- влияние центрального экранирования на ФПМ заметнее при увеличении длины волны излучения;
- температурные аберрации заметнее сказываются в диапазоне 8… 12 мкм, нежели в видимом диапазоне спектра (значение ФПМ на fх = 10 мм-1 в два раза уменьшается относительно fх = 0 при температурах + 200С, + 700С и - 300С). Природа такого спада в [121] не раскрывается, и можно предположить, что он объясняется не только недостаточной атермализацией, т.е. термоаберрациями, но и влиянием рассеянного теплового излучения деталей оптической системы и других элементов конструкции;
- влияние качества обработки оптических преломляющих и отражающих поверхностей заметнее сказывается в видимой и коротковолновой ИК частях спектра, что, в общем, вполне объяснимо с точки зрения рассеяния излучения на микронеровностях этих поверхностей; при средних квадратических значениях высот этих микронеровностей порядка 3 нм, что характерно для тонкого алмазного точения деталей из алюминия, рассеяние на длине волны 0,5 мкм составляет 0,5%, а в диапазоне 8… 12 мкм пренебрежимо мало. Поэтому финишная полировка после точения целесообразна лишь в тех случаях, когда одним из рабочих диапазонов является видимый и ближний ИК (0,76… 1,7 мкм) диапазоны;
- серебрение с защитным слоем отражающих поверхностей, полученных алмазным точением, оказывается эффективным для всего оптического диапазона спектра.
Используя для ахроматизации линзы, изготовленные из трех различных материалов (германий, халькогенидное стекло и хлористый кальций), фирме Janos Technologies, Inc. удалось разработать пятилинзовый объектив, обеспечивающий высокое качество изображения в области 3…12 мкм [18]. Фокусное расстояние объектива - 50 мм, угловое поле - 24о, диафрагменное число - 2,
Все большее распространение получают двухдиапазонные ОЭС, в которых один из каналов работает в видимом или ближнем ИК-диапазоне, а другой - в длинноволновом ИК участке спектра. В дополнение к требованию иметь хорошее пропускание в широком спектральном диапазоне у объективов, используемых в таких ОЭС, в случае работы в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне неохлаждаемого МПИ (чаще всего микроболометра) к объективу системы предъявляются дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с охлаждаемыми фотонными МПИ, чувствительности неохлаждаемых МПИ требуется применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными отверстиями D/fґ (малыми диафрагменными числами K=fґ/D), состоящие из небольшого числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов чувствительного слоя МПИ (микроболометров) и увеличения их числа (увеличение формата МПИ), качество изображения, создаваемого такими объективами, должно быть достаточно высоким. Несмотря на увеличение D/fґ, а часто и углового поля объективов, требуется не усложнять их конструкцию. В качестве примера можно привести требования к работающим в диапазоне 8…12,5 мкм объективам ряда перспективных разработок компании Raytheon, использующих микроболометры формата 320х240 с размерами пикселов 50 мкм [162]:
фокусное расстояние fґ - около 23 мм;
диафрагменное число К = 1,0…1,2;
угловое поле - 300х400;
задний отрезок - 7 мм;
глубина изображаемого пространства - от 0,5…3 м до бесконечности;
коэффициент пропускания (средний в диапазоне 8…12,5 мкм) - 0,85;
атермализация в диапазоне температур от -200С до +550С;
спад функции передачи модуляции относительно нулевой пространственной частоты f0=10 лин/мм: по центру поля - не более 60%, по краю поля - не более 40%;
количество линз - не более 3-х.
Руководствуясь этими и рядом других требований, фирма Zybron, Inc. (ФРГ) разработала ряд трехлинзовых объективов с фокусными расстояниями от 8,5 до 150 мм и угловыми полями от 10,50х140 до 43,50х580. Отдельные компоненты объективов были изготовлены из поликристаллов ZnS, ZnSe и инфракрасных стекол [162]. Применение этих материалов позволило уменьшить вдвое стоимость линз, по сравнению с линзами из Ge. В [162] кратко описывается технология получения этих оптических материалов (горячее прессование заготовок с диаметром до 500 мм), а также просветление деталей из них, обеспечивающее работу в 3-х спектральных диапазонах (1…2,6; 3…5 и 8…12 мкм) без применения специальных коротковолновых и длинноволновых отсекающих оптических фильтров.
Облегченная и сравнительно дешевая двухдиапазонная ИКС, в которой используется цветная ПЗС и микроболометр компании Raytheon формата 160х120 (или 320х240) с размером пикселов 50 мкм, а также дешевый микропроцессор Altera, обеспечила хорошее качество изображения и была рекомендована для использования в нашлемных ИКС, в прицелах ручного оружия и в ряде других военных и гражданских применений [99].
