птико-электронные приборы.

Сверхширокополосный зеркальный объектив для робототехнических систем зрения.

В последнее время вместо оптического приборостроения всё чаще говорят об оптико-электронном приборостроении. Современная система машинного или робототехнического зрения предполагает в своём составе наличие двух ключевых элементов объектива и приёмника. Качество системы определяется, в первую очередь, этими двумя элементами и только после получения качественного первичного изображения важным становится программное обеспечение перерабатывающее информацию. Если строить роботы по образу и подобию человека, то системы роботов должны функционально дублировать системы и подсистемы человеческого организма.
Первым «приёмником» созданным природой была сетчатка глаза человека, отличающаяся сравнительно хорошей чувствительностью в диапазоне длин электромагнитных волн 0.4-0.7 мк (видимый диапазон).
Усиленный телескопическим или микроскопическим объективом глаз человека успешно решал и решает задачу исследования макро и микромира.
Зададимся вопросом, как должна была бы выглядеть идеальная система зрения для робота? Наверно, она должна позволять ему ориентироваться в окружающем пространстве не хуже, чем человеку или любому другому обитателю природы. Тогда на роботы можно будет в перспективе переложить многие задачи, которые они не способны решать сегодня. Зрение у человека и основной массы представителей фауны обеспечивается двумя глазами, которые позволяют иметь достаточно широкое поле зрения и оценивать расстояние до наблюдаемого объекта.
(Отметим, что исторических легендах встречались персонажи с организованным по другому зрением, и, как следствие с иными, по сравнению с обычными людьми, возможностями. Не исключено, что третий глаз Будды позволял видеть в диапазоне длин волн отличном от видимого, а единственный глаз Циклопа позволял оценивать расстояние до наблюдаемого объекта без использования стереоскопического эффекта.)
Если попытаться классифицировать оптико-электронные системы разбив их по характерным признакам, то можно выделить несколько поколений. Они будут отличаться количеством объективов и приёмников требуемых для решения конкретной задачи. Поскольку общепринятой классификации не существует, а развитие оптико-электронного приборостроения уже давно перешагнуло первые ступени, логично будет начать отсчёт с последнего поколения. В стремлении к нему - суть прогресса в создании оптико-электронных приборов (ОЭП).
Система в нашем изложении предполагается состоящей из ОЭП, включающего в себя объектив, приёмник и программное обеспечение для реализации заложенных в систему функций. Здесь мы не будем касаться программного обеспечения, а сосредоточимся собственно на ОЭП.
К настоящему времени сложилось следующее разделение по характеру использования оптического диапазона излучения.

УФ-диапазон.

УФ-излучение используется, прежде всего, в проецирующей оптике для микроэлектроники. Связано это с требованием максимального разрешения, которое легче обеспечивается на минимальных длинах волн. Для УФ-диапазона характерен меньший уровень естественных помех. Наличие УФ-излучения, чаще всего, является следствием энергичного природного действия включающего и технологическую деятельность человека.
Как это не парадоксально на первый взгляд, УФ-диапазон меньше по сравнению с другими оптическими диапазонами «страдает» от поглощения атмосферой из-за дыма, туманов и осадков. В результате этот диапазон все чаще используют для улучшения дальности видения при неблагоприятных атмосферных условиях. В последнее время появились сообщения об использовании УФ-излучения в диагностических целях в медицине.

Видимый диапазон.

Видимый диапазон потому так и называется, что в этом диапазоне чувствительность человеческого глаза максимальна. Он характеризуется наличием мощной естественной подсветки, источником которой является Солнце. Поэтому видимый диапазон иногда называют диапазоном дневного зрения.
В связи с этим на этот диапазон рассчитаны большинство оптических и оптико-электронных устройств. О колоссальном значении видимого диапазона много говорить не имеет смысла.

ИК-диапазон.

