Современные проблемы оптотехники

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ  
ОПТОТЕХНИКИ  
 
Под редакцией В.Е. Карасика 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

 

УДК 535.824(075.8) 
ББК 22.34 
 
С56 
 
Ре це нз е нт ы:  
С.В. Тихомиров, В.И. Алехнович 

 

  
 
       Современные проблемы оптотехники : учеб. пособие / 
Ю.С. Гулина, М.Н. Ефименко, Е.М. Иванова, С.И. Назаров, 
О.А. Гореликова, Е.В. Родионов, О.О. Новикова, В.А. Лазарев, 
М.С. Ковалев, С.В. Григорьев, Д.С. Дворецкий; Под ред.  
В.Е. Карасика. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 
93, [3] с. : ил. 
 
В учебном пособии по спецкурсу «Современные проблемы оптотехники» для магистрантов, обучающихся по направлению 2002000068 
«Оптотехника», представлены результаты научных исследований, проведенных магистрантами кафедры РЛ-2, по различным направлениям 
оптотехники. Материал изложен в виде лекций, подготовленных и прочитанных студентами перед коллегами-магистрантами в рамках указанного курса. Основное содержание каждой лекции посвящено результатам анализа конкретной проблемы оптотехники в виде обзора 
научной литературы по теме, выбора направлений поисковых исследований, обоснования современных подходов к описанию ее различных 
аспектов, сравнительной оценки технических и схемных решений. 
Цель пособия — ознакомить будущих разработчиков и исследователей 
с наиболее актуальными проблемами оптоэлектроники и лазерной техники, а также дать определенные педагогические навыки, приобретаемые в процессе подготовки лекционного выступления. 
Пособие может быть использовано при изучении дисциплин 
«Введение в специальность», «Проектирование лазерных оптикоэлектронных приборов», «Современные проблемы оптотехники» направления подготовки «Оптотехника». 
 
УДК 535.824(075.8) 
ББК 22.34 
 
 

 

 

 
 
 

 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

С56 

ПРЕДИСЛОВИЕ  

Под оптотехникой (по аналогии с радиотехникой) понимают 
отрасль техники, связанную с применением электромагнитных 
колебаний и волн оптического диапазона для передачи, приема и 
обработки информации, контроля и управления машинами и технологическими процессами, проведения разнообразных научных 
исследований и т. д. 
Возникновение оптотехники во многом обусловлено стремительным развитием оптоэлектроники, входящей в число современных технологий и обладающей чрезвычайно широким диапазоном 
применения: волоконно-оптические датчики и линии связи, компакт-диски, жидкокристаллические приборы, цветные плоские 
электролюминесцентные панели, лазерные принтеры, интегрально-оптические устройства, медицинские инструменты нового поколения и др. 
Курс «Современные проблемы оптотехники» предназначен для 
студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 
«Оптотехника», и должен не только ознакомить будущих разработчиков и исследователей с наиболее актуальными проблемами 
оптоэлектроники и лазерной техники, но и предоставить им возможность самостоятельно изложить перед коллегами свои взгляды 
на одну из выбранных проблем. Изложенные материалы оформляются в виде одной лекции, основное содержание которой посвящается постановке задачи и анализу результатов исследований, 
выполненных студентом в рамках готовящейся магистерской диссертации под научным руководством преподавателя (доцента или 
профессора) кафедры. 
Следует отметить, что выступления будущих магистров представляются не в форме научного доклада, но выстроены логически 
и методически в виде лекций с использованием соответствующего 

иллюстрационного материала. Некоторые исследования завершаются постановкой на кафедре новых лабораторных работ, которые 
выполняются всеми слушателями курса в соответствии с методическими указаниями автора работы. В конце семестра каждый магистрант представляет реферат объемом 40–50 страниц, содержание которого наряду с качеством прочитанной лекции оценивается 
комиссией, состоящей из преподавателя, ведущего курс, и научных руководителей магистрантов. 
Принятая система обучения была опробована на кафедре РЛ-2 
в 2007/08 учебном году и хорошо зарекомендовала себя. С одной 
стороны, написание реферата, в котором приведены результаты 
анализа конкретной проблемы оптотехники в виде обзора научной 
литературы по теме, выбора направлений поисковых исследований, обоснования современных подходов к описанию ее различных аспектов, сравнительной оценке технических и схемных решений, несомненно, способствует работе над диссертацией.  
С другой стороны, трудно переоценить те возможности приобретения педагогических навыков, которые дает лекционное выступление перед коллегами-магистрантами с изложением современного видения проблемы и предлагаемых, в том числе оригинальных, 
путей ее решения. 
Содержание курса ежегодно в определенной степени меняется, 
что связано с различными научными интересами магистрантов, 
однако оно всегда находится в русле научной тематики работ, ведущихся на кафедре. 

