Общие вопросы схемного построения оптических систем МОЭС с матричными многоэлементными приемниками излучения
План
1. Способы выделения рабочих спектральных диапазонов
2. Требования к оптическим системам МОЭС и пути их выполнения
3. Видеоспектрометры «смотрящего» типа (видеоспектрометры с матричными МПИ)
4. Томографические видеоспектрометры
5. Спектрополяриметрические многодиапазонные оптико-электронные системы (видеоспектрополяриметры)
6. Некоторые особенности оптической калибровки и корректировки спектральных каналов двух- и многодиапазонных ОЭС
Список литературы
1. Способы выделения рабочих спектральных диапазонов
Простейшей схемой построения двух- и многодиапазонных ОЭС является механическое объединение двух или более автономных систем, каждая из которых имеет свои отдельные оптическую систему и приемник излучения, обеспечивающие работу в определенных спектральных каналах (рис.4,а). спектральный диапазон оптикоэлектронный многоканальный
В таких системах легче обеспечить высокое (близкое к предельному) пространственное разрешение во всех рабочих спектральных диапазонах. Например, в них проще решить проблему ахроматизации во всех рабочих диапазонах за счет раздельной хроматической коррекции объективов отдельных спектральных каналов. Кроме того, в таких схемах можно сравнительно легко выбирать расположение спектральных поддиапазонов и управлять их шириной, например, с помощью интерференционных фильтров.
Известны такие двухдиапазонные ОЭС, работающие в видимом и длинноволновом ИК участках спектра и выпускаемые как у нас в стране (система «Орлан» ЦНИИ «Циклон», состоящая из дневного, низкоуровнего телевизионного и тепловизионного каналов [11], макеты двухдиапазонных и трехдиапазонной обзорно-поисковых систем Конструкторско-технологического института прикладной микроэлектроники СО РАН, работающие в видимом, ближневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах [7]), так и за рубежом (разработки фирм “EMX Inc., Thermoteknix Systems Ltd., Digital Imaging Infrared and Infrared Inc.) [81,98,117 и др.].
Часто угловые поля отдельных оптических каналов таких систем разделены, а совмещение изображений осуществляется программными средствами в электронном тракте ОЭС. Принципиальной особенностью этих ОЭС является различие параллактических углов (углов между направлением на визируемый объект и оптическими осями отдельных каналов, которые чаще всего параллельны между собой), приводящее к различным смещениям изображения одного и того же объекта в плоскостях чувствительного слоя приемников излучения, используемых в каналах системы. Если совмещение изображений и достигается аппаратно-программными средствами, то оно действует только для определенного расстояния до объекта или в пределах ограниченной глубины поля изображаемой сцены. Пренебречь параллаксом можно в тех случаях, когда база наблюдения - расстояние между параллельными друг другу оптическими осями объективов различных каналов МОЭС гораздо меньше расстояния до наблюдаемого объекта и его изображения в этих каналах строятся на идентичных пикселах МПИ.
Не менее известны системы с одним объективом и сменными оптическими фильтрами, заключенными, например, в поворотную оправу (рис.4,б). Здесь также можно легко управлять спектральными характеристиками отдельных каналов. Однако, наличие подвижных деталей в такой системе является ее недостатком. При использовании этой схемы возможны затруднения с обработкой и интерпретацией получаемой спектральной информации при временных и пространственных сдвигах изображений наблюдаемых сцен, происходящих при переходе от одного спектрального поддиапазона к другому. Такие сдвиги возможны из-за нестационарности сцены и отдельных ее участков, взаимного перемещения сцены и МОЭС, например, при размещении МОЭС на подвижном основании, несовершенства механизма смены фильтров и ряда других факторов. При нестационарности сцены и ее положения относительно МОЭС необходимо увеличивать частоту опроса и переключений спектральных каналов, т.е. частоту кадров, что усложняет конструкцию как оптико-механического блока, так и электронного тракта МОЭС, а также повышает требования к МПИ и ФПУ.
Неоднократно предлагались схемы построения МОЭС, работающих в видимом, ближнем и длинноволновом ИК-диапазонах, в которых использовались различные объективы или объектив с единым входным компонентом и последующими спектроделительными (цветоделительными) оптическими элементами (рис.4,в) в сочетании, например, с ПЗС-приемником в видимом диапазоне, ЭОП в ближнем ИК-диапазоне и неохлаждаемым микроболометрическим МПИ в длинноволновом ИК-диапазоне [163]. Известны также системы, построенные по такой схеме и объединяющие низкоуровневый телевизионный монохроматический канал и канал с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), работающий в ближнем ИК-диапазоне (см. например, [19]).
Обладая высоким разрешением, ПЗС видимого диапазона имеет высокую чувствительность, но не может обеспечить наблюдение сквозь туман, пыль, дым, листву и в темноте. Канал с ЭОП имеет меньшее, хотя и довольно высокое разрешение и обеспечивает работу МОЭС вечером, в лунную и звездную ночь, хотя также не «видит» сквозь отмеченные выше преграды, а кроме того «слепнет» при вспышках света. Микроболометрический МПИ, чувствительный к контрасту температур и излучательных способностей наблюдаемых объектов, позволяет «видеть» через туман и дымы, однако имеет меньшие пространственное разрешение и пороговую чувствительность, чем ПЗС-приемник и ЭОП.
