Теория оптико-электронных систем

Посвящается памяти крупного ученого  
в области оптико-электронного  
приборостроения, заведующего кафедрой 
«Лазерные и оптико-электронные приборы» 
доктора технических наук, профессора  
Геннадия Михайловича Мосягина

Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации,
доктор технических наук, профессор Г.М. Мосягин 

Г.М. Мосягин

Теория оптико-электронных  
систем

Учебное пособие

Под редакцией В.Я. Колючкина

ISBN 978-5-7038-5260-6 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство  
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 

УДК 621.383:681.7.01 
ББК 32.854
 
М81 

Издание доступно в электронном виде по адресу
https://bmstu.press/catalog/item/6368/

 
Мосягин, Г. М.
М81  
Теория оптико-электронных систем : учебное пособие / 
Г. М. Мосягин ; под ред. В. Я. Колючкина. — Москва : Издатель-
ство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 348, [4] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5260-6 
Настоящее пособие подготовлено к изданию на основе конспекта 
лекций профессора Г.М. Мосягина по дисциплине «Теория оптико-
электронных систем», которые он читал студентам кафедры «Лазер-
ные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Целью 
дисциплины является эффективное освоение методов математическо-
го моделирования оптико-электронных приборов, используемых при 
выполнении базовых проектных процедур анализа и параметрической 
оптимизации.
Для студентов оптических специальностей, а также инженеров, 
занимающихся разработкой оптико-электронных приборов различно-
го назначения. 
УДК 621.383:681.7.01
ББК 32.854 

ПРЕДИСЛОВИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Геннадий Михайлович Мосягин — выдающийся ученый в 
области оптико-электронного приборостроения, д-р техн. наук, 
профессор кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Г. М. Мосягин родился в 1932 г. В 1956 г. с отличием окончил 
МВТУ им. Н.Э. Баумана, в 1959 г. — факультет усовершенство-
вания инженеров Всесоюзного заочного энергетического инсти-
тута при Московском энергетическом институте по специально-
сти «Автоматика и телемеханика». С 1956 г. работал инженером 
в НПО «Геофизика». В 1961 г. поступил в аспирантуру МВТУ 
им. Н.Э. Баумана и после ее окончания в 1964 г. защитил канди-
датскую диссертацию, в 1986 г. — докторскую. Работал на кафедре 
«Оптико-электронные приборы» в должности ведущего инжене-
ра, ассистента, старшего преподавателя, доцента, профессора, за-
ведующего кафедрой (1988–2000).
Заведуя кафедрой, Г.М. Мосягин внес значительный вклад 
в развитие кафедры. По его инициативе была открыта новая специальность «
Лазерная техника и лазерные технологии», и даже в 
это сложное для нашей страны время на кафедре продолжались 
научные работы по перспективным направлениям в области оп-
тико-электронного приборостроения.
Г.М. Мосягин является создателем научной школы по теоретическим 
основам оптико-электронных систем и методам их автоматизированного 
контроля. Он подготовил более 20 кандидатов 
и докторов технических наук. Написанные им научные труды, 
учебники и учебные пособия стали основой для подготовки студентов 
оптических специальностей в вузах нашей страны. В настоящее 
время дисциплина «Теория оптико-электронных систем» 
входит в базовую часть учебных программ подготовки инженеров 
по специальности «Электронные и оптико-электронные приборы 
специального назначения», а также бакалавров по направлениям 
подготовки «Оптотехника» и «Лазерная техника и лазерные технологии». 

Предисловие научного редактора

Первую версию курса лекций по дисциплине «Теория опти-
ко-электронных систем» Г.М. Мосягин прочитал студентам кафе-
дры «Оптико-электронные приборы» МВТУ им. Н.Э. Баумана в 
1971 г. В основу разработанного в те годы конспекта лекций были 
положены работы Э. О’Нейла «Введение в статистическую опти-
ку», А. Марешаля и М. Франсона «Структура оптического изо-
бражения», М. Борна и Э. Вольфа «Основы оптики», Дж. Гудме-
на «Введение в фурье-оптику», В.Л. Левшина «Пространственная 
фильтрация в оптических системах пеленгации». Некоторые из 
разделов курса лекций разработаны лично Г.М. Мосягиным на 
основе результатов научных исследований, проводимых под его 
руководством.
Предлагаемое учебное пособие по дисциплине «Теория оп-
тико-электронных систем», в отличие от учебника, опублико-
ванного в 1990 г., подготовлено на основе авторских материалов 
конспекта лекций Г.М. Мосягина, которые он читал вплоть до 
октября 2011 г.
В подготовке материалов данного учебного пособия при-
нимали участие кандидаты технических наук Л.Н. Тимашова, 
М.В. Колесников, Ю.К. Грузевич, И.В. Животовский и многие 
другие преподаватели и сотрудники кафедры «Лазерные и опти-
ко-электронные системы», которые с гордостью называют себя 
учениками Г.М. Мосягина.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИ 
— анализатор изображения
АИМ 
— амплитудно-импульсная модуляция
ВИМ 
— время-импульсная модуляция
ВКУ 
— видеоконтрольное устройство
ДОС 
— дифракционно-ограниченная оптическая система 
ЖК 
— жидкокристаллический
ИК 
— инфракрасный
ИОС 
— идеальная оптическая система 
КОС 
— когерентная оптическая система 
КПФ 
— когерентная передаточная функция
КФР 
— когерентная функция рассеяния
ЛПИ 
— линейка приемников излучения
МАИ 
— модулятор анализатора изображения
МВЗ 
— множество возможных значений
МПИ — матричный приемник излучения
МПФ — модуляционная передаточная функция
НКОС — некогерентная оптическая система 
НКПФ — некогерентная передаточная функция 
НКФР — некогерентная функция рассеяния
НЧ 
— низкочастотный
НЭ 
— нелинейный элемент
ОПФ 
— оптическая передаточная функция
ОС 
— оптическая система
ОЭП 
— оптико-электронный прибор
ОЭС 
— оптико-электронная система
ПИ 
— приемник излучения
ППФ 
— пространственная передаточная функция
ПЧС 
— пространственно-частотный спектр 
ПФ 
— передаточная функция
РОС 
— реальная оптическая система 
СВ 
— случайная величина
СД 
— светодиод
УФ 
— ультрафиолетовый

