Оптическая система для панорамных изображений

УДК 681.5

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПАНОРАМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

М.Б. Цудиков

Рассмотрены вопросы разработки оптической системы для сканирующих устройств видеонаблюдения. Выполнен анализ основных компоновочных схем и выбран наиболее информационно ёмкий вариант. Выбраны оптимальные элементы конструкции сканирующей системы. Предложен объектив с вынесенным зрачком, обладающий увеличенным расстоянием от входного зрачка до первой поверхности объектива и улучшенным качеством изображения. Выполнен расчет параметров объектива.

Ключевые слова: панорамное устройство наблюдения, оптическая система, призма Аббе, объектив с вынесенным зрачком, контрастно-частотная характеристика.

Одним из перспективных направлений развития систем видеомониторинга является создание панорамных изображений окружающей среды. Возможны различные конфигурации как системы панорамного оптико-электронного наблюдения в целом, так и оптико-механического узла (ОМУ), осуществляющего сканирование местности. В работе [9] показано, что возможно создание панорамных оптико-электронных устройств наблюдения (ПОЭУН), разработанных по следующим компоновочным схемам:

оптико-механический узел с компенсацией поворота изображения;

оптико-механический узел без компенсации поворота изображения;

бескинематическая камера, построенная на объективе типа «рыбий

глаз».

Наибольшей информационной ёмкостью обладает первая схема, представленная на рисунке 1 [7].

Устройство сканирования представляет собой зеркало или призму, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Для ОМУ была выбрана призма АР-90 как наиболее простой и доступный конструктивный оптический элемент. Дополнительно в узел дополнительно введена призма для вращения изображения, установленная перед объективом с возможностью вращения вокруг оптической оси. В качестве такой призмы можно использовать призмы Аббе, Дове, Пехана и т.п. [1, 2]. Наибольшее угловое поле имеют призма Дове и призма Аббе. Эти призмы и их модификации могут обеспечить требуемое угловое поле кадра при разумных габаритах сканирующего устройства. При этом для уменьшения габаритов целесообразно задать небольшое смещение оси выходного пучка относительно оси входного пучка, как это сделано в [1].

В призме Аббе, кроме того, можно использовать полное внутреннее

отражение на воздушном промежутке между компонентами. Это также позволяет уменьшить ее габариты.

Как показывают расчеты, призма Аббе имеет преимущество перед призмой Дове. Так, при угловом поле 2'№0 = 28° и диаметре светового пучка на входе в призму Б0 = 12 мм длина призмы Дове должна быть Ьд = 70 мм, тогда как длина составной призмы Аббе должна быть Ьа = 50 мм. Поэтому в качестве призмы для вращения изображения рекомендуется призма Аббе.

Для ОМУ с компенсацией вращения изображения важно, чтобы входной зрачок объектива располагался как можно ближе к призме для вращения изображения. Если это расстояние велико, то призма для вращения изображения будет обрезать угловое поле кадра. Поэтому серийно выпускаемые ТВ-объективы в данном случае не всегда могут быть использованы. Кроме того, производители объективов, как правило, не указывают положение входного зрачка в конструкции объектива, что не позволяет заранее оценить возможность его применения.

3 2 1 4

Рис. 1. Оптико-механический узел с компенсацией поворота изображения: 1 - призма АР-90; 2 - оправка призмы; 3 - подшипники; 4 - редуктор; 5 - датчик положения; 6 - поворотная призма;

7 - оправка призмы; 8 - объектив; 9 - фотоэлектронный преобразователь (ТВ-камера); 10 - шаговый двигатель;

11 - блок управления; 12 - интерфейс с ЭВМ

Для сокращения габаритов ОМУ с компенсацией вращения изображения с сохранением качества изображения необходим специальный составной объектив, в котором призма Аббе располагается между вынесенным входным зрачком и выходным зрачком.

Проведенный патентный поиск и анализ имеющихся конструкций объективов с вынесенным входным зрачком показал, что в основном используются две базовые оптические схемы [3]. Первая схема содержит отрицательный толстый мениск, концентричный входному зрачку. Вторая строится на основе тонкого силового компонента и отрицательного конфокального мениска. На рисунках 2а и 2б показаны варианты первого и второго схемного решения.

