РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 4, c. 20–29
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ,
ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСАНИЯ
УДК 621.398
Оценка возможности использования существующих
объективов для проецирования видеоизображения
на фоторегистрирующие приборы
Д.И.Климов, В. А.Благодырев1
1к. т. н.
АО «Российские космические системы»
e-mail: tm016@rniikp.ru
Аннотация. Оценивается возможность использования существующих объективов при проецировании видеоизображения
(ВИ) на фоторегистрирующие приборы путем анализа моделей идеального и реального объективов
с оценкой быстродействия считывания спроецированного изображения на фоточувствительную зону прибора с зарядовой
связью (ПЗС). Приведены основные понятия и определения, требующиеся для оценки ВИна ПЗС. Рассмотрены
и проанализированы различные виды ПЗС. Проведен анализ существующих ПЗС с виртуальной фазой
(ВФПЗС) и инфракрасных ПЗС (ИК ПЗС) отечественного производства (ОП).
Определено пороговое значение потока излучения в зависимости от длины волны, диаметр отверстия объективов
и фокусные расстояния, а также оценено быстродействие проецирования ВИдля ПЗС ОП ISD017 как для модели
идеального объектива, так и для модели реального объектива.
Ключевые слова: видеоизображение, объектив, прибор с зарядовой связью, инфракрасный ПЗС, виртуальная
фаза
Estimation of Possibility of Use of Objectives
at Video Image Displaying on Photo Registering Devices
D.I.Klimov, V.A.Blagodyryov
1candidate of engineering science
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: tm016@rniikp.ru
Abstract. The estimation of possibility of use of objectives is considered at video image displaying on photoregistering
devices by the analysis of models of ideal and real objectives with an estimation of speed of displaying of the image on
aphotosensitive zoneofcharge-coupled devices (CCD). Thebasic concepts andthe definitions which arerequired for
estimation of video image on charge-coupled devices are resulted. Various kinds of CCD are considered and analyzed.
The analysis of existing CCD’s with a virtual phase and infra-red CCD’s of domestic production is carried out.
Thresholdvalue ofastream ofradiation depending onlengthofawave,diameter ofan apertureofobjectivesand focal
lengths is defined, and also speed of displaying of video image for a domestic production CCD ISD017 is estimated
both at model of an ideal objective, and at model of a real objective.
Key words: video image, objective lens, charge-coupled devices (CCD), infra-red CCD, virtual phase
Стр.1
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТИВОВ
Структуры ПЗС
Основным элементом для преобразования видеоинформации
в электромагнитные колебания являются
приборы с зарядовой связью (ПЗС), представляющие
собой линейки или матрицы близко
расположенных друг к другу МОП-конденсаторов.
ПЗС-структуры — это интегральные полупроводниковые
приборы, в основе работы которых
лежит принцип накопления, передачи и хранения
локализованного зарядового пакета в потенциальных
ямах, образуемых в полупроводнике под действием
внешнего электрического поля.
Ввод и вывод информационного сигнала,
то есть динамической неоднородности в ПЗС, осуществляется
транзисторной структурой, в которой
формируется зарядовый пакет.
Упрощенно прибор с зарядовой связью можно
рассматривать как матрицу близко расположенных
МОП-конденсаторов (электрод, отделенный
от кремния слоем диэлектрика или окисной пленкой).
С физической точки зрения ПЗС интересны
тем, что электрический сигнал в них представлен
не током или напряжением, как в большинстве
других твердотельных приборах, а зарядом.
ПЗС с виртуальной фазой
Один из наиболее эффективных способов расширения
спектрального диапазона измерительного
прибора — использование ПЗС с виртуальной фазой.
Суть этого способа в том, что один из электродов
обычного ПЗС заменяется на мелкий замкнутый
на стоп-каналы слой p-типа непосредственно
на поверхности кремния (виртуальный затвор). Доза
зарядов канала под виртуальным затвором делается
больше, чем под тактовыми затворами. Структура
с виртуальным затвором, замкнутым на подложку,
с точки зрения канала переноса не отличается
от состояния фиксации в обычном ПЗС со
скрытым каналом.
По сравнению с обычными ПЗС, в ней около
половины площади ячейки свободны от поликремния,
отсюда высокая чувствительность в синей
и УФ областях спектра (теоретически даже
и до мягкого рентгена).