ИК-диапазон - это диапазон максимума излучения объектов, нагретых от 20 до 2000 С. Объекты, нагретые до естественных бытовых температур ~ 20 - 40 С, в основном излучают в диапазоне 7 - 14 мкм. Объекты, нагретые в пределах ~ 100 - 200 С и выше, в диапазоне от ~1 - 5 мкм. Поэтому в этих диапазонах можно видеть собственное излучение земных объектов, а не рассеянное излучение от источников подсветки, например, солнечной.
К излучению ИК-диапазона человеческий глаз, к сожалению, не чувствителен. «Видеть» в этом диапазоне стало возможным только после разработки соответствующих фотодетекторов. ИК-диапазон, так же как УФ-диапазон интересен в самых разных приложениях: в биологии, в медицине, в теплолокации.

Мы кратко представили возможности использования каждого диапазона в отдельности. Использование всего оптического диапазона одновременно существенно расширяет обнаружительные и идентификационные возможности. Это как цветное зрение по сравнению с чёрно-белым. Если бы у человеческого глаза была сетчатка, чувствительная не только к видимому, но и к УФ- и ИК-диапазонам, то он был бы снабжен не хрусталиком, а какой-то другой ахроматичной системой построения изображения.
В настоящее время появились реальные возможности создания систем с супер цветным зрением, охватывающим весь оптический диапазон с раздельным детектированием в отдельных участках УФ, видимого и ИК излучения. Однако, если мы захотим, чтобы подобно человеческому глазу изображение во всех цветах строилось одной и той же системой, то такую возможность могут обеспечить пока только зеркальные системы.
Идеальный ОЭП должен был бы иметь один объектив и один многоспектральный приёмник на весь интересующий диапазон длин волн, сколь бы широким он ни был. Такой ОЭП и систему создаваемую на его основе логично отнести к последнему поколению.
И, если для приёмников соответствующего класса чувствительности и разрешающей способности в ближайшее десятилетие такое событие представляется малореальным, то в отношении объективов ситуация выглядит оптимистичней.
Исторически технология создания объективов для ОЭП решающих прикладные задачи оказалась в зависимости от ряда факторов предопределивших выбор в пользу линзовых объективов. Сравнительно узкий диапазон длин волн, простота расчётов и естественность представления получаемой информации на сетчатке глаза до развития микроэлектроники, качественно изменившей возможности приёмников в диапазонах длин волн не воспринимаемых человеком непосредственно, в основном, предопределили этот выбор. Зеркальные объективы в последние десятилетия использовались, в основном, фундаментальной наукой для решения астрофизических задач, где возможность приёма всего спектра волн за пределами атмосферы имела принципиальное значение. Расчёты таких систем были относительно мало затратной статьёй расходов, основные средства съедала технология изготовления больших зеркал (от 400 мм и более). При создании зеркальных объективов с максимальным диаметром используемых зеркал менее 350мм ситуация обратная. Сама по себе технология изготовления небольших зеркал, их сборка и настройка в объектив известна достаточно хорошо. А процедура расчёта таких, особенно трансфокальных (с переменным фокусным расстоянием) систем, разработана сравнительно слабо. До появления мощных компьютеров решить оптимальным образом задачу проектирования 4-5 зеркального объектива с трансфокатором в приемлемые сроки было просто нереально. Использование вычислительной техники облегчает, но не упрощает решение такой задачи, особенно если её формулировать с учётом всех требований приближающий проектируемый объектив к идеальному для данного класса. Основной недостаток зеркальных объективов это сложность борьбы с аберрациями за счет увеличения количества элементов. Каждый последующий элемент может не только уменьшить аберрации, но и загородить путь лучам. Ситуация несколько улучшается если использовать зеркала не сферической формой поверхности, а асферической. Еще лучше если используется ,так называемая, многопараметрическая асферика, поскольку наличие дополнительных варьируемых параметров дает эффект аналогичный увеличению числа элементов. К сожалению, при это существенно усложняется и удорожается технология изготовления самих зеркал и требования к сборке готовых изделий. Тем не менее, перекрыть весь диапазон длин волн может только объектив, построенный на зеркалах и это направление развития оптики станет доминирующим для многих приложений на ближайшие десятилетия. Естественными ограничителями полосы пропускания такого объектива будут защитное стекло и покрытие самих зеркал, которые по мере совершенствования материалов и уменьшения количества требуемых приёмников будут приближать создаваемые ОЭП к идеальным, т.е. ОЭП последнего поколения.