Активная атермализация двухдиапазонных ИК-вариообъективов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Активная атермализация двухдиапазонных ИК-вариообъективов

Г.И. Грейсух 1, И. А. Левин 2, С.В. Казин 1 1 Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза, Россия, 2 ПАО «Красногорский механический завод им. С.А. Зверева», Красногорск, Россия

Аннотация

Для простых по конструкции средне- и длинноволновых двухдиапазонных инфракрасных рефракционных и рефракционно-дифракционных тепловизионных вариообъективов показана возможность сохранения во всем интервале изменения фокусного расстояния высоких и практически неизменных оптических характеристик при перепаде температур от - 40 до +40°C. Атермализация для любого фокусного расстояния достигается перемещением вдоль оптической оси объектива одного двухлинзового компонента или одиночной линзы, не задействованных в процессе зуммирования, что позволило, в частности, компенсацию терморасфокусировки и фокусировку объектива на дистанцию до объекта съемки осуществлять с использованием одного и того же фокусировочного механизма и при этом сохранять габарит и герметичность оптической системы.

Ключевые слова: двухдиапазонное ИК-излучение, рефракционный и рефракционно-дифракционный вариообъектив, активная атермализация.

Цитирование: Грейсух, Г.И. Активная атермализация двухдиапазонных ИК-вариообъективов / Г.И. Грейсух, И. А. Левин, С.В. Казин // Компьютерная оптика. - 2020. - Т. 44, № 6. - С. 931936. - DOI: 10.18287/2412-6179-C0-775.

Citation: Greisukh GI, Levin IA, Kasin SV. Active athermalization of dual-infrared zoom lenses. Computer Optics 2020; 44(6): 931-936. DOI: 10.18287/2412-6179-C0-775.

Введение

Одним из перспективных направлений в современном оптическом приборостроении является направление, связанное с разработкой и созданием оптики, предназначенной для работы в нескольких спектральных диапазонах [1, 2, 3]. В видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах это прежде всего массовая оптика фото- и видеофиксации (от камер мобильных телефонов и автомобильных видеорегистраторов до охранных систем видеонаблюдения). В более длинноволновом диапазоне, включающем среднее (3,7 - 5 мкм) и дальнее (8 - 11 мкм) ИК-излучение, это оптика тепловизоров и систем технического зрения (в частности, беспилотных наземных, подводных и воздушных транспортных средств). При этом очевидно, что возможность непрерывного изменения масштаба изображения, формируемого объективом таких мультиспектральных оптических систем, позволяет минимизировать потери информации при его дальнейшей обработке. Это, в свою очередь, обуславливает всё возрастающий интерес, в частности, к двухдиапазонным ИК-вариообъективам (см., например, [4]).

Здесь следует заметить, что одним из основных требований, предъявляемых к ИК-системам, является сохранение заданных оптических характеристик в рабочем температурном диапазоне. Удовлетворить это требование невозможно без компенсации влияния температурных воздействий на параметры линз и деталей конструкции оптической системы. Действительно, при изменении температуры изменяются показатели преломления оптических сред, а также ли-

нейные размеры оптических элементов (толщины, радиусы кривизны, коэффициенты асферичности поверхностей) и деталей конструкции, таких как линзовые оправы, промежуточные кольца и корпус системы. В результате чего смещаются положения фокальных плоскостей, меняются фокусные расстояния ва-риообъектива и ход лучей в нем. При этом превалирующее влияние на качество формируемого изображения оказывает температурное изменение величины рабочего отрезка объектива - расстояния от последней линзы или присоединительного торца вариообъ-ектива до плоскости изображения, а точнее плоскости, в которой качество изображения наилучшее (плоскости наилучшей установки (ПНУ)). Если этот сдвиг превышает допустимую глубину резкости, его необходимо компенсировать в первую очередь. В ряде простейших случаев, относящихся, как правило, к монофокальным объективам, такая компенсация возможна методом пассивной атермализации, предполагающим в процессе проектирования оптико-электронного прибора, в том числе на этапе расчёта оптической схемы, произвести соответствующий подбор материалов линз, оправ и корпусных деталей [5, 6]. В случае же вариообъективов для компенсации сдвига ПНУ приходится использовать ручную или автоматическую электромеханическую подфокуси-ровку, т.е. применять активную атермализацию [5, 7].

Цель настоящей статьи - рассмотреть несколько наиболее удачных вариантов активной атермализации двухдиапазонных (3,7 < X < 11 мкм) рефракционного и рефракционно-дифракционного ИК-вариообъекти-вов, представленных в работе [8], и оценить эффективность каждого из них.

1. Атермализация двухдиапазонного рефракционного ИК-вариообъектива

Схема рассматриваемого вариообъектива, представленная на рис. 1 работы [8], относится к N-P-P типу, т.к. состоит из трех двухлинзовых компонентов, и при этом первый из них имеет отрицательную (Negative), а последующие два положительные (Positive) оптические силы. Примерно трехкратное непрерывное изменение масштаба изображения, сопровождающее зуммирование, т.е. изменение фокусного расстояния объектива, достигается за счёт плавного перемещения его положительных компонентов. При этом фронтальный отрицательный компонент неподвижен относительно плоскости изображения, чем и обеспечивается неизменность габарита объектива при зуммировании.

Рис. 1. Оптическая схема атермализованного рефракционного ИК-вариообъектива в промежуточной конфигурации, соответствующей/'2 = 54 мм

Тот или иной вариант атермализации объектива моделировался в программном пакете оптического проектирования 2БМЛХ [9]. При этом исходные конструктивные параметры вариообъектива, которые переносились из табл. 2 и 3 работы [8], полагались соответствующими температуре окружающей среды +20°С. Кроме того, полагалось, что такие детали конструкции объектива, как оправы линз, промежуточные кольца и корпусной тубус, будут выполнены из алюминиевого сплава Д16 (температурный коэффициент линейного расширения а = 22,210- 6°С - 1). Изменение температуры всех оптических элементов и деталей конструкции предполагалось одновременным в диапазоне ± 40°С.

Учитывая значительную массу собранного объектива в корпусе и шлейфовый вывод электрических сигналов с фотоприемной матрицы, в качестве приемлемых вариