Новосибирска был разработан и изготовлен прибор-дублер оператора (ПДН-1) для изделия 477 на основе волоконного жгута «двойного» разрешения и спектрального метода.

В ГОИ был разработан и изготовлен прибор-дублер оператора (НП-31) для серийного изделия 219.

В результате лабораторных и полевых испытаний была показана принципиальная возможность и перспективность построения приборов-дублеров на основе волоконной

оптики и спектрального метода обработки передаваемого изображении, в том числе и для систем с увеличением 1>1.

В разделе 4.2 приведено описание, технические характеристики, результаты лабораторных и полевых испытаний прибора статического обзора (НП-41) на основе ГРЖВ с биокулярным выходом и спектральной обработкой передаваемого изображения, позволяющего оператору решать задачи обзора на левый борт изделия 477. Разработанный прибор был испытан в составе объекта 219. Результаты испытаний показали, что прибор НП-41 обеспечивает решение задачи статического обзора оператором на левый борт.

Там же приведено описание и технические характеристики призменно-линзового прибора статического обзора с биокулярным выходом (НП-55) для изделия 477 на основе ВОП. Нетрадиционное применение в приборе ВОП в качестве оптического элемента, позволяющего расширить (увеличить) апертурный угол конуса лучей, сформированных объективом, позволило исключить «срыв» изображения в приборах такого класса при отклонении головы оператора от огггичесхой оси.

В разделе 4.3 приведено описание и технические характеристики прибора наблюдения с волоконным каналом передачи визирной марки ТНП ЗВЭ 04 для изделия 688.

Применение в приборе ТНП ЗВЭ 04 спектрального метода позволило при сохранении точностных характеристик на уровне штатного прибора ТНП ЗВЭ 01 уменьшить в 6 раз сечение волоконного жгута.

Прибор прошел Государственные испытания в составе объекта 688. При испытании комиссия отметила, что установка волоконной оптики и прибора ТНП ЗВЭ 04 обеспечивает эффективное визирование при различных скоростных режимах функционирования объекта.

Основные результаты и выводы

При выполнении работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Экспериментально и теоретически исследованы основные закономерности построения волоконно-оптических систем наблюдения с бесструктурным изображением за счет использования спектрального метода обработки передаваемого изображения.

2. Решена проблема построения ВОСН спектрального типа с увеличением Г > 1.

3. Разработаны и технологически реализованы новые элементы волоконной оптики, в том числе и для ВОСН спектрального типа.

4. Разработаны новые эргономические способы уменьшения заметности макроструктуры волоконных элементов.

5. Создан, успешно прошел Государственные испытания и будет устанавливаться с 2001 года на изделии 688 прибор наблюдения с волоконным каналом передачи визирной марки ТНПЗВЭ04 со спектральной обработкой передаваемого изображения.

Список публикаций, отражающих основное содержание диссертации.

1. Пуйша А.Э., Михеев П.А. Исследование спектрального метода снятия структуры в изображении, передаваемом волоконными элементами. ОМП, 1982, № 12, с. 17-19.

2. Пуйша А.Э., Баранов В.К., Михеев П.А. Исследования частотно-контрастных характеристик эндоскопических волоконных устройств спектрального типа Труды конференции « Всесоюзное научно-техническое совещание «Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапазона», Могилёв, 1983, с. 198.

3. Пуйша А.Э., Садко Н.П. Применение волоконно-оптических элементов в военной технике. ЗВТ, 1982, серия VII, вып.1(13), с. 34-38.

4. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Ершов A.B. ВОТ, 1982, серия X, вып,3(179), с. 19-21.

5. Пуйша А.Э., Михеев ПЛ., Николаева В.К., Сторожев Ю.В. Влияние световых условий на наблюдение через волоконно-оптические системы. Светотехника, 1983, № 10, с. 11-13.

6. Пуйша А.Э., Кутасов В.А., Михеев П.А., Садко Н.П. Влияние неравномерности светопропускания волоконного элемента на контраст изображения. ОМП, 1984, N° 7, с. 20-23.

7. Пуйша А.Э. Влияние на разрешающую способность волоконных эндоскопов контраста наблюдаемого предмета. Труды конференции « Всесоюзная конференция «Теоретическая и прикладная оптика 84», Ленинград, 1984, с. 196.

8. Пуйша А.Э., Садко Н.П. Неравномерность светопропускания волоконно-оптических элементов. Труды конференции « Всесоюзная конференция «Теоретическая и прикладная оптика 84», Ленинград, 1984, с. 206.

9. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Николаева В.К. Наблюдение через волоконно-оптические системы с усилителями яркости изображения, Светотехника, 1985, № 7, с. 9-11.

10. Пуйша А.Э., Маргунова Т.Г., Михеев П.А. Волоконный прицел-дублер со спектральной обработкой изображения. ВОТ, 1986, серия 10, вып.1(213), с. 25-28.

11. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Кузовая В.Л. Садко Н.П.. Функция контрастного разрешения гибких волоконных элементов, ОМП, 1987, № 12, с. 13-15.

12. Пуйша А.Э. и др. Оптико-электронные системы наблюдения и локации для обеспечения безопасности транспортных средств. Труды конференции « Международная научно-техническая конференция. «Транском - 97», г. Санкт-Петербург, 1997. с.22.

13. Pujsha А.Е., Yevsikova L.G. Nools of measuring visibility of through aerosol media. Proceedings of the Fourth International Aerosol Symposium. St-P. 1998, v. 4a, № 11, p. 51- 52.

14. A.c. № 1472858 от 15.12.1988 г. Способ уменьшения заметности мозаичности волоконных деталей и устройств для его осуществления. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Кузовая В.Л., Бюл. № 14.

15. A.c. № 1500966 от 15.08.1989 г. Способ и устройство уменьшения заметности структуры и дефектов волоконных элементов. Пуйша А.Э., Васильева Л.В., Бюл. № 30.

16. A.c. № 1727158 от 15 11.1991 г. Способ высвечивания экрана. Пуйша А.Э., Васильева Л.В., Бюл. №>14.

17. Патент Х» 2140623 от 11.08.1997г. Способ изготовления рельефных рисунков на сферических поверхностях и устройство для его осуществления. Пуйша А.Э. и др., Бюл. № 30.

18. Патент № 2147760 от 28.04.19987г. Прибор статического обзора. Пуйша А.Э.и др., Бюл. №11.

Изображения мир различной пространственной частоты единичного контраста, наблюдаемые через: 1 - коллиматор, 2 - ВОСН традиционного типа, 3 - ВОСН спектрального типа.

Изображение миры единичного контраста, переданное волоконным жгутом «двойного» разрешения.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕШАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ НАБЛЮДЕНИЯ (ВОСН) СПЕКТРАЛЬНОГО ТИПА.

1.1. Исследование зависимости улучшения качества изображения ВОСН спектрального типа от числа засвечиваемых спектром единичных волокон

1.2. Частотно-контрастные характеристики ВОСН спектрального типа.

1.3. Влияние неравномерности светопропускания единичных волокон волоконного элемента на контраст передаваемого изображения ВОСН спектрального типа

1.4. Функция ковгграстного разрешения ВОСН спектрального типа.

1.5. Экспериментальные и теоретические исследования ФКР модульных ВОСН типа «ВОП + ВОП» от взаимной ориентации единичных волокон

1.6. Исследование точности передачи угла ВОСН спектрального типа.

ГЛАВА П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВОСН СПЕКТРАЛЬНОГО ТИПА ПРИ НЕЕДИНИЧНОМ УВЕЛИЧЕНИИ И ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СВЕТОВЫХ УСЛОВИЯХ НАБЛЮДЕНИЯ.

2.1. Расчет спектральных призм для ВОСН с увеличением Г > 1.

2.2. Влияние яркости фона на разрешающую способность системы «ВОСН + оператор».

2.3. Наблюдение через ВОСН с усилителями яркости изображения.

2.4. Влияние Солнечных засветок на разрешающую способность системы «ВОСН + оператор».

2.5. Влияние обломов единичных волокон на качество изображения, передаваемого ВОСН спектрального типа

2.6. Расчет неравномерности светопропускания ВОСН спектрального типа

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ОПТО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ И НОВЫХ МЕТОДОВ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАМЕТНОСТИ МОЗАИЧНОСШ

3.1. Волоконный жгут «двойного разрешения» и ВОСН спектрального ■шла на его основе

3.1.1. Измерения интегрального коэффициента светопропускания по зонам жгута «двойного разрешения».

3.1.2. Измерения индикатрис светораспределения на выходном торце по зонам жгута «двойного разрешения».

3.1.3. Измерения разрешающей способности по зонам жгута «двойного разрешения».

3.1.4. Измерения функции контрастного разрешения по зонам жгута «двойного разрешения».

3.1.5. Теоретические и экспериментальные исследования качества изображения ВОСН спектрального типа применительно к жгуту «двойного разрешения».

3.2. Жесткие регулярные жгуты волокон (ЖРЖВ)

3.3. Новые оптические способы уменьшения заметности макромозаичности ЖРЖВ

3.3.1. Способ внеапертурного высвечивания структуры

3.3.2. Способ засветки матированных оболочек

3.3.3. Способ .люминесцентного высвечивания структуры и дефектов волоконного элемента

3.4. Новые волоконно-оптические преобразователи и ВОСН на их основе

3.4.1. Волоконно-оптические преобразователи изображения типа «сфера - плоскость».

3.4.2. Волоконно-оптический жгут типа «гантель».

3.5. Волоконно-оптические элементы с дифракционными решетками.

ГЛАВА IV. ПРИБОРЫ НАБЛЮДЕНИЯ И ВИЗИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ

ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ СО СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПЕРЕДАВАЕМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

4.1. Волоконно-оптические системы дублирования

4.1.1. Прибор - дублер оператора ПДО.

4.1.2. Прибор - дублер наводчика ПДН-1.

4.1.3. Прибор - дублер оператора НП-31.

4.2. Приборы статического обзора.

4.2.1. Волоконный прибор статического обзора спектрального типа с биокулярным выходом НП-41.

4.2.2. Призменно - линзовый прибор статического обзора с биокулярным выходом ва основе ВОП НП-55.

4.3. Прибор наблюдения с волоконным каналом передачи визирной марки ТИП ЗВЭ 04.

ВЫВОДЫ

За последние десятилетия волоконно-оптические элементы во всем их многообразии заняли ведущее место в оптическом приборостроении [1-20].