В результате анализа отечественных патентных материалов последних лет было выявлены три перспективные оптические схемы [4,5,6]. Все они построены на основе базовой схемы с отрицательным толстым мениском, концентричным входному зрачку.

В то же время анализ известных объективов с вынесенным зрачком показал, что они имеют малое расстояние от входного зрачка до первой поверхности объектива, что не позволяет разместить вблизи входного зрачка устройство для управления световым пучком, например затвор, модулятор, сканер, призму для поворота изображения и т.п.

Рис. 2. Варианты схемного решения: а - на основе отрицательного толстого мениска, концентричного входному зрачку;б - на основе тонкого силового компонента и отрицательного конфокального мениска

Так как в плоскости входного зрачка световой пучок имеет минимальные размеры в поперечном сечении, то размещение такого устройства вблизи входного зрачка обеспечивает минимальные его габариты и, соот-

ветственно, минимальные габариты всей оптической системы. При построении оптической системы именно габариты часто служат препятствием к использованию таких устройств. Кроме того, известные объективы имеют недостаточно высокое качество изображения.

Для увеличение расстояние от входного зрачка до первой поверхности объектива и повышение качества изображения был предложен объектив с вынесенным входным зрачком, содержащий апертурную диафрагму и пять компонентов, первый из которых - положительный, второй - отрицательный, третий - положительный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, четвертый - положительный, содержащий одиночную двояковыпуклую линзу, пятый - мениск, обращенный вогнутостью к изображению, склеенный из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. [8]

На рисунке 3 показана оптическая схема объектива, на рисунке -рассчитанный коэффициент передачи контраста объектива.

Рис. 3. Конструкция объектива

Объектив состоит из последовательно размещенных на оптической оси апертурной диафрагмы 1 и пяти оптических компонентов. Первый компонент - положительный, выполнен в виде одиночной линзы 2. Второй компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, выполнен склеенным из отрицательной линзы 3 и положительной линзы 4. Третий компонент - одиночный положительный мениск 5, обращенный вогнутостью к предмету. Четвертый компонент - положительный, выполнен в виде двух одиночных линз 6 и 7, первая из которых - двояковыпуклая, вторая - положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению. Пятый компонент - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, склеенный из двояковыпуклой линзы 8 и двояковогнутой линзы 9.

В частном случае при этом выполнены соотношения:

0.5^0 < So < 1.5^0;

0.9^0 < ^4 < 1.4^0,

где So - расстояние от апертурной диафрагмы до первой поверхности первого компонента;

- фокусное расстояние четвертого компонента;

Р0 - фокусное расстояние объектива.

Указанные соотношения определяют требования к конструктивным параметрам объектива, позволяющим обеспечить одновременно большое удаление входного зрачка и высокое качество изображения.

Рис. 4. Контрастно-частотная характеристика объектива

Ниже приведен пример конкретного выполнения объектива с вынесенным входным зрачком. В таблице приведены конструктивные параметры объектива: радиусы поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков между ними, световые и полные диаметры и марки стекол.

Апертурная диафрагма размещена на расстоянии S0=24 мм от первой поверхности объектива. Диаметр апертурной диафрагмы D0=12,9 мм.

В целях снижения трудоемкости изготовления в указанной конструкции использованы четыре поверхности с одинаковыми радиусами кривизны (^4 = Л*6 = ^8 = ^13) и, кроме того, использована одна плоская поверхность (^2 = ¥.

Объектив имеет следующие характеристики:

- фокусное расстояние Б0=18,1 мм;

- относительное отверстие Do/F0=1:1,4;

- угловое поле зрения 2W=260 (линейное поле 2У=8,2 мм);

- диапазон длин волн ДХ=450^650 нм,

- дисторсия на краю поля 5=2,8%.

Коррекция аберраций объектива обеспечивает высокий коэфциент передачи контраста в пределах всего углового поля. На пространственной

частоте V! = 80 ммкоэффициент передачи контраста равен: в центре углового поля ТЦ (V! ) = 0.6; на краю углового поля ТК (V! )= 0.3. Соответственно, на пространственной частоте V 2 = 120 ммкоэффициент передачи контраста равен: в центре углового поля ТЦ(V2) = 0.4; на краю углового поля ТК (V 2 )= 0.15.

