ДЗЗ-Тема3

Оптическая система – это совокупность оптических сред, разделённых оптическими поверхностями, которые ограничиваются диафрагмами. Оптическая система предназначена для формирования изображения путём перераспределения в пространстве электромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков).

В наиболее общем случае оптическая система может состоять из следующих функциональных элементов:оптические средыоптические поверхностизеркаладиафрагмыдифракционные оптические элементы.

Оптические среды – это прозрачные однородные среды с точным значением показателя преломления (с точностью до 4-6 знаков после запятой).В качестве оптических сред в оптических системах в основном применяют:воздух (вакуум);оптические стекла – точно известны их показатели преломления и различные оптико-физические свойства;оптические кристаллы – работают в более широком диапазоне длин волн, чем стекла.

Все стекла отличаются друг от друга характером зависимости показателя преломления от длины волны. Можно описывать оптические материалы либо значениями коэффициентов дисперсионной формулы, либо непосредственно значениями показателя преломления для различных длин волн.Оптические материалы могут работать только в определенном интервале длин волн, в пределах которого показатель преломления хорошо описывается дисперсионной формулой. Вблизи границ этого интервала зависимость показателя преломления сильно отличается от описанного дисперсионной формулой. Пограничные интервалы длин волн называются полосами поглощения. У различных стекол эти полосы разные.Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волны и общая дисперсия.

Дисперсия оптических материалов – это зависимость показателя преломления от длины волны.

Оптическая поверхность – это гладкая регулярная поверхность точно известной формы.Поверхности могут быть:плоские,сферические,асферические.Форма оптических поверхностей должна выдерживаться с точностью меньше длины волны. 

Чаще всего в оптике применятся плоские поверхности и сферические поверхности. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны. Плоской поверхностью можно считать сферическую поверхность с радиусом кривизны равным бесконечности.Плоские и сферические поверхности изготавливаются достаточно просто (методом притирки), и поэтому именно их чаще всего используют в оптических системах. 

Асферические поверхности используются редко из-за сложности их изготовления и контроля, так как у них различная величина радиуса кривизны по различным направлениям. В настоящее время существуют технологии изготовления асферических поверхностей на станках 3 с программным управлением. Получение точного профиля асферической поверхности возможно только методом ретуши.

Диафрагма – это металлический экран с круглым отверстием. На оптических схемах диафрагмы могут быть заданы явно – диафрагма является самостоятельным элементом оптической системы, или неявно – роль диафрагмы играет край или оправа линзы.

У простых линз резкость изображения ограничивается несколькими факторами. Среди них:хроматическая аберрация, в результате которой световые лучи различных длин волн фокусируются в отдельных плоскостях изображения;сферическая аберрация, вследствие которой лучи, падающие на линзу на разных расстояниях от оптической оси, фокусируются на разных расстояниях от линзы;астигматизм, при котором лучи света, лежащие в разных плоскостях, фокусируются в разных точках;кривизна поля изображения, вследствие которой лучи от точек отрезка, перпендикулярного оптической оси линзы, фокусируются не в плоскости, а на сферической поверхности.

Оптико-механический сканер содержит только один чувствительный элемент – датчик, который позволяет измерять яркость небольшого участка, пикселя земной поверхности. Вращающееся зеркало просматривает полосу местности, что позволяет зарегистрировать яркость целого ряда пикселей земной поверхности за короткий промежуток времени. Поскольку сканер размещается на движущейся платформе, он аналогично записывает данные о следующей полосе пикселей земной поверхности. По мере движения платформы сканирующий механизм позволяет получить изображение на целую площадь.

Принцип оптико-механического сканирования использован в самолетных и спутниковых многоспектральных сканерах. При этом единственный фотодиод заменен линейкой датчиков. Спектральное разделение поступающего излучения осуществляется призмой, установленной на пути светового луча, поэтому различные группы длин волн регистрируются одновременно. Сканер позволяет фиксировать даже тепловую составляющую излучения за счет разделения его на две части полупрозрачным зеркалом. Затем тепловая энергия собирается на ртутном слое компакт-диска, охлаждённого до температуры 5 ÷77 K и чувствительного к дальнему инфракрасному участку спектра, или на германиевом детекторе.

Характеристики оптико-механических детекторов (Сканер; Платформа; Поле зрения отдельного пикселя; Полная угловая ширина полосы сканирования; Кол-во каналов в видимых и ближних ИК лучах; Кол-во термальных каналов):Daedalus DS 1200; Самолет; 2,5 мрад; 77º; 2; 1;Landsat MSS; Спутник; 0,087 мрад; 11,6º; 4; 0;Landsat TM; Спутник; 0,024 мрад; 11,6º; 6; 1.

В оптико-электронном сканере линейка датчиков ориентирована перпендикулярно направлению движения платформы. Отдельному чувствительному элементу линейки, имеющему размер a' поперёк траектории полета, на земной поверхности соответствует пиксель с размером a, причемa = h/f * a' ,где h – высота полета, f – фокусное расстояние оптической системы.В направлении полета справедлива аналогичная зависимостьb = f/h * b' ,в которой b' – размер элемента датчика, b – размер пикселя на местности.

Характеристики сенсора французского спутника Spot (Имя; Поле зрения отдельного пикселя; Полная угловая ширина полосы сканирования; Кол-во каналов; Тип):SPOT-P; 0,012 мрад; 4,2º; 1; Панхроматический;SPOT.XS; 0,024 мрад; 4,2º; 3; Многоспектральный.Сенсор спутника Spot использует не только панхроматические линейки ПЗС, дающие разрешение на местности 10 м, но параллельно с этим три других линейки с вдвое меньшим разрешением для зелёного, красного и ближнего инфракрасного участков спектра. На спутнике Spot можно запрограммировать наклон сенсора в сторону в пределах углов от -27° до +27°. Это позволяет получить информацию о любой точке на земле, если облачность благоприятна, в течение 5 дней. Три операционных спутника Spot способны сделать это за один день.

Цифровые оптико-электронные сканеры были также построены корпорацией DLR для использования на Марсе. После неудавшейся попытки запуска российского космического корабля, который должен был доставить спутник к Марсу, корпорация DLR сконструировала самолётную версию той камеры. Эта камера сейчас производится компанией Leica-Helava Systems для аэросъёмок как самолётный цифровой сенсор ADS 40.