В [106] описывается оптическая система, работающая одновременно в диапазоне 3,6…4,9 мкм и на длине волны 1,06 мкм. Оба изображения поступают на МПИ с чувствительным слоем из InSb. Система состоит из трехлинзового объектива с фокусным расстоянием 275 мм, диафрагменным числом 3,6 и угловым полем 20 , все линзы которого выполнены из ZnS, блока из двух плоскопараллельных пластинок из ZnSe и трехлинзового компонента с линзами из ZnSe, предназначенного для переноса изображения из фокальной плоскости объектива на чувствительный слой охлаждаемого МПИ. Для устранения хроматизма в диапазоне 3,6…4,9 мкм используются две дифракционные поверхности - задняя поверхность блока плоскопараллельных пластинок, на которой вытравливаются 23 дифракционные зоны со средней плотностью размещения 0,8 зоны на один мм, и последняя поверхность (асферическая) трехлинзового компонента переноса, на которой алмазным точением наносятся 9 зон со средней плотностью их размещения 1,5 зоны/мм. Первый порядок дифракции для этих поверхностей образуется для длины волны (референтной) 4,24 мкм, а четвертый порядок дифракции приходится на 1,06 мкм. Передняя поверхность блока плоскопараллельных пластинок с помощью травления также выполняется в виде дифракционной структуры, содержащей около 200 зон со средней плотностью их размещения 6,5 зоны/мм. Для референтной длины волны 0,85 мкм эта поверхность обладает хорошей дифракционной эффективностью (долей излучения, приходящегося на тот или иной порядок дифракционной картины) для длины волны 1,06 мкм - 86,3% (первый порядок) и для диапазона 3,6…4,9 мкм -87,3% (нулевой порядок).
Во многих случаях необходимо учитывать различные требования к относительным отверстиям, угловым полям и геометрическому разрешению каждого из спектральных каналов оптической системы, а также к размерам приемников излучения. Так, в опытном образце МОЭС, описанном в [26] и предназначенном для работы в видимом (0,4…1,1 мкм) и длинноволновом ИК (8…14 мкм) диапазонах, объектив Кассегрена - Максутова (первый компонент с диафрагменным числом К=3) дополняется корректирующими компонентами с различными увеличениями - от 1х в видимом до 3х в длинноволновом ИК-диапазоне, что обеспечивает переход от углового поля 40 к полю 1,30. Соответственно, относительное отверстие оптической системы в ИК-диапазоне равно 1:1, а в видимом 1: Это позволило использовать в спектральных каналах приемники, различающиеся по размеру чувствительного слоя в три раза. Для компенсации аберраций при переходе к большему относительному отверстию одна из поверхностей корректора выполнена асферической дифракционной.
Модульная конструкция позволяет путем перемещения оптического корректора - системы переноса изображения и приемника излучения изменять увеличение в длинноволновом ИК-диапазоне в 3 раза и тем самым обеспечивать изменение поля обзора в диапазоне 1,30…360. Корректор перемещается в диапазоне 100 мм, а приемник излучения, располагаемый в плоскости конечного изображения - в диапазоне 28 мм.
Авторы [26] полагают, что предлагаемая модульная конструкция оптической системы позволит дополнить МОЭС средневолновым ИК-каналом, а также гиперспектральным каналом (каналом высокого спектрального разрешения) без увеличения габаритов и массы аппаратуры. Кроме того, преполагается разработать комплект компактных взаимозаменяемых входных объективов.
Иногда согласование форматов изображений в разных спектральных каналах МОЭС предлагается вести в одном из каналов обработки электронных изображений, снимаемых с МПИ, т.е. вводить специальную схему в электронный тракт системы или в систему отображения [163].
3. Видеоспектрометры «смотрящего» типа (видеоспектрометры с матричными МПИ)
Видеоспектрометры позволяют получать четырехмерную информацию: по двум пространственным координатам х и у, по спектру длин волн для каждой точки (х, у), по времени t для каждой точки (х, у). Часто, особенно в видеоспектрометрах высокого разрешения с большим числом спектральных каналов, измерение или наблюдение ведутся в статическом режиме - при неизменном во времени излучении, т.е. получаемые сигналы описываются трехмерным сигналом - функцией х, у и . В таких случаях информация, получаемая с помощью видеоспектрометра, может быть интерпретирована в виде трех независимых переменных, образующих так называемый информационный куб. Два ребра куба соответствуют двум ортогональным осям пространственных координат х и у, в которых строится изображение просматриваемого пространства, а по третьей ортогональной оси ведется разложение изображения по длинам волн или соответствующим им волновым числам . Значение модуля вектора для каждой точки внутри куба дает информацию о спектрорадиометрической характеристике точки с координатами (х,у,). Для анализа монохроматической яркости в различных точках сцены можно осуществлять пространственную выборку в этих точках, «вырезая» из куба слой с интересующей нас длиной волны . Такая выборка может осуществляться путем оптико-механического или электронного сканирования. В видеоспектрометрах, строящих изображения в трехмерной системе (x,y,л), спектральная информация собирается со всего поля, наблюдаемого системой.
Путем разделения оптической системы видеоспектрометра на отдельные для каждой составляющей вектора поляризации каналы можно получить информацию о состоянии поляризации излучения для разных длин волн в точках (х, у). Такие приборы называют видеоспектрополяриметрами. В таких случаях говорят о четырехмерном информационном объеме (пространстве), принимая за четвертую независимую переменную вектор Стокса (показатель вектора Стокса) j, характеризующий состояние поляризации излучения, образующего изображение. Величина j может принимать только одно из четырех целочисленных значений (от 0 до 3).