Конструктивные параметры объектива

№ пов. Радиусы, Я, мм Толщины. Т. мм Световые диаметры, Бсв, мм Полные диаметры, БП, мм Марка стекла

1 34,83 4 17.6 22 СТК19

2 1.Е+08 6,5 17.6 22

3 -14.06 2.5 17,8 22 ТФ10

4 -40.55 4.5 20,0 26 ФК11

5 -21.68 0.2 20.2 26

6 -40.55 6.0 20.4 28 СТКІ9

7 -23.77 0.2 25.8 28

8 40,55 6.0 26.0 28 ФКП

9 -54,45 0,2 25.6 28

10 19,409 5,5 22,4 26 СТК19

11 48,75 0.2 19,6 26

12 14.454 5,5 17.0 19 ФКП

13 -40,55 1.5 14,0 19 ТФ10

14 9,036 4.5 10,2 11

Таким образом, предложенная конструкция объектива обеспечивает повышенное качество изображения и увеличенное расстоянии от входного зрачка до первой поверхности объектива. Это позволяет использовать объектив совместно с устройством для управления световым пучком, в данном случае, с призмой для поворота изображения.

Сочетание данного объектива и призмы Аббе позволяет создавать сканирующие системы для панорамного видеонаблюдения с аппаратным поворотом изображения.

Список литературы

1. Бушмелев Н.И., Ковальский Л.Л., Соловьева С.Н., Шабалин А.М. Расчет призмы Дове, применяемой в проекционных устройствах для поворота изображения.//Оптико-механическая промышленность, 1988, №11. С. 15.

2. Кожевников Ю.Г. Оптические призмы. Проектирование, исследование, расчет. М.: Машиностроение, 1984. 152 с.

3. Зверев В. А., Серебряков А.Г. Базовые схемы оптических систем с вынесенным зрачком//Оптический журнал. Механическая промышленность, 2000, №6. С. 74.

4. Патент РФ № 2053530. МПК8 G 02B 9/60. Объектив с вынесенным входным зрачком/ В.В. Тарабукин, И.Г. Федорова, Л.П. Осипова. Опубл. 22.01.1996. Бюл. № 3.

5. Патент РФ № 2225628. МПК8 G 02B 9/34, 9/60. Объектив с вынесенным входным зрачком (варианты)/И.Г. Бронштейн, И.Л. Лившиц. Опубл. 10.03.2004. Бюл. № 1.

6. Полякова И.П., Алешин И.Н., Пуйша А.Э., Осипова Л.П., Иванов Г.В. Светосильный объектив с вынесенным входным зрачком. Патент РФ № 2248597. G02B 9/34, 9/60. Опубл. 20.03.2005. Бюл. № 3.

7. Пат. РФ 2355005, МПК8 G 02 B 26/10. Устройство для кругового сканирования / Е.В. Ларкин, А.Г. Летяго, М.Б. Цудиков [и др.]. Опубл. 10.05.09. Бюл. № 13. 3 с.

8. Пат. Российская Федерация 2393515, МПК8 G 02 9/62. Объектив с вынесенным входным зрачком / Е.В. Ларкин, А.Г. Бушмелев, М.Б. Цудиков. Опубл. 27.06.10. Бюл. № 18. 5 с.

9. Цудиков М.Б. Панорамный видеомониторинг объектов// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Ч.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 223-231.

Цудиков Михаил Борисович, канд. техн. наук, доц., tsudickov.mb@,yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

OPTICAL SYSTEM FOR PANORAMIC IMAGES M.B. Tsudikov

The issues of optical systems for scanning videomonitoring devices development are considered. Analysis of the main layout drawings is conducted. The most informative capacity layout drawing is chosen. The optimal components of scanning system are chosen. Pinhole lens with space-out entrance pupil and improved image quality is offered. Object lens parameters computing is executed.

Key words: panoramic monitoring device, optical system, Abbe prism, pinhole lens, contrast frequency response.

Tsudikov Mikhail Borisovich, candidate of technical science, docent, tsudick-ov. mbayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University.