Оптические системы

Основу оптических систем средств наблюдения составляют объективы, которые в силу постоянства сферической кривизны поверхностей линз и оптической плотности стекла проецируют изображения с различного рода погрешностями. Наиболее заметны следующие из них:

• сферическая аберрация, проявляющаяся в отсутствии резкости изображения на всем поле зрения (оно резко в центре или по краям);

• астигматизм— отсутствие одновременной резкости на краях поля изображения для вертикальных и горизонтальных линий;

• дисторсия — искривление прямых линий на изображении;

• хроматическая аберрация — появление цветных окантовок на границах световых переходов изображения, вызванных различными коэффициентами преломления линзами объектива спектральных составляющих световых лучей.

С целью уменьшения погрешностей объективы выполняются из большого (до 10 и более) количества сферических линз с различной кривизной поверхностей. Все или отдельные группы линз склеиваются между собой. Аберрации линз существенно уменьшаются у асферических линз со сложной кривизной поверхности. Технология полировки асферических линз сложна и дорога. Выпускаются для недорогих объективов литые асферические линзы, уступающие по качеству стекла шлифованным сферическим линзам.

Возможности объективов описываются совокупностью характеристик, основными из которых являются:

• фокусное расстояние;

• угол поля зрения и изображения;

• светосила;

• разрешающая способность;

• частотно-контрастная характеристика.

Фокусное расстояние объектива представляет собой расстояние от оптической плоскости объектива до плоскости, где фокусируются входящие в объектив параллельные лучи света. По соотношению величины фокусного расстояния f объектива и длины диагонали кадра поля создаваемого им изображения d объективы делятся на короткофокусные, у которых f < d, нормальные или среднефокусные (f ≈ d), длиннофокусные и телеобъективы с f > d, а также с переменным фокусным расстоянием. Фокусное расстояние глаза человека составляет около 17 мм. Значения фокусного расстояния объективов унифицированы и принимают дискретные значения: 2,6, 3,5, 4,8, 6, 8, 12, 16, 25, 50, 75 мм и т. д.

Объектив с переменным фокусным расстоянием (панкратический) представляет собой сложную оптическую систему, в которой предусмотрена возможность смещения оптических компонентов вдоль оптической оси объектива, за счет чего изменяется величина фокусного расстояния. Величину фокусного расстояния изменяют дискретно или плавно. Дискретное изменение фокусного расстояния достигается применением афокальных насадок, уменьшающих или увеличивающих фокусное расстояние. Плавное изменение величины фокусного расстояния осуществляется перемещением отдельных линз объектива вдоль оптической оси по линейному или нелинейному закону. В зависимости от способа изменения эти объективы подразделяют на вариообъективы и трансфокаторы. Вариообъективы представляют собой единую оптическую схему, в которой изменение фокусного расстояния осуществляется непрерывным перемещением одной или нескольких линз вдоль оптической оси. Трансфокаторы состоят из насадки с переменным плавным увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием.

Сложность оптической конструкции объективов с переменным фокусным расстоянием вызвана, прежде всего, тем, что при изменении фокусного расстояния должно автоматически сохраняться положение плоскости резкого изображения наблюдаемого объекта. Добиваются этого путем оптической или механической компенсации. В первом случае кратность изменения фокусного расстояния не более 3, во втором — 6-7.

По углу поля зрения (изображения) различают узкоугольные объективы, у которых величина этого угла не превышает 30°, среднеугольные (угол в пределах 30°-60°), широкоугольные с углом более 60° и, наконец, — с переменным углом поля изображения у объективов с переменным фокусным расстоянием.

Чем больше фокусное расстояние f объектива, тем больше масштаб изображения и больше деталей объекта можно рассмотреть на изображении, но тем меньше угол поля зрения. Поэтому для обнаружения объекта используют короткофокусные объективы, а для распознавания — длиннофокусные.

Светосила характеризует долю световой энергии, пропускаемой объективом к светочувствительному элементу. Очевидно, что чем выше светосила объектива, тем ярче изображение на светочувствительном элементе. На светосилу объектива влияют следующие факторы:

• относительное отверстие объектива;

• прозрачность (коэффициенты пропускания, поглощения, отражения) линз;

• масштаб изображения;

• коэффициент снижения яркости изображения к краю его поля.

Светосила без учета реальных потерь света в линзах вычисляется как квадрат относительного отверстия, равного d/f, где d — диаметр входного отверстия (апертуры). Эффективное относительное отверстие объектива меньше геометрического на величину потерь света в его линзах. По величине относительного отверстия объективы делятся на сверхсветосильные с d/f > 1/2, светосильные с d/f = 1/2,8-1/4) и малосветосильные с d/f =< 1/5 . В зарубежной литературе в качестве характеристики светосилы объектива используют такой показатель, как «фокальное число» F = f/d. У человека c f=17 мм, d = 6 мм F = 2,8, т. е. хрусталик глаза относится к светосильным объективам. Чем больше светосила объектива, тем выше чувствительность средства наблюдения. Однако при этом растут искажения изображения и для их уменьшения усложняют конструкцию светосильных объективов, что естественно приводит к их удорожанию. Для изменения относительного отверстия при чрезмерно большом диапазоне освещенности объекта наблюдения и повышения глубины резкости в объективе устанавливается механизм регулировки диаметра относительного отверстия — диафрагма. Величина диафрагмы изменяется вручную или автоматически.