21
В отличие от обычной ПЗС (с электродами из
поликристаллического кремния, рис. 1), ПЗС с виртуальной
фазой (рис. 2) обладают высокой квантовой
эффективностью и чувствительностью в большем
диапазоне длин волн (240–1000 нм), как показано
на рис. 3 [2].
Основные области применения ВФПЗС — системы
астроориентации и астронавигации искусственных
спутников Земли и космических станций,
наземная и космическая астрономия, экспериментальное
физическое оборудование.
Наиболее ярким примером ВФПЗС отечественного
производства являются ПЗС [1], выпускаемые
ГУП «НПП “Электрон-Оптроник”» с характеристиками,
представленными в табл. 1. Здесь
HS — скоростной (двухкаскадный) выходной узел,
LN — малошумящий (однокаскадный) выходной
узел.
Способы реализации и модели
ИК ПЗС
Матричный ИК ПЗС представляет собой монолитный
прибор со строчно-кадровым переносом
и объемным каналом. Его фоточувствительная секция
выполнена на основе диодов с барьером Шоттки
из силицида платины. Информация с фоточувствительного
массива считывается с помощью
вертикальных и горизонтального ПЗС-регистров
с четырех- или трехфазной организацией.
Существует разработка заказных ПЗС-модулей,
заключающаяся в основном в модификации
матричных и линейных фоточувствительных ПЗС
(ФПЗС), выпускаемых ведущими мировыми производителями
в соответствии с техническими требованиями
заказчика, с монтажом неохлаждаемых
ФПЗС (как в виде чипов, так и в корпусе изготовителя)
на термоэлектрические холодильники (Пельтье)
в вакуумно-плотные газонаполненные корпуса
собственной разработки и производства.
Примеры моделей ИК ПЗС отечественного
производства — ПЗС [1], выпускаемые ГУП «НПП
“Электрон-Оптроник”» с характеристиками, которые
представлены в табл. 2.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.2
22
Д. И.КЛИМОВ, В. А.БЛАГОДЫРЕВ
Рис. 1. Структура ПЗС
Рис. 2. Структура ВФПЗС
Модель ВФПЗС
Формат (число элементов)
Архитектура
Площадь пикселя, мкм2
Таблица 1. Характеристики моделей ВФПЗС ОП
ISD017
ISD029
FF
16×16
16×16
130
6
FT
ISD048
22×22
Число считывающих регистров и типы выходов 2LN, 2HS 1LN, 1HS 1HS
Фоточувствительная площадь, мм2
Заряд насыщения, тыс. эл.
Шум считывания двухкаскадного выходного
устройства (HS) при частоте 1 МГц, число эл.
Шум считывания однокаскадного выходного
устройства (LN), число эл.
Темновой сигнал при −35 ◦C, не более эл/яч/с
Неоднородность чувствительности, не более %
Таблица 2. Характеристики моделей ИК ПЗС ОП
Параметр
Формат
Тип ИК ПЗС
ISD200M ISD090
Площадь
пикселя, мкм2
Спектральный
диапазон, мкм
Зарядовая вместимость,
(число эл.)
7 ∗ 105
28×28
1,3–5,3
106
ISD091
256×290 480×320 320×240
50×33
40×40
1,2 ∗ 106
10–12
7
10–15
300
15
–
7
3
ИК-системы диапазона 8–14 мкм
Предназначены для детального рассмотрения
термообстановки в области температур от +80
до −70 ◦C. Для получения видеоизображения
в данной области длин волн требуется термоохлаждение
кристалла ПЗС азотным криостатом или
жидким азотом. Применение данных систем несет
за собой дополнительные массогабаритные ограничения
и сложность реализации целевых модулей,
а также использование специальных объективов,
выполненных из германия.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
ISD049
FT
22×22
1HS
300
15
–
ISD075
1040×1160 512×512 386×290 578×578 1225×1300
SFF
SFF
14×14
2LN, 2HS
16,6×18,6 8,2×8,2 8,5×6,4 12,7×12,7 18,8×17,2
200
130
10
6
Стр.3
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТИВОВ
Разбиение спектральных
составляющих на поддиапазоны,
в соответствии с реальными
моделями ПЗС и объективами
Рассматриваемый диапазон длин волн (0,3–
15 мкм) разобьем на поддиапазоны, в соответствии
с реальными моделями ПЗС и объективами, как
представлено в табл. 4.