Так, гибкие регулярные жгуты волокон (ГРЖВ), применяемые в медицинских и технических эндоскопах, обеспечивают большую гибкость каналов и меньшие поперечные размеры, чем обычные линзовые эндоскопы, возможность передачи изображения независимо от степени искривленности и закрученности оптического канала, подачу холодного света [6-9].

Волоконно-оптические пластины, применяемые в оптико-механическом приборостроении, благодаря направленности индикатрисы светораспределения и наличию светопоглощающих прослоек между световедущими жилами обеспечивают высокую яркость и контрастность изображения [10-13]. Волоконные пластины и диски в электронно-лучевых трубках позволяют применять вместо проекционной печати контактную, при которой весь свет, выходящий из волоконной пластины, непосредственно улавливается фотоматериалом, что позволяет в несколько десятков раз увеличить яркость изображения, уменьшить экспозицию и, соответственно, увеличить скорость регистрации [11-12].

Волоконные элементы, входной поверхности которых придана форма поверхности изображения, сформированного объективом, существенно повышают разрешающую способность на краях поля зрения и позволяют применять более простые и светосильные объективы [2-4]. Применение таких волоконных элементов в ЭОПах позволяет осуществить контактное соединение нескольких одноканальных ЭОПов в один многокаскадный [14]. Такие ЭОПы не имеют периферийной расфокусировки на экране, т.е. имеют практически равномерную по рабочему полю разрешающую способность [15].

Однако, как показала практика первых разработок, макетных вариантов волоконно-оптических систем наблюдения (ВОСН) на основе гибких регулярных жгутов волокон (ГРЖВ) качество изображения оставалось еще недостаточным из-за низкой разрешающей способности последних (12-16лин/мм.).

От разработчиков элементной базы волоконной оптики требовалось существенно (более чем в 1,5-2 раза) повысить качество ГРЖВ, избавившись при этом от локальной нерегулярности укладки единичных волокон, уменьшить число их обломов и уровень в неравномерности светопропускания по отдельным группам волокон, повысить чистоту поля зрения (ЧПЗ). Понятно, что достижения здесь были возможны только на базе разработки новых идей следующего более высокого технологического уровня.

Очевидно, что повышение разрешающей способности волоконно-оптических систем - это задача, которая во многом может быть решена за счет улучшения технологии изготовления волоконных элементов и, в особенности, гибких элементов. Однако мозаичность структуры - главный недостаток, по которому волоконные детали уступают классическим оптическим системам, не устраняется технологическими приемами. В связи с этим, устранение мозаичности - актуальнейшая задача разработчиков приборов наблюдения с волоконными элементами. Все способы решения этой задачи, известные на сегодня, удобно классифицировать следующим образом: а) методы, устраняющие в той или иной степени заметность структуры без улучшения информационных свойств ВОСН; б) информационные методы - методы, которые помимо снятия структурности в изображении позволяют восполнить информационные потери пучка волокон, обусловленные дискретизацией изображения, обломами световедущих жил, наличием непрозрачных прослоек и т.п.

К первой группе относятся следующие методы:

Уменьшить масштаб видимого изображения можно, если применить в ВОСН слабый окуляр. Тогда наблюдатель не будет различать отдельных волокон и сетки прослоек между ними. Однако при этом теряются элементы изображения высокой пространственной частоты и, как следствие этого, происходит уменьшение объема общего потока информации от объекта.

Для классической волоконно-оптической системы наблюдения типа « объектив -жгут - окуляр - наблюдатель » известно соотношение [6]:

1. Уменьшение масштаба изображения. где — - коэффициент использования разрешающей способности жгута; ус - разрешающая способность системы, мм"1, ун - разрешающая способность жгута, мм"1; н

К = Г- — - относительная разрешающая способность вооруженного глаза - коэф-К фициент комфортности; Г - увеличение окуляра; уг - разрешающая способность глаза.

Приведенная формула по существу охватывает все случаи взаимодействия наблюдателя с волоконной системой и полный анализ её приведён в [2]. Однако в рамках нашего рассмотрения нетрудно убедиться из формулы, что при К = 1, т.е. при равенстве разрешающей способности жгута и вооруженного глаза, когда наблюдатель не видит v структуры, коэффициент — падает до 70 % , а коэффициент использования объема К

V 2 информации ( — ) уменьшается до 50 %.

2. Бесструктурные пучки световодов.

Авторами [2,13] заявляется, что различными технологическими приемами осуществимы волоконные детали, у которых светоизолирующие прослойки у торцов утончаяются на нет. Метод, существенно уменьшая мозаичность изображения, способствует повышению коэффициентов передачи контраста пучка световодов. Однако, до практической реализации таких волоконных деталей дело не дошло.

3. Микролинзы на торцах волоконного жгута.

В.Б.Вейнберг [2] предложил устранять мозаичность путем применения на входном и выходном торцах каждой единичной жилы микролинз (рис.1). Кривизна микролинз и показатель их преломления выбираются такими, что любой луч после микролинзы попадает только на входной торец жилы, а на торцы прослоек не попадает практически ни одного луча, т.е. пропускание системы х с « 1 . Данный метод существенно повышает коэффициент пропускания полезного потока и, как следствие, повышает коэффициент передачи контраста. Однако, как отмечается в [6], удовлетворительных рельефов на торцах волоконных деталей получеть пока не удалось.