Ю.С. Гулина 
(научный руководитель — 
канд. техн. наук, доцент Л.Н. Тимашова) 

ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ  
СВЕРХШИРОКОПОЛЬНЫХ ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРОВ 

Важной задачей на данном этапе развития теплопеленгаторов 
является максимальное увеличение поля обзора прибора. В настоящее время существуют принципиальные схемы решения задачи создания приборов со сверхширокими угловыми полями, позволяющие получить поле обзора в 360° по горизонтали. 
Получить поле обзора 180×360° можно в принципиально новых системах типа «рыбий глаз». Оптические схемы таких систем 
построены на двух основных компонентах: телескопической части 
и фотографическом объективе. 
Таким образом, базовая функциональная схема таких приборов 
включает телескопическую систему, объектив, приемник излучения (рис. 1). Телескопическая система 1 собирает излучение из полусферы и преобразует его к более узкому полю. Затем уменьшенное угловое поле с помощью объектива 2 переносится в плоскость 
матричного приемника излучения 3. 
 

 

 
Рис. 1. Базовая функциональная схема системы 
типа «рыбий глаз»: 
1 — телескопическая система; 2 — объектив; 3 — 
приемник излучения 

Рассмотрим основные особенности проектирования таких 
систем. 
Увеличение телескопической системы должно быть достаточным для сужения поля и в то же время способствовать минимизации аберраций.  
Эквивалентное фокусное расстояние системы должно быть согласовано с параметрами приемника излучения, что выражается 
следующей формулой: 

 
м
экв
вх
,
2
а
f
W
′
=
  

где 
м
а  — размер короткой стороны матрицы; 
вх
2W
 — угловое поле на входе прибора. 
Фокусное расстояние объектива связано с эквивалентным фокусным расстоянием системы через увеличение телескопической 
системы
ТС
Г
: 

 
экв
об
ТС
.
Г
f
f
′
′ =
 

Угловое поле объектива определяется соотношением 

 
об
вх
ТС
вых.ТС
2
2
Г
2
,
W
W
W
=
=
 

где 
вых.ТС
2W
 — угловое поле на выходе телескопической системы.  
При разработке оптических систем такого типа для сверхширокопольных теплопеленгаторов возникает ряд проблем. 
Одной из них является то, что при заданном размере матрицы 
при увеличении углового поля обзора уменьшается эквивалентное 
фокусное расстояние оптической системы. 
Например, у доступных современных инфракрасных матриц на 
основе сурьмянистого индия максимальное число чувствительных 
элементов N = 300 × 400, а размер элемента аэ = 30 мкм. Размер 
короткой стороны матрицы ам = Nаэ = 9 мм. При этом эквивалентное фокусное расстояние системы составляет 

 
экв
9
3 мм.
3,14
f ′
=
≈
 

Очевидно, что при таком маленьком эквивалентном фокусном расстоянии диаметр входного зрачка системы также будет мал, а значит, дальность действия прибора будет невелика. 
Второй проблемой является то, что при уменьшении фокусного расстояния снижается разрешающая способность прибора, что 
иллюстрируется формулой 

 

э
экв

1
1
,
2δ
2
/
W
N
W
а
f
=
=
′
 

где δW  — угловой размер чувствительного элемента. 
Например, для системы с эквивалентным фокусным расстоянием 3 мм и матрицей с размером элемента 30 мкм разрешающая 
способность будет составлять примерно 1 град–1. 
Таким образом, очевидно, что при разработке сверхширокопольных теплопеленгаторов возникают две основные проблемы: 
маленький диаметр входного зрачка и низкая разрешающая способность. 
Для решения этих проблем были разработаны две широкопольные оптические системы для теплопеленгаторов. Рассмотрим 
каждую из них более подробно. 