В соответствии с распределением чувствительРис.
3. Зависимость квантовой чувствительности ПЗС
иВФПЗС
Разработкой подобных объективов, например,
занимается фирма Optics-M, выпускающая объективы
под штучные заказы или малыми сериями.
ИК-объективы для ИК-систем диапазона 8–
14 мкм состоят из двух асферических германиевых
линз (фокусное расстояние 50 и 100 мм) и из
двух асферических и одной сферической германиевой
линзы (фокусное расстояние 18 мм). Перефокусировка
осуществляется вручную. Объективы по
резьбе прикручиваются непосредственно к кожуху
камеры, что допускает замену фокусного расстояния
простым вкручиванием другого объектива.
В табл. 3 приведены характеристики описанных
выше объективов.
Та б л ица 3. Характеристики объективов с германиевыми
линзами
Технические характеристики
Фокусное расстояние, мм 18 50 100 18–100
Размер изображения, мм
Зона обзора, ◦
Пропускание, %
16
50 18 9
88 91 88
Задний рабочий отрезок, мм 30 33 33
50–9
70
35
ности ПЗС по диапазонам длин волн, в каждой
из точек установки видеорегистратора будут установлены
по две ВК в защитном термокожухе: одна
с ВФПЗС, другая — с ИК ПЗС. Обе камеры
настроенынаоднуитужеобласть обзора
и пересылают на наземную станцию потоки информации,
получаемой с двух камер одновременно.
Так как, согласно табл. 1 и 2, форматы изображения
ВФПЗС шире, чем ИК ПЗС, то перед
ВК с ВФПЗС необходимо устанавливать объектив
с зоной обзора примерно в 1,2–2 раза меньше,
чем у объективов, устанавливаемых перед ВК
с ИК ПЗС.
Пороговое значение
чувствительности ПЗС
Ограничение чувствительности ПЗС определяется
уровнем шумов [2], который, как видно из
табл. 1, приближенно равен сумме шума считывания
выходного устройства и темнового тока. Пороговое
значение потока излучения определяется как
Pпор = hc
λ
SN
η,(1)
где η — квантовая эффективность ПЗС
(см. рис. 3), которая имеет примерный вид нормального
распределения и определяется как отношение
среднего числа фотогенерированных фотонов
к числу фотонов, попадающих на ПЗС [2],
S — площадь фоточувствительной части ПЗС, N —
число электронов, вызывающих шумы ПЗС.
Построим семейство графиков Pпор(λ,нм) при
разных значениях η,взятых изграфика рис. 3,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
23
Стр.4
24
Д. И.КЛИМОВ, В. А.БЛАГОДЫРЕВ
Та б л ица 4. Поддиапазоны длин волн с учетом реальных ПЗС и объективов
Наименование поддиапазона
впрограмме
УФ
ВД
ИК1
ИК2
ИК3
ИК4
Примечание: ВК — видеокамера.
для ПЗС ISD017 (см. табл. 1). Для данной ПЗС
S = 16,6×18,6 (мм)= 3,088 · 10−4 м2;
N = 20.
Стоит отметить, что значение Pпор(λ) без
участия фокусирующих оптических систем очень
незначительно, поэтому для построения семейства
графиков и наглядности результатов домножим
значения Pпор на коэффициент масштабирования =
= 1019 (рис. 4).
Из графика видно, что с ростом длины волны
пороговое значение потока излучения падает.
Следовательно, большей интенсивности излучения
соответствует меньшая длина волны.
Теперь построим на одном графике зависимость
от длины волны (в нм) квантовой эффективности
и порогового значения (Pпор)потокаизлучения
(домноженного на коэффициент масштабирования
1019), применимые к матрице ISD017 (рис. 5).
Из графика видно, что значение P
уменьшается
с ростом квантовой эффективности ПЗС.
Модель идеального объектива
Идеальной моделью объектива с точки зрения
спектрального диапазона и фокусировки является
камера-обскура — простейший вид устройства,
позволяющего получать оптическое изображение
объектов, которая представляет собой светонепроницаемый
ящик с отверстием в одной из стенок
и экраном (матовым стеклом или белой бумагой)
на противоположной стенке. Лучи света, проходя
сквозь небольшое отверстие, создают перевернутое
изображение на экране. На основе камеры-обскуры
были сделаны некоторые фотокамеры.