Свет, падающий на линзу и проходящий через нее, отражается и поглощается. Количество поглощенного света зависит от толщины стекла (в среднем 1-2% на 1 см толщины). Линзы отражают 4-6% падающего на них света. Чем больше отражающих поверхностей имеет объектив, тем больше потери света. В объективах из 5-7 линз потери света на отражение могут составлять 40-50%. Кроме того, свет, отраженный от внутренних поверхностей линз в сторону плоскости изображения, накладывается на изображение и создает помеху в виде засветки изображения. Засветка уменьшает контраст изображения. Эти неблагоприятные факторы, возникающие в многолинзовых объективах, уменьшают просветлением линз.

Просветлением называется способ уменьшения переотражения света от внутренних поверхностей линз путем нанесения на них тонкой пленки. Толщина просветляющей пленки должна составлять 1/4 длины волны падающего на линзу света. Пленка сдвигает фазу отраженной от внутренней поверхности линзы волны на 180°, вследствие чего она компенсируется падающей волной. Первоначально объективы просветляли для узких участков спектра. Просветленный объектив в отраженном свете приобретал сине-фиолетовый оттенок и назывался «голубой» оптикой. Современные технологии просветления оптики позволяют наносить на поверхность линзы 12-14 слоев просветляющих пленок и перекрывать тем самым весь спектр видимого диапазона света. Такую оптику маркируют индексами МС — многослойное покрытие. Объективы МС в отраженном свете не меняют цвет.

Возможность объектива передавать мелкие детали изображе­ния оценивается разрешающей способностью. Она выражается максимальным числом N штрихов и промежутков между ними на 1 мм поля изображения в его центре и по краям. Наиболее высокую разрешающую способность имеют объективы для микрофотографирования в микроэлектронике и линзы астрономических телескопов. Она достигает 1000 и более линий на мм. Изготовление таких объективов является чрезвычайно трудоемким процессом продолжительностью для линз телескопов большого диаметра в течение многих месяцев. Объективы с линзами из кварца, применяемые в фотографии, имеют существенно меньшее разрешение порядка 50 лин./мм, с штампованными из синтетических материалов линзами — еще ниже.

Так как одним из основных факторов, определяющих вероятность обнаружения и распознавания объектов, является контраст его изображения по отношению к фону, то важной характеристикой объектива как элемента средства наблюдения является его частотно-контрастная характеристика. Она служит мерой способности объектива передавать контраст деталей объекта и измеряется отношением контрастности деталей определенных размеров на изображении и на объекте. Уменьшение контраста мелких деталей на изображении вызвано тем, что в результате различных аберраций объектива на изображении размываются границы деталей наблюдаемых объектов.

Для количественной оценки частотно-контрастной характеристики в качестве исходного объекта используется эталонный объект наблюдения — мира в виде черно-белых линий с уменьшающейся шириной, нанесенных, например, тушью на белой бумаге. По результатам измерений контрастности η линий на проецируемом объективом изображении строится зависимость контраста К от количества линий η в одном мм. Зависимость К = f(η) определяет частотно-контрастную характеристику объектива.

В связи с большими техническими проблемами создания универсальных объективов с высокими значениями показателей, оптическая промышленность выпускает широкий набор специализированных объективов: для фото- и киносъемки, портретные, проекционные, для микрофотографирования и т. д.

Для добывания информации применяются объективы трех видов: для аэрофотосъемки, широкого применения (фото-, кино- и видеосъемки с использованием бытовых и профессиональных камер) и для скрытой съемки.

Объективы широкого применения разделяются в соответствии с размерами фотоаппаратов: для малоформатных и миниатюрных, среднеформатных и крупноформатных камер.

Для скрытого наблюдения используются:

• телеобъективы с большим фокусным расстоянием (300-4800 мм) для фотографирования на большом удалении от объекта наблюдения, например из окна противоположного дома и далее;

• так называемые точечные объективы для фотографирования из портфеля, часов, зажигалки, через щели и отверстия. Они имеют очень малые габариты и фокусное расстояние, но большой угол поля зрения.

Например, объектив фотоаппарата РК 420, вмонтированного в корпус наручных часов, имеет размеры 7,5 мм с апертурой 2,8 мм. В миникамерах фирм Hitachi, Sony, Philips, Ockar используются объективы диаметром 1-4 мм и длиной до 15 мм.