4. Микроволнистый рельеф на линзе окуляра.

Если на поверхность линзы окуляра нанести микроволнистый рельеф (рис.2) с шагом 0,2 - 0,5 мм. и глубиной рельефа « 1 мкм., то изображение сетки прослоек и световедущих жил будет перенакладываться. Это уменьшает заметность сетки прослоек и

Рис.1. Снятие мозаичноети передаваемого пучком световодов изображения с- помощью микролинз.

Рис.2. Микроволнистый рельеф на поверхности линзы окуляра. сглаживает яркостный профиль при переходе от одной световедущей жилы к другой. Заметносгь обломов этим способом снижается незначительно.

Несовершенство технологии нанесения такого рельефа приводит к заметному снижению контраста в изображении, однако снятие мозаичности позволяет сохранить довольно крупный масштаб изображения, т.е. вести наблюдение при К >1.

5, Пространственная оптическая фильтрация структуры

Этот метод [3] аналогичен методам устранения шумов или сигналов определенной пространственной частоты из оптического изображения. Мозаичная структура волокна подчиняется периодическому закону распределения по всему торцу и эквивалентна определенной частоте штрихов. Для устранения мозаичности применяют фазовый или амплитудный шумовые фильтры (рис.3), которые могут не пропускать определенную частоту или иметь малый коэффициент передачи контраста на данной частоте. Поскольку невозможно сделать амплитудный или фазовый фильтры с резкой границей срезания пространственных частот, то на частотах вблизи основной происходит потеря контраста, вследствие чего происходит некоторая потеря информации, но изображение, получаемое таким образом, более приемлемо, т.к. в нем устранена мозаичность.

Ко второй информационной группе методов можно отнести:

1. Расфокусировка объектива.

Уменьшить заметносгь мозаичности жгута позволяет расфокусировка объектива. При этом, если кружок рассеяния в изображении увеличить до нескольких линейных размеров прослоек между жилами, то изображение мелких деталей, попавших в хорошо сфокусированной системе на прослойки, будут видны. Однако этот метод снижает разрешение системы и в приборах не реализуется [2].

2.Сканирование изображения.

Если изображение, которое нужно передавать, быстро перемещать относительно торца волоконного элемента и ту- же операцию строго синхронно проводить относительно выходного торца, то мозаичность структуры в переданном изображении полностью устраняется. Для стирания всех признаков структуры волоконного элемента достаточно перемещать изображение на 4 - 8 диаметра единичного волокна [3]. Частота сканирования изображения должна быть выше критической частоты мельканий, различаемых глазом человека. В [2] показано, что наибольшая пространственная частота, передаваемая сканирующим волоконным пучком:

- для квадратной укладки утахдв. = 2,44 УтахнсП0д.; для гексагональной укладки утахДв. - 2,12 утаХнепод.

Вариантов, осуществляющих синхронное сканирование изображения, может быть предложено много, однако, по-видимому, наиболее перспективна схема с круговым сканированием на входе и выходе оптическими элементами, например, оптическими клиньями (рис.4).

В работе [2] приводятся сведения о разработке опытного медицинского эндоскопа со сканированием. Сообщается о больших трудностях, связанных с осуществлением реальной синхронизации сканирующих систем. Однако преимущества метода - снятие структурности, повышение разрешающей способности, сохранение правильной цветопередачи, повышение надежности и времени использования жгута, оправдывают поиски направленные на его реализацию.

3. Голографические способы повышения качества.

Как отмечено в [2], устранение мозаичности изображения может быть достигнуто при передаче через волоконную деталь не изображения объекта, а рассеиваемого им волнового поля.

Компенсирующая голограмма, при записи которой волна от объекта проходит через волоконную деталь, устанавливается при этом на выходе системы и корректирует искажения, вносимые волоконной деталью. В литературе подчеркивается, что данный способ приемлем лишь для жестких волоконных деталей. Однако анализ работы такой схемы позволяет утверждать, что возможности способа существенно шире: он может применяться и для улучшения качества изображения, передаваемого через гибкие волоконные детали, в том случае, если последние не претерпевают деформации в процессе работы, а гибкость их используется лишь в компоновочных целях. Очевидно, что закрепленный гибкий жгут вполне можно воспринимать (с точки зрения вносимых им искажений волновых фронтов) как жесткую деталь, а такое использование жгута вполне реально во многих практических задачах.

В то же время известны общие методы голографической компенсации искажений, вносимых средой, расположенной между объектом и изображением [21], среди которых выделяется метод компенсации искажений, вносимых средой, которая может быть подвижной или неподвижной, меняющейся или неменяющейся во времени. Этот метод состоит в том, что через искажающую среду посылаются две волны - опорную и от объекта, при этом используется такая же схема, как при записи безлинзовой Фурье голограммы.

Метод, как отмечается, пригоден для ограниченного поля объекта, так как волны от точек, расположенных по полю далеко от опорного источника, могут претерпевать существенные искажения.