На рис.5 показана структурная схема двухдиапазонной ОЭС с общим для двух спектральных каналов первым компонентом и спектроделителем СД. Компоненты К2 и КЗ служат для коррекции качества изображения в каждом из каналов и согласования параметров объектива и МПИ 1 и 2, применяемых в системе. В качестве системы отображения СО может использоваться дисплей или телевизионный монитор, на экране которого формируется видимое изображение, наблюдаемое глазом Г. Очевидно, что наиболее трудно подобрать оптический материал (материалы) для первого компонента К1, который должен пропускать излучение во всех спектральных каналах (диапазонах) MОЭС. По этой причине часто предлагается делатъ первый компонент полностью зеркальным. Компоненты К2, КЗ и подобные им в многоканальных системах работают в сравнительно узких участках спектра, т.е. выбор материала для них менее критичен, а коррекция хроматических аберраций проще.
В системах, схемы которых представлены на рис.4,а,б,в, уже сегодня достигается близкое к оптимальному для каждого спектрального диапазона разрешение, определяющее размер пиксела МПИ (или определяемое этим размером). Однако существенные различия в размерах пикселов различных приемников вызывают сложности при «попиксельном» объединении изображений, получаемых в разных участках спектрах, обеспечении единого размера и формата изображений, применении единых алгоритмов и электронных схем для обработки этих изображений и передачи их на единую систему отображения. При использовании в МОЭС нескольких МПИ необходимо проводить тщательную юстировку их взаимного положения, например, для устранения разворота осей координат чувствительного слоя. Для этих схем важна стабильность угловых полей объективов МОЭС, сохранение высокого пространственного разрешения оптической системы во всех рабочих спектральных поддиапазонах, постоянство согласования параметров и характеристик оптической системы и МПИ при переходе от одного поддиапазона к другому. Для раздельных оптических систем в составе единой МОЭС (рис.4,а,в) важным является устранение параллакса, возникающего из-за того, что объекты могут наблюдаться этими системами под разными углами. (В системах, наблюдающих малоразмерные удаленные объекты, этот параллакс невелик, и часто им можно пренебречь.)
Схемам с раздельными объективами (рис.4,а,в) присущи сравнительно большие габариты, сложность юстировки, необходимость иметь большое количество оптических компонентов и МПИ. В случае использования охлаждаемых МПИ трудности конструирования таких систем, как и их стоимость, обычно резко возрастают, а надежность эксплуатации снижается. В этих системах не только идентичность изображений, получаемых в разных спектральных поддиапазонах, порою трудно достигается, но и обработка в целях фильтрации полезного сигнала на фоне помех может оказаться сложнее, чем в МОЭС с единой для всех диапазонов оптической системой или в МОЭС с одним двух- или многодиапазонным МПИ (рис.4,г)
В МОЭС с двух- или многодиапазонным МПИ значительно легче обеспечить одновременную или практически одновременную работу МОЭС во всех спектральных диапазонах, т.е. работу в реальном масштабе времени. При наличии одного объектива легче обеспечивается взаимная юстировка оптической системы и МПИ, а также геометрооптическое согласование пикселов отдельных каналов. За счет упрощения конструкции повышается ее надежность, снижаются требования к системе охлаждения, и, с учетом успехов современной технологии изготовления МПИ, уже можно говорить о заметном снижении стоимости таких МОЭС. Однако, в схемах с отдельными узкополосными оптическими фильтрами (рис.4,а,б,в) легче управлять расположением и шириной узких спектральных поддиапазонов, чем в системах, работающих по схеме рис.4,г.
Интересную схему разделения спектрального диапазона 2,1…4,7 мкм на четыре поддиапазона предложили авторы [135]. В ней сочетаются признаки двух схем, представленных на рис.4,а и в. Четыре одинаковых объектива - асферические линзы из ZnSe с диаметром 5 мм и диафрагменным числом 2,7 собирают излучение с единого углового поля 200, т. е. с одной и той же части пространства объектов (сцены), на отдельные квадранты, площадью 128 х 128 пикселов каждый, чувствительной площадки МПИ на базе КРТ с общим форматом 256 х 256 пикселов. Перед каждым квадрантом МПИ устанавливается свой узкополосный фильтр. Фильтры выделяют полосы 2,1…2,3; 2,7…3,1; 3,6…4,0 и 4,5…4,7 мкм, т.е. образуют рабочие спектральные диапазоны системы. Граничные зоны квадрантов МПИ - примерно 3…5 строк и столбцов - не используются для съема сигналов в целях предотвращения перекрестных связей. На рис.6 показано сечение оптической схемы в одной из ортогональных плоскостей ее построения, т.е. показаны два из четырех спектральных каналов. Здесь: 1 - входное окно камеры охлаждения (сосуда Дьюара), наклоненное для исключения эффекта Нарцисса; 2ґ и 2Ѕ - объективы спектральных каналов; 3ґ и 3Ѕ - оптические фильтры спектральных каналов; 4ґ и 4Ѕ - два квадранта единого МПИ.