Камера-обскура имеет отверстие диаметром
приблизительно 0,5–5 мм, выполняющее роль объектива
фотокамеры. Однако простое отверстие вместо
линзы не обеспечивает высокой резкости изображения.
До определенного предела резкость изображения
может быть повышена путем уменьшения
диаметра отверстия, но при слишком сильном
уменьшении начинают сказываться эффекты дифракции
и изображение становится еще более расплывчатым,
кроме того, резко падает освещенность
экрана (т. к. уменьшается относительное отверстие
«диафрагмы»). Обскура характеризуется бесконечно
большой глубиной резко изображаемого пространства
(глубиной резкости). Говорить о фокусном
расстоянии обскуры можно только условно.
Под эквивалентным фокусным расстоянием такой
камеры обычно понимают расстояние от отверстия
до экрана f1. Соотношение f1/d определяется, как
и в объективе, числом диафрагмы.
Пусть в нашем случае экраном камерыобскуры
будет служить фоточувствительная зона
ПЗС со сторонами a и b,адиаметротверстия d.
Расстояние от отверстия до ПЗС f1,адо поверхности,
откуда снимается изображение, f2.Размер
проецируемого изображения с рассматриваемой поверхности
D1×D2. Одно из сечений проецирования
изображения с поверхности на ПЗС через идеальный
объектив представлено на рис. 6. Число диафрагмы
будет определяться граничным значением
чувствительности ПЗС, т. е. N.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Диапазон длин
волн, мкм
0,3–0,38
0,38–0,74
0,74–1,10
1,10–5,5
5,5–8,0
8,0–15,0
Диапазон цветовых
температур, К
9653–7621
7621–3914
3914–2630
2630–525
525–362
362–190
Тип
видеорегистратора
ВК с ВФПЗС
ВК с ИК ПЗС
ИК-системы
сглубоким
термоохлаждением
Стр.5
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТИВОВ
25
Рис. 4. Семейство графиков при разных значениях квантовой эффективности для матрицы ISD017
Рис. 5. Зависимость от длины волны квантовой эффективности
и порогового значения потока излучения
для матрицы ISD017
На рис. 6 показано одно из сечений рассматриваемой
модели. Геометрическое построение сечения
со сторонами b и D2 ПЗС и плоскости изображения
соответственно аналогично. Из подобия равнобедренных
треугольников получаем:
f21(D1, f1)= f1
a D1 и f22(D2, f1)= f1
b D2. (2)
Рис. 6. Зависимость от длины волны квантовой эффективности
и порогового значения потока излучения
для матрицы ISD017
ры расположено посередине светонепроницаемого
ящика, то
Так как a ≈ b и отверстие камеры-обскуf2(D,
f1)= f21(D1, f1)+ f22(D2, f1)
2
где
D = D1 +D2
2
.
,(3)
(4)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.6
26
Д. И.КЛИМОВ, В. А.БЛАГОДЫРЕВ
сированных значениях f1 (рис. 7) для ПЗС ISD017,
представляющих собой линейную зависимость.
Построим семейство графиков f2(D) при фикПричем
с ростом f1 растет f2,аследовательно, растет
и D.
Также известно, что светосила идеального
объектива бесконечной полосы спектрального диапазона
определяется уровнем шумов, т. е.
Emin = N.
(6)
Светосила обратно пропорциональна диафрагменному
числу, т. е. чем больше диафрагменное
число, тем меньше света попадет на фоточувствительную
зону ПЗС.
Таким образом, подставляя (6) в (5), получаем
N = d
f1
⇒ d(N, f1)= f1N.
,(7)
(8)
Построим графики d(f1) при разных фиксированных
значениях N для ПЗС ISD017 (рис. 8).
Рис. 7. Зависимость расстояния от линзы объектива до
объекта от размеров объекта при различных расстояниях
от отверстия до фоторегистрирующего прибора
Важной характеристикой объектива является
светосила — величина освещенности оптических
изображений в (фокальных) плоскостях различных
оптических устройств, характеризующая степень
светопропускания объектива. Геометрическая светосила
вычисляется как отношение максимального
диаметра входного зрачка объектива к заднему фокусному
расстоянию.
Любой световой поток сквозь кольцо, которое
ограничивает источник света, определяет мощность
светового излучения этого потока, и его называют
полным световым потоком источника света.