По-видимому, такой метод устранения мозаичности и компенсации дефектов волоконной детали может найти применение и для совершенно произвольных компоновок волоконного жгута, причем последний может в процессе деформации претерпевать изгибы. Таким образом, метод оказывается общим для любых волоконно-оптических приборов, а ограничения его связаны с ограниченностью компенсирующих свойств схемы определенным нешироким полем зрения. Данное ограничение может быть мало существенным для систем визирования, передачи данных углоизмерительных устройств, хотя для широкоугольных визиров и обзорных систем ограничения едва ли преодолимы.

4. Многоканальный метод устранения мозаичности.

В данном методе, предложенном автором диссертации, повышение разрешающей способности и информативности волоконно-оптической системы достигается использованием в её объективной и окулярной частях П линзовых систем с попарно одинаковыми фокусными расстояниями, установленных соосно друг другу соответственно перед входным и выходным торцами волоконно-оптической детали.

На входном торце волоконно-оптической детали 2 такой системы (рис.5) объективная часть 1, состоящая из II линзовых систем, формирует П изображений визируемого объекта, Окулярная часть 3 выполнена аналогично объективной и установлена соосно с ней за выходным торцом волоконно-оптической детали. Таким образом, изображение передается по П раздельным оптическим каналам, исключая, тем самым, возможность потери информации от объекта на обломах и на структуре волоконной детали.

За окулярной частью установлена телескопическая система 4, необходимая для формирования одного изображения, полученного из П наложенных друг на друга изображений визируемого объекта. Одновременно П переданных изображений структуры волоконной детали наложатся друг на друга случайным образом, что позволяет значительно уменьшить заметность сетки прослоек, потерю информации на обломах и сгладить резкий скачок яркости при переходе от одного торца световедущей жилы к соседним, При этом яркость жил сохраняется, что практически не изменяет контраст переданного изображения.

Таким образом, значительное уменьшение мозаичности изображения позволяет сохранить достаточно крупный его масштаб, что улучшает разрешающую способность всей системы в целом с одновременным повышением её информативности.

5. Метод спектрального разложения и свертывания изображения.

Сущность метода заключается в том, что по волоконному элементу передается спектральное изображение каждой точки осматриваемого пространства, при этом каждая отдельная световедущая жила передает спектральную информацию о многих точках объекта (рис.6). В то же время, каждое отдельно взятое волокно передает только часть информации (определенную спектральную область) о данной точке объекта. Ясно, что при таком методе облом отдельного волокна не ведет к полной потере информации о соответствующей точке объекта. Более подробно о формировании изображения в таких системах будет изложено дальше.

Впервые этот метод был предложен Кестером [1]. Возможность построения и разработки ВОСН на его основе для целей медицинской и технической эндоскопии описана в работах [2,18,22].

Поскольку диспергирующая система рассчитывается таким образом, чтобы спектральное изображение каждой точки объекта перекрывало значительное количество единичных волокон, прослойки вырезают при этом из спектра ряд узких участков и поэтому после свертывания переданного ГРЖВ спектра цвет изображения практически не отличается от цвета объекта.

Анализ достоинств и недостатков рассмотренных здесь методов показывает, что из-за технологических трудностей в одних случаях и малой эффективности в других большинство методов мало подходит для их практической реализации.

Наиболее перспективным методом для использования его в приборах наблюдения представляется на сегодня метод спектрального разложения и свертывания изображения, передаваемого ВОСН.

Именно поэтому, целью данной диссертационной работы является теоретические и экспериментальные исследования основных закономерностей передачи изображения волоконно-оптическими системами наблюдения со спектральной обработкой передаваемого изображения, а также практическая разработка и создание оптических

Рис.6. Ыетод спектрального разложения и свертывания изображения

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи,

1. Исследован спектральный метод повышения качества изображения, передаваемого волоконными элементами, позволяющего построение волоконных систем бесструктурного типа.

2. Проведен расчетный анализ и подтверждено на практике возможность построения волоконных систем спектрального типа с увеличением Г > 1.

3. Исследованы точностные характеристики волоконных систем спектрального типа в устройствах передачи угловых координат.

4. Исследовано влияние стыковки волоконных систем типа «жгут + жгут» на разрешающую способность систем спектрального типа.

5. Разработаны и исследованы новые оптические способы повышения качества изображения, передаваемого волоконными элементами.

6. Разработаны и исследованы новые элементы волоконной оптики, в том числе, и для систем спектрального типа.

7. Созданы и испытаны экспериментальные образцы конкретных волоконных систем наблюдения и визирования спектрального типа.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Исследование основных закономерностей построения ВОСН с бесструктурным изображением на основе спектрального метода обработки передаваемого изображения. Разработка ВОСН спектрального типа с увеличением Г > 1.

2. Создание новой элементной базы для ВОСН, в том числе и для систем спектрального типа, - жгута « двойного)> разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон, волоконно - оптические преобразователи формы и индикатрисы.

3. Разработка новых способов повышения качества изображения, передаваемого ВОСН:

- способ внеапертурной засветки входного и выходного торцов волоконного элемента;

- способ люминесцентного высвечивания структуры;

- способ засветки матированных оболочек.

4. Создание бесструктурных волоконно-оптических систем наблюдения и визирования на основе спектрального метода и новой элементной базы волоконной оптики.