В МОЭС, названной Multiview, где используется такая схема, требуется тщательная юстировка оптико-механического узла и МПИ, с тем чтобы обеспечить идентичность расположения всех четырех изображений одной и той же сцены на пикселах отдельных квадрантов МПИ. Кроме того, в ней предусмотрено использование специальной бленды для предотвращения перекрестных изображений, строящихся на квадрантах МПИ, а также охлаждаемых диафрагм.
Как указывают авторы [135], для обеспечения высокой точности определения пространственных координат излучающих объектов и точной радиометрической «привязки» к отдельным участкам просматриваемой сцены допуск на выставку оптических осей у четырех объективов должен лежать в пределах ±0,1…0,25 пиксела по каждой из декартовых координат МПИ, а взаимный разворот осей координат в отдельных спектральных каналах (квадрантах) системы не должен превышать ±0,10.
В отдельные каналы оптической схемы Multiview могут быть введены поляризационные фильтры с различной линейной поляризацией проходящего через них излучения. Это расширяет круг возможных применений системы.
В такой системе, как и в других МОЭС, важно добиваться компенсации или учета различий в оптических характеристиках материала объективов и чувствительности МПИ в отдельных рабочих спектральных диапазонах, в частности, проводить тщательную коррекцию хроматических аберраций объективов. Учитывая существенное различие в сигналах, принимаемых МПИ в отдельных каналах системы (в числах фотонов в каждом узком спектральном диапазоне), приходится компенсировать эти различия, например, изменяя пропускание оптических каналов или изменяя время накопления зарядов в пикселах ФПУ, принимающих сигналы в этих каналах.
Помимо оптических схем, представленных на рис.4,в, МОЭС, для разложения в спектр приходящего излучения и выделения рабочих диапазонов часто используются схемы с диспергирующими призмами или дифракционными решетками и интерферометры.
На рис.7 в качестве примера приведена схема с дифракционной решеткой. Выделение отдельных спектральных диапазонов в такой схеме может производиться как путем поворота диспергирующего элемента - дифракционной решетки и ввода выходной щели, вырезающей различные порядки спектра (рабочие спектральные диапазоны), так и установкой сменных полосовых фильтров или использованием многодиапазонных МПИ, помещенных в плоскости изображения входной щели монохроматора. В этих схемах предусматривается ввод калибровочных (эталонных излучателей в плоскости входной щели монохроматора или в другом месте с оптическим сопряжением их с этой щелью. В таких МОЭС применяется либо один МПИ, имеющий широкую спектральную характеристику, перекрывающую все рабочие диапазоны системы (широкодиапазонный МПИ), либо несколько приемников. Иногда вместо сменных фильтров в сочетании с одним широкодиапазонным МПИ применяется один оптический фильтр с перестраиваемой в реальном масштабе времени спектральной характеристикой (см. ниже о спектрополяриметрических МОЭС). К сожалению, создание таких МОЭС затруднено из-за отсутствия достаточно простых и перестраиваемых в широком спектральном диапазоне оптических фильтров.
В подобных схемах часто приходится бороться с наложением различных порядков дифракционной картины друг на друга, т.е. с наложением спектров, соответствующим этим порядкам. На спектр в области первого порядка, которому соответствует длина волны (узкий участок спектра) л1, могут накладываться спектры более высоких n-ых дифракционных порядков с длинами волн л1/n, где n - целое число. Для исключения наложения приходится принимать специальные меры, например, использовать схемы со скрещенной дисперсией, в которых разделение перекрывающихся порядков осуществляется вводом дополнительного диспергирующего элемента - призмы, у которой направление дисперсии перпендикулярно направлению дисперсии дифракционной решетки. Это заметно усложняет конструкцию монохроматора.
В настоящее время в МОЭС с МПИ в качестве диспергирующих устройств стали часто использоваться интерференционные устройства на базе сканирующих Фурье-спектрометров (ФС), обладающие высоким спектральным разрешением. В качестве диспергирующего элемента монохроматора в ФС используется интерферометр (обычно двухлучевой интерферометр Майкельсона), в котором разделение интегрального потока, поступающего на вход, на монохроматические составляющие осуществляется при изменении разности хода лучей в его ветвях путем перемещения одного из зеркал интерферометра вдоль нормали к поверхности зеркала. При постоянной скорости этого перемещения в плоскости чувствительного слоя приемника, где локализуется интерференционная картина (интерферограмма), частота изменения потока излучения пропорциональна частоте электромагнитных колебаний, образующих поток, т.е. длине волны или волновому числу монохроматического излучения. Фурье-преобразование интерферограммы дает информацию о спектральном составе приходящего на вход интерферометра излучения. Детектируя образующийся на выходе приемника частотно-модулированный сигнал, можно получить совокупность электрических сигналов, отображающих монохроматические составляющие потока, приходящего на вход интерферометра.