В видеоспектрометрах с диспергирующими элементами - призмами или дифракционными решетками происходит пространственное разделение спектрального состава приходящего на вход прибора потока с выделением отдельных узких диапазонов с помощью щелевой дафрагмы (щели).
В первых конструкциях видеоспектрометров использовались преимущественно сканирующие системы - двумерные оптико-механические или на базе одномерных многоэлементных приемников (линеек), сканирующих пространство объектов или их изображений. Одним из их недостатков являлось низкое быстродействие, особенно при необходимости иметь большое число спектральных узкополосных каналов. Это весьма затрудняло анализ быстропротекающих процессов или явлений, обнаружение и распознавание движущихся объектов или изображений и решение других аналогичных задач.
Значительный прогресс достигнут в последние годы в связи с появлением быстродействующих мозаичных МПИ и ОЭС «смотрящего» типа, чувствительных в широком спектральном диапазоне, а также благодаря использованию методов компьютерной томографии для обработки данных, получаемых при обработке сигналов, соответствующих отдельным срезам информационного куба. Появились компьютизированные томографические видеоспектрометры CTIS (Сomputed Tomography Imaging Spectrometer) [123], работающие в трехмерном пространстве сигналов (х, у, ), и компьютерные томографические видеоспектрополяриметры, работающие в четырехмерном пространстве информационных составляющих (х, у, , j).
В [116] приведены результаты сравнительного анализа различных схем построения видеоспектрометров с точки зрения их спектральной разрешающей способности и чувствительности, оцениваемой по отношению сигнал-шум (рис.13).
Авторы [116] пришли к выводу о том, что при высоких требованиях к спектральному разрешению и наличии крупноформатных ФПУ предпочтительна схема с диспергирующими элементами. При сравнительно невысоком спектральном разрешении в схемах с перестраиваемыми фильтрами, в интерференционных Фурье-спектрорадиометрах и ФС с пространственной модуляцией обеспечивается большее отношение сигнал-шум.
Зависимости, приведенные на рис.13, получены в предположении, что основным видом шума является радиационный (фотонный) шум, обусловленный флуктуациями числа фотонов, приходящих на МПИ. Поскольку скорость прихода на приемник фотонов в интерференционном Фурье-спектрорадиометре более, чем на два порядка выше, чем в других схемах, скорость обработки данных в этом приборе должна быть большей, а время накопления зарядов в ячейках схемы считывания ФПУ, соответственно, меньше. Увеличение интегрирующих емкостей этих ячеек увеличивает фотонный шум по закону квадратного корня, а кроме того оно затруднено из-за ограничения роста размеров пикселов ФПУ, что связано со стремлением сохранить высокое пространственное разрешение МПИ и прибора в целом.
Видеоспектрометры с диспергирующими элементами и ФС с пространственной модуляцией нуждаются в ФПУ с хорошей линейностью энергетической характеристики и высокой однородностью пикселов МПИ. Поскольку видеоспектрометры с пространственными фильтрами и интерференционными Фурье-спектрорадиометрами собирают информацию во времени, в них важна стабильность линии визирования в процессе получения спектров, т.е. исключение влияния колебаний носителя аппаратуры и смаза изображения.
Можно привести параметры некоторых МОЭС с ФС.
Бортовая ОЭС «смотрящего» типа с Фурье-спектрометром Air-PIRATES, являющаяся развитием наземной пассивной ИК системы для локации и распознавания PIRATES (Passive Infrared Ranging and Target Evaluation System) [63], обладает способностью анализировать информацию со скоростью 8 спектральных диапазонов в секунду с разрешением 4 см-1, что соответствует 850 спектральным «срезам» для каждого из 64 (8х8) пикселов МПИ в диапазоне 3…5 мкм.
Модернизированная бортовая система Air-PIRATES, предназначенная для сбора информации - создания баз данных о быстро движущихся объектах военной техники, работает в диапазоне 1… 12 мкм и использует мозаичный МПИ формата 64х64 пиксела. Расширение возможностей этой системы, по сравнению с ее прототипом, стало возможным благодаря использованию оптической системы с подслеживающим зеркалом, обеспечивающим увеличение поля в 8 раз, а также применению более совершенного конденсора приемной оптической системы.
Оптическая система состоит из нескольких модулей: телескопического приемного объектива, подслеживающего зеркала, интерферометра, многоэлементного приемника излучения (МПИ) с собирающей системой (конденсором). Расположение оптических модулей перед интерферометром и МПИ может быть различным. Телескопический объектив может быть разделен на два компонента. Может использоваться и один из этих компонентов с уменьшенным увеличением, что соответственно увеличивает поле обзора системы. Кроме того, разделение приемного объектива на два компонента позволяет проще достичь нужного расположения апертурной диафрагмы, а также оптимально расположить подслеживающее (сканирующее) зеркало, которое располагается за приемным объективом и поэтому имеет небольшие габариты и массу, что позволяет обеспечить большие частоты сканирования и повысить точность подслеживания.