Его величина не может быть увеличена никакими
оптическими устройствами. Световой поток
сквозь оптическую систему (объектив) может только
уменьшить свою мощность.
Камера-обскура представляет собой модель
идеального объектива, пропускающего малую долю
светового потока с бесконечно широким спектральным
диапазоном. В нашем случае светосила
будет определяться соотношением
Emin = d
f1
.
(5)
Рис. 8. Зависимость диаметра отверстия от расстояния
от линзы объектива до фоторегистрирующего прибора
при разных диафрагменных числах (N)
Как видно из рисунка, отверстие идеального
объектива тем уже, чем меньше число электронов,
вызывающих шумы ПЗС, которые определяют граничную
чувствительность ПЗС. С ростом f1 диаметр
отверстия возрастает. Это объясняется тем,
что чем больше заднее фокусное расстояние, тем
больше фотонов, пройдя через объектив, должны
попасть в нужное место фоточувствительной зоны
ПЗС.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.7
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТИВОВ
Быстродействие проецирования
изображения при идеальном
объективе
Оценим быстродействие проецирования изображения
величиной D через идеальный объектив
диаметром d и задним фокусным расстоянием f1
на фоточувствительную зону ПЗС площадью S =
= a · b. При заданных условиях время проецирования
изображения на фоточувствительную зону
ПЗС будет оцениваться как
t = D
d tПЗС,(9)
где tПЗС = 1/Fсч — время срабатывания ПЗС
после попадания на фоторегистрирующую поверхность
фотонов, а Fсч — частота считывания ПЗС.
При уменьшении частоты считывания уменьшается
уровень шумов считывания и возрастает
время накопления заряда, поэтому меньшему быстродействию
соответствует меньший диаметр отверстия
идеального объектива и большая четкость
изображения (попадание фотонов на фоточувствительную
зону ПЗС и их последующее накопление
при проецировании изображения).
Представим значения величин для оценки
быстродействия для ПЗС ISD017 при двух значениях
частоты считывания ПЗС, как показано
втабл.5.
Та б л ица 5. Оценка быстродействия проецирования
изображения на ПЗС ISD017 при модели идеального
объектива
Fсч,кГц f1,мм d,мм N f2,мм D,мм t,мс
10
1000
50
20
30
40
50
10
20
30
40
50
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
25
200
500
800
7
1000
1500
200
500
800
1000
1500
352 0,246
440 0,154
470 0,110
440 0,077
528 0,074
352 18,000
440 11,000
470 7,822
440 5,500
528 5,280
Рис. 10. Оценка быстродействия проецирования изображения
для ПЗС ISD017 при изменении диаметра отверстия
идеального объектива при частоте считывания
ПЗС 50 кГц
Используя табл. 5, построим зависимость быстродействия
проецирования изображения от диаметра
отверстия идеального объектива (рис. 9, 10).
Проецирование изображения
на ПЗС через модель реального
объектива
Напомним, что камера-обскура — модель идеального
объектива, который пропускает малый световой
поток бесконечно большого спектрального
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Рис. 9. Оценка быстродействия проецирования изображения
для ПЗС ISD017 при изменении диаметра отверстия
идеального объектива при частоте считывания
ПЗС 1 МГц
27
Стр.8
28
Д. И.КЛИМОВ, В. А.БЛАГОДЫРЕВ
диапазона. Светосила данного объектива очень мала
и определяется уровнем шумов фоторегистрирующего
прибора. Для увеличения светосилы требуется
перейти к реальному объективу, светосила
которого будет E = k · Emin,где k = So/S,причем
S = a · b — площадь фоточувствительной зоны
ПЗС, So = π
стия объектива диаметром d. Следовательно, для
светосилы объектива получаем выражение
E = πd2
4Nab.
4d2 — площадь действующего отвер(10)
Построим
зависимость E(d) для ПЗС ISD017
при двух значениях N (рис. 11).
объектива к диаметру его действующего отверстия,
т. е.
K = f/d.
Подставляя (11) в (12), получим:
K = 1
d
S
N.
(13)
Чем выше диафрагменное число, тем меньший
световой поток пройдет через объектив и тем меньше
будет его светосила [3]. Из (13) видно, что диафрагменное
число также увеличивается при уменьшении
уровня шумов ПЗС (а следовательно, и при
уменьшении частоты считывания ПЗС). Величина,
обратная диафрагменному числу, называется относительным
отверстием объектива.