выводы

1. Впервые, на основании экспериментальных и теоретических исследований изучены основные закономерности построения волоконных оптических систем наблюдения (ВОСН) с бесструктурным изображением за счет использования спектрального метода обработки передаваемого изображения. Показано, что при засвечивании спектром более 30 единичных световодов разрешающая способность ВОСН повышается более чем в 2,5 - 3 раза, а предельный контраст наблюдаемых объектов уменьшается с 0,3 до 0,05 - 0,07. Впервые показана принципиальная возможность построения ВОСН спектрального типа не единичного увеличения.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования по точности передачи угловых координат ВОСН спектрального типа. Показано, что спектральный метод обработки передаваемого изображения позволяет в 2- 2,5 раза уменьшить ошибку в передаче визирной марки .

3. Впервые получены аналитические зависимости для разрешающей способности протяженных систем типа «жгут + жгут».

4. Впервые предложена , исследована и внедрена в практику волоконно-оптического приборостроения, в том числе и в системы спектрального типа, новая элементная база: жгут " двойного " разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон (ЖРЖВ), волоконно-оптические преобразователи формы и индикатрисы.

5. Впервые предложены и исследованы эргономические способы повышения качества изображения , передаваемого ВОСН : способ внеапертурной засветки входного и выходного торцов волоконного элемента способ люминесцентного высвечивания структуры; способ засветки матированных оболочек.

6. Выполнен значительный цикл теоретических и экспериментальных исследований , связанных с разработкой, созданием и внедрением в практику оптического приборостроения волоконно-оптических систем наблюдения и визирования с бесструктурным изображением , обеспечивающих решение следующих задач:

- повышение точности визирования личным составом ВГМ; повышение надежности объектов ВГМ за счет создания систем дублирования и резервирования основных комплексов управления и возможности оптического обмена информацией между членами экипажа;

193 улучшение и обеспечение кругового статического обзора из замкнутого объема в сложных компановочных условиях.

7. Предложены и изготовлены волоконно-оптические элементы нового типа: ж[\т «двойного» разрешения, жесткие регулярные жгуты волокон, и волоконно-оптические формирователи формы и индикатрисы.

8. Разработаны оригинальные методы повышения качества изображения, передаваемого ВОСН, основанные на физиологии восприятия оператором малоконтрастных объектов на фоне контрастного побочного раздражителя - макромозаичной структуры волоконного элемента.

9. Исследован и впервые внедрен в практику отечественного волоконно-оптического приборостроения спектральный метод обработки передаваемого ВОСН изображения для систем с увеличением Г > 1.

10. В результате проведенных исследований при непосредственном участии автора выполнены разработки ряда приборов наблюдения и визирования на основе волоконной оптики со спектральной обработкой передаваемого изображения, большая часть которых использована предприятиями оптико-механической промышленности при модернизации существующих систем, что подтверждается «Актами технического внедрения» и другими документами (см. приложения 6-15).

1. Koster C.J./Wavelength Multiplexing in Fiber Optics. Journail in Optical Society of America. 1968, v.58, №1, p.63 70.

2. Войнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. Л.Машиностроение, 1969. 312 с.

3. Капани Н.С. Волоконная оптика/Пер. с англ.; Под ред. Вейнберга В.Б. и Саттарова ДК. М.: Мир, 1969, 464 с.

4. Балаев В.И., Мишин Е.В., Пятатин В.И. Воолоконно-оптические датчики парамертов физических полей (обзор) // Квант. Электроника. 1984. т. 11. № 1, с. 10-30.

5. Калмыков И.В., Корзинкин B.C., Кузьмин В.И. Волоконно-оптические интерфейсы для вычислительных систем // Радиотехника. 1982. Т.37 № 2. с.72 78.

6. Марков П.И., Кеткович A.A., Саттаров Д.К. Волоконно-оптическая интроскопия. Л.: Машиностроение, 1987. 286 с.

7. Рождественский Ю.В., Саттаров Д.К. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике. М.: Машиностроение, 1977. 168 с.

8. Кеткович A.A., Дубицкий А.Г. Оптическая и СВЧ дефектоскопия. М.: Машиностроение, 1981. 52 с.

9. Демченков В.П., Дерюгин Л.Н.,Чекан A.B. Передача двумерных и цветных изображений по одиночному волокну методом спектральной развертки// Радиоэлектроника. 1983. т.26.№ 5. с.89-90.

10. Афанасьев Ю.И., Деревягин А Н , Саттаров Д.К. Перспективы применения трубок с волоконно-оптическими окнами// ОМП. 1970. № 3 с.66 67.

11. Вейнберг В.Б. Волоконная оптика в СССР// ОМП. 1967. № 11 с.48-51.

12. Богаченко В.А., Саттаров Д.К., Шкунов В.А. Осциллографические электронно-лучевые трубки с волоконно-оптическим окном// ОМП. 1971. № 7. с.51-53.

13. Саттаров Д.К. Волоконная оптика. Л. Машиностроение. 1973. 280 с.

14. Бутслов М.М. (редактор). Каскадные электронно-оптические преобразователи и их применение. М.: Мир. 1965. 98 с.

15. Голубь Б.И., Кеткович A.A. Волоконно-оптические каналы оптико-электронных приборов. Учеб. Пособие для вузов. М.: МИРЭА. 1982. 115 с

16. Вейнберг В.Б., Эстрин П.И. Исправление кривизны изображения, создаваемого концентрическими системами, с помощью волоконных деталей //ОМП. 1967, № 7. С. 16 19.