Список сокращений

ФИМ — фазоимпульсная модуляция
ФОП — функционал отношения правдоподобия
ФПУ — фотоприемное устройство
ЧИМ — частотно-импульсная модуляция
ЧВС 
— частотно-временной спектр
ЧКОС — частично когерентная оптическая система 
ЧС 
— частотный спектр
ЧФХ 
— частотно-фазовая характеристика
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ЭЛТ 
— электронно-лучевая трубка
ЭС 
— электронная система

ВВЕДЕНИЕ

Оптико-электронные приборы (ОЭП) открывают широкие 
возможности для познания окружающего мира, приема, передачи 
и обработки значительных массивов данных. В связи с этим ОЭП 
используются практически во всех областях науки и техники.
Прогресс в области оптико-электронного приборостроения 
связан с совершенствованием элементной базы, используемой в 
ОЭП, а также развитием методик проектирования, в основе которых 
лежат методы математического моделирования.
Целью дисциплины «Теория оптико-электронных систем» является 
изложение теоретических основ преобразования сигналов 
элементами, входящими в состав ОЭП. Несмотря на разнообра-
зие принципов действия и функционального назначения ОЭП, 
математическое моделирование позволяет перейти к достаточно 
общему описанию этих приборов как объектов проектирования 
для выполнения базовых проектных процедур, в том числе ана-
лиза и параметрической оптимизации. 

Определение оптико-электронного прибора

Принципиальное отличие ОЭП от радиотехнических, аку-
стических и других приборов, аналогичных по назначению, за-
ключается в том, что в них осуществляется обработка оптических 
сигналов. Этот фактор в значительной степени определяет специ-
фику входящих в состав ОЭП элементов, особенности схемного 
построения этих приборов, а также алгоритмов, используемых 
для обработки сигналов.
Оптико-электронный прибор — сложная система, в состав 
которой входят оптические, фотоэлектрические, электронные, 
вычислительные и механические устройства, которые, в свою 
очередь, также представляют собой достаточно сложные подси-
стемы. В связи с этим вместо термина «ОЭП» часто используют 
термин «оптико-электронная система» (ОЭС). Обобщая извест-
ные определения, будем считать, что ОЭП — это сложная систе-

Введение

ма, элементы которой осуществляют преобразование оптических 
и электрических сигналов для извлечения информации об объ-
ектах или явлениях, используемой для принятия управленческих 
решений.

Классификация оптико-электронных приборов 

Классификация ОЭП осуществляется по различным призна-
кам: назначению, областям применения, принципам формиро-
вания оптического сигнала, рабочему спектральному диапазону 
излучения, степени участия оператора в анализе принятого опти-
ческого сигнала и др. Рассмотрим классификации ОЭП.
По функциональному назначению:
• информационные;
• измерительные;
• следящие.
По областям применения:
• промышленные;
• военные;
• транспортные;
• медицинские;
• научные;
• для обеспечения безопасности.
По принципам формирования входного оптического сигнала:
• пассивные;
• активные;
• полуактивные.
По рабочему спектральному диапазону:
• ультрафиолетового (УФ) диапазона;
• инфракрасного (ИК) диапазона;
• видимого диапазона.
По степени когерентности источника оптического излучения:
• когерентные (лазерные);
• некогерентные;
• частично когерентные.
По степени участия оператора:
• автоматические (автономные);
• неавтоматические (управляемые человеком-оператором);
• полуавтоматические (комбинированные).
Для задач проектирования ОЭП наиболее существенной яв-
ляется классификация по назначению, так как именно с этим