Быстродействие проецирования
изображения при использовании
реального объектива
Оценим задержку проецирования изображения
на фоточувствительную зону ПЗС ISD017 с учетом
свойств реального объектива. Для этого построим
график d(E) (рис. 12), выразив зависимость через
соотношение (10):
Рис. 11. Зависимость светосилы от действующего отверстия
объектива для ПЗС ISD017
Чем больше уровень шумов, тем больший порогчувствительностиуПЗС
итем больший световой
поток должен пройти через объектив на фоточувствительные
элементы ПЗС. Следовательно,
при увеличении уровня шумов ПЗС требуется выбирать
объектив с большей светосилой, а значит,
и с большим действующим отверстием.
Учитывая то, что в геометрическом смысле
светосила также определяется как So/f2 [3], где
f — фокусное расстояние объектива, то, принимая
во внимание (10),
N
ab = 1
f2 → f =
S
N.
(11)
Существует понятие диафрагменного числа
[3], равного отношению фокусного расстояния
d(E)=
4SE
πN .
(14)
Затем представим значения величин для оценки
быстродействия для ПЗС ISD017, сведя их в табл. 6
при двух значениях частоты считывания ПЗС.
Как видно из рис. 9, 10, 13 и 14, при увеличении
действующего отверстия объектива быстродействие
проецирования изображения на фоточувствительную
зону ПЗС ускоряется, потому что
с увеличением диаметра действующего отверстия
увеличивается и его светосила, а следовательно,
и доля светового потока. Время накопления фотонов
на ПЗС уменьшается при переходе от модели
идеального объектива к модели реального.
Стоит отметить, что для ВК на КА или РН
необходимо использовать длиннофокусные объективы,т.
к.из рис.6,7исоотношения (2)следует,
что чем больше расстояние до объекта, тем больше
должно быть фокусное расстояние объектива.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
(12)
Стр.9
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТИВОВ
29
Рис. 12. Зависимость действующего отверстия от светосилы
объектива для ПЗС ISD017
Та б л и ц а 6. Оценка быстродействия проецирования
изображения на ПЗС ISD017 при модели реального
объектива
Fсч,кГц E d,мм N D,мм f2,мм t,мс
0,2 3,35
0,3 4,10
0,5 5,30
0,8 6,70
1,0 7,50
0,2 1,77
0,3 2,17
0,5 2,80
0,8 3,55
1,0 3,97
1000
25
200
500
800
50
7
1000
1500
200
500
800
1000
1500
352
440
470
440
528
352
440
470
440
528
0,107
0,105
0,089
0,070
0,066
4,052
3,971
3,352
2,663
2,481
При уменьшении расстояния от объекта до объектива
в КА и РН для сохранения модели используемого
объектива необходимо увеличить глубину
резкости, т. е. увеличить диафрагменное число путем
уменьшения действующего отверстия объектива
в соответствии с соотношением (12). Настройку
диаметра действующего отверстия объектива ВК
предполагается проводить при монтаже ВК на РН.
Следует учитывать, что при уменьшении d увеличивается
задержка проецирования изображения на фоторегистрирующий
прибор, как следует из соотношения
(12) и рис. 13, 14, однако даже при Fсч =
= 50 кГц задержка проецирования составляет
не более 200 мкс. Тем не менее, при наземной
Рис. 13. Быстродействие проецирования изображения
при модели реального объектива (частота считывания
ПЗС IDS017 1 МГц)
Рис. 14. Быстродействие проецирования изображения
при модели реального объектива (частота считывания
ПЗС IDS017 50 кГц)
обработке ВИдля измерения температуры разницу
задержек проецирования для конкретных выбранных
моделей объективов и ПЗС нужно учитывать.
Список литературы
1. Вишневский Г.И., Выдревич М. Г., Нестеров В.К.,
Ривкинд В.Л. Отечественные УФ и ИК ФПЗС
и цифровые камеры на их основе / Электроника:
наука, технология, бизнес, 2003, №8.
2. Формозов Б. И. Аэрокосмические фотоприемные
устройства в видимом и инфракрасном диапазонах.
СПбГУАП, 2002. 120 с.
3. Кулагин С.В., Апарин Е.М. Проектирование фотои
киноприборов». М.: Машиностроение, 1986.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.10