17. Гончаренко E.H., Осипова Л.П. Применение волоконных световодов в наблюдательных приборах// ОМП. 1979.№ Ю.сю 39-41.

18. Вейнберг В.Б. и др. Повышение качества изображения в волоконных эндоскопах// ОМП. 1977. № 8. с. 11 14.

19. Андрушко Л.М., Вознесенский В. А., Каток В.Б. и др. Справочник по волоконно оптическим линиям связи. Под ред. Свечникова C.B. и Андрушко Л.М. К.: Тэхника. 1988. 239 с.

20. Трофимова Л.С. Кандидатская диссертация// ОНТИ ГОИ. 1974.

21. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир. 1970 364 с.

22. Такео Коязу, Митухиро Токухира "Эндоскоп". Франция. Патент № 2. 193. 568 от 23.07.1973.

23. Котельников В.А., Харкевич A.A. Теоретические основы радиосвязи. М.: Гостехиздат. 1957. 347 с.

24. Бианки H.A., Михеев П.А.// ОМП. 1980. № 8 . 37 с.

25. Михеев П. А.// ОМП. 1973. № 4. 60 с.

26. Михеев П. А.// ОМП. 1975. № 5. 51 с.

27. Вифанский Ю.К.// ОМП. 1970. № 1. 18 с.

28. Кравков C.B. Глаз и его работа. М.-Л. Изд. АН СССР, 1950. 240 с.

29. Вайсберг А. Физические методы органической химии. Т.4.М.: Изд. иностр. лит., 1955, 233 с.

30. Лейкин М.В., Денисюк Ю.Н.// ОМП. 1956. №3.18 с.

31. Луизов A.B. Инерция зрения. М.: Оборонгиз. 1961ю с. 107 113.

32. Саттаров Д.К. и др.// ОМП. 1970. № 10 . с. 44 47.

33. Петров М.П. и др. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и оптической обработке информации. Л.: Наука. 1983. 267 с.

34. Думаревский Ю.Д. и др. Преобразование изображения в структурах полупроводник диэлектрик. М.: Наука. 1987. 176 с.

35. Голубь Б.И., Кеткович A.A. Волоконно-оптический канал оптико-электронных приборов. М.: МИРЭА. 1982. 115 с.

36. Kapany N. Electro-optical systems using fibre optics. Optica Acta. 1960. 7. p.201 -217.

37. Dolon R.J., Niclas W.F.Gain and resolution of fiber optic intersifier. Proc. Image. Intersifier Simp. FortBelvoir. NASA. Sp-2, oct. 24-26. 1961. H. 93-103.

38. Siegmunt W.P. Fiber optics and optical engineering. Academic Press., New York and London. 1967.

39. Свешников A.A. Основы теории ошибок. ЛГУ. 1972. 60 с.

40. Валюс H.A. Растровая оптика. М: изд. технико-теоретической литературы. 1949. 470 с.

41. Гершун A.A. Избранные труды по фотометрии и светотехнике. М: Физматгиз. 1958. 548 с.

42. Мешков В.В. Основы светотехники. ч.П . М. Л.: Госэнергоиздат. 1961.416с.

43. Гершун A.A. Принципы и приемы световой маскировки. М. Л.: АН СССР. 1943. 160 с.

44. Отчет о работе. 2-13-03-56/57. ГОИ. ОНТИ. 1957.

45. Проектирование оптических систем. Пер. с англ./Под ред. Р.Шеннона, Дж. Вайанта. М.: Мир. 1983. 432 с.

46. Луизов A.B. Глаз и свет. Л.: Энергоатомиздат. 1983. 140 с.

47. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. М.: Советское радио. 1971. 336 с.

48. Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фаиченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях. М.: Наука. 1978. 431 с.

49. Лунткина A.A.// ВОТ. Сер.Х. вып.30. 1970. 33 с.

50. Карманов С.М., Лебедева Н.И., Шершакова И.В., Хомяков А.Н.// ОМП. 1982. №2 17 с.

51. Алексеев Ю.В., Веселова Е.К., Кушпиль В.И.// ОМП. 1979. № 7. 13 с.

52. Волоконно-оптические линии связи. Материалы I Всесоюзной конференции. М. 1977. в.2. ч.З. 106 с.

53. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.: Машиностроение. 1973. 189 с.

54. Голубев П.Г., Эдельштей Ю.Г. Оценка контрастного разрешения преобразователей изображения по частотно-контрастной характеристике ВОТ. серия X 1983. вып. 3. с. 38-39.

55. Марр Д. Зрение. М.: Радио и связь. 1987. 399 с.

56. Чупраков А.Т.//Вестник офтальмологии. 1940. Вып. 5. Т.XVII. с. 680 685.

57. TW |\Uw-Yo*.k TUESDAY, 2S, 438<3r.

58. Слюсарев Г.Г. Расчет ovo-ических. систем, Д., Машиностроение,

59. Патент США №3740115 от 19.06.1973г.

60. Ландсберг Г.С. Оптика.М.:Наука. 1976г. с.205,225.