1. Система «рыбий глаз» без сканирования 

Широкопольные оптические системы работают совместно с 
узкопольными. Алгоритм работы такого комплекса заключается в 
следующем. На первом этапе происходят обнаружение объекта в 
сверхшироком угловом поле и установление его координат с погрешностью, определяемой размерами чувствительного элемента 
матричного приемника излучения, а также малым эквивалентным 
фокусным расстоянием системы, что наглядно видно из следующей формулы: 

 
э
шп
шп
.
а
W
f
δ
=
′
  

На втором этапе по полученным координатам осуществляются 
наведение на объект узкопольной камеры с угловым полем порядка 2…3° и большим фокусным расстоянием и уточнение его коор

динат. Таким образом, очевидно, что к широкопольной системе 
можно не предъявлять жестких требований по разрешающей способности. 
Возможности использования материалов с большими показателями преломления и невысокие требования к разрешающей способности «рыбьего глаза» позволили разработать специальный 
объектив типа «рыбий глаз» (рис. 2). Объектив имеет в своем составе пять линз, выполненных из германия (его показатель преломления n = 4) и оптической керамики типа ПО-4 (n = 2,44). 
 

 

 

Рис. 2. Объектив типа «рыбий глаз» 
 
Полученная система обладает следующими характеристиками: 
– эквивалентное фокусное расстояние 
экв
f ′  = 4 мм; 
– диаметр входного зрачка 
вх.зр
D
=  10 мм; 

– угловое поле обзора 
вх
2W
 = 180 × 360°. 
Угловой размер пятна рассеяния такой системы равен примерно 30′. 
В качестве приемника излучения для такой системы используется инфракрасная видеокамера DDH А330435 с матрицей фоточувствительных элементов на основе InSb: 
– число чувствительных элементов N = 300 × 400; 
– размер чувствительного элемента aэ = 30 мкм; 
– частота кадров f = 200 Гц; 
– пороговый поток излучения Фпор = 10–12 Вт. 

Отметим, что диаметр зрачка объектива составляет всего 10 мм. 
Определим примерную дальность действия пеленгатора, построенного по такой схеме. 
Пусть излучателем является нагретая обшивка самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью. Примем температуру обшивки 
равной 500 К. 
Максимальная дальность действия определяется формулой 

 

2
ИИ
зр

пор
,
4 Ф

M A
D
L
τ
=
μ
 

где М — светимость цели; τ — коэффициент пропускания атмосферы и оптики; АИИ — площадь излучающей поверхности объекта (источника излучения); Dзр — диаметр входного зрачка; μ — 
отношение сигнал/шум. 
Отношение сигнал/шум определяется по критерию Неймана —
Пирсона. Примем вероятность ложной тревоги равной 0,05, тогда 
вероятность правильного обнаружения достигает значения 0,95 
при μ = 3,3. 
Приняв размер цели равным 1 м2, получим примерную дальность действия 35 км. 
Достоинством такой оптической системы являются относительно малые габариты и простота конструкции. 

2. Система «рыбий глаз» со сканированием 

Чтобы увеличить эквивалентное фокусное расстояние, а также 
разрешающую способность системы, можно использовать принцип оптико-механического сканирования. 
Эквивалентное фокусное расстояние системы связано с фокусным расстоянием объектива через увеличение телескопической 
системы: 

 
экв
об
ТС
Г
.
f
f
′
′
=
 

Очевидно, что увеличить эквивалентное фокусное расстояние 
системы можно только за счет увеличения фокусного расстояния 
объектива, которое определяется по формуле 

м
экв
об
.
2tg
а
f
W
′ =
 

Фокусное расстояние объектива можно увеличить за счет 
уменьшения его углового поля, но оно жестко связано с угловым 
полем всей системы и увеличением телескопической системы.  
Для решения этой проблемы в систему вводят сканирующее 
устройство, которое позволяет узким полем объектива просматривать широкое поле на выходе телескопической системы. 
В качестве сканирующего элемента используется плоское зеркало, нормаль и ось вращения которого рассогласованы на угол ϕ, 
равный половине углового поля объектива (рис. 3): 

 
об
φ
.
2
W
=
 

За счет рассогласования нормали и оси вращения при вращении зеркала объектив последовательно просматривает все поле на 
выходе телескопической системы. 

 

Рис. 3. Система «рыбий глаз» со сканирующим устройством 
 
Телескопическая система собирает излучение из полусферы и 
преобразует его к более узкому полю. Объектив с помощью сканирующего зеркала просматривает поле на выходе телескопиче