61. Агроскин Б.И.,Галай В.И. и др.//Гироскория и навигация, №3(14), 1996,с. 39-45.

62. Вифанский Ю.К. и др.//ВОТ, серия X, 1977, вып. 108, с. 57-62.

63. Куковеров В.В.//ВОТ, серия Х,1987,вып.9, с.46-50.

64. Марголин И.А. и др. Основы инфракрасной техники. М.: Мир, 1957, 221с.

65. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ОТРАЖАЮЩИЙ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

66. Пуйша А.Э., Михеев П.А. Исследование спектрального метода снятия структуры в изображении, передаваемом волоконными элементами. ОМП, 1982, №12, с. 17-19.

67. Пуйша А.Э., Садко Н.П. Применение волоконно-оптических элементов в военной технике. ЗВТ, 1982, серия VII, вып. 1(13), с. 34-38.

68. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Ершов A.B. ВОТ, 1982, серия X, вып.3(179), с. 19-21.

69. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Николаева В.К., Сторожев Ю.В. Влияние световых условий на наблюдение через волоконно-оптические системы Светотехника, 1983, № 10, с. 11-13.

70. Пуйша А.Э., Кутасов В.А., Михеев П.А., Садко НП. Влияние неравномерности светопропускания волоконного элемента на контраст изображения. ОМП, 1984, № 7, с. 20-23.

71. Пуйша А.Э. Влияние на разрешающую способность волоконных эндоскопов контраста наблюдаемого предмета. Труды конференции « Всесоюзная конференция «Теоретическая и прикладная оптика 84», Ленинград, 1984, с. 196.

72. Пуйша А.Э., Садко Н.П. Неравномерность светопропускания волоконно-оптических элементов. Труды конференции « Всесоюзная конференция «Теоретическая и прикладная оптика 84», Ленинград, 1984, с. 206.

73. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Николаева В.К. Наблюдение через волоконно-оптические системы с усилителями яркости изображения, Светотехника, 1985, №7, с. 9-11.

74. Пуйша А.Э., Маргунова Т.Г., Михеев П.А. Волоконный прицел-дублер со спектральной обработкой изображения. ВОТ, 1986, серия 10, вып.1(213), с. 25-28.

75. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Кузовая В.Л. Садко Н.П. Функция контрастного разрешения гибких волоконных элементов, ОМП, 1987, № 12, с. 13-15.

76. Пуйша А.Э. и др. Оптико-электронные системы наблюдения и локации для обеспечения безопасности транспортных средств. Труды конференции « Международная научно-техническая конференция. «Транском 97», г. Санкт-Петербург, 1997. с.22.

77. Pujsha А.Е., Yevsikova L.G. Nools of measuring visibility of through aerosol media. Proceedings of the Fourth International Aerosol Symposium. St-P. 1998, v. 4a, № 11, p. 51- 52.

78. A.c. № 1472858 от 15.12.1988 г. Способ уменьшения заметности мозаичности волоконных деталей и устройств для его осуществления. Пуйша А.Э., Михеев П.А., Кузовая В.Л., Бюл. № 14.

79. A.c. № 1500966 от 15.08.1989 г. Способ и устройство уменьшения заметности структуры и дефектов волоконных элементов. Пуйша А.Э., Васильева Л.В., Бюл. № 30.

80. A.c. № 1727158 от 15 11.1991 г. Способ высвечивания экрана. Пуйша А.Э., Васильева JI.B., Бюл. № 14.

81. Патент №2140623 от 11.08.1997г. Способ изготовления рельефных рисунков на сферических поверхностях и устройство для его осуществления. Пуйша А.Э. и др., Бюл. № 30.

82. Патент №2147760 от 28.04.19987г. Прибор статического обзора. Пуйша А.Э.и др., Бюл. №11.

83. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕосударственный научный центр российской федерацииэ ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР»*

84. Условия проведения испытаний: ЫДЗ = 1,8 2 км, сплошная облачность, пурга.

85. Авторы: Пуйша А.З., Михеев П.а.

86. Данный способ реализован :i \ устройстве п в ол оконно-оптиче с-кая приставка", изготовленной па предприятии я/я P-668I и переданного и зкся.1уатацию ОТУ ГУ1Ц Леноблгориелолкома.

87. Настоящий акт составлен в том, что предприятием п.я. А-7453 согласно тлг предшриятия п.я. В-8402 исх.ШЮ/1974 от 4Л2„85г. изготовлены призмендае приборы ТНПЗЭ и коллиматоры К3( блот прибор "Нарцисс") о призмами спектрального разложения.

88. Проверка работоспособности,

89. Проверка оптических параметров, при змеиного прибора (методика ГОСТ BI7724-8I).

90. Сопротивление изоляции-дризменного прибора' (методика п.2.5.2 ОСТ {33-5QI8-8I).

91. Прочность при воздействии синусоидальной вибрации (методам п.2.3.1 ОСТ 133-5018-81).

92. Воздействие механических ударовметодика п.2.3.3 ОСТ B3-5QI8-8I). ' - ■

93. G. Зоудойотвие повышенной температуры (детедпка п.2.4.2 ОСТ БЗ-5018-81).7. воздействие пониженной температуры на призмеяный прибор (методика п.2.4.3,2.4.3.1 ОСТ B3-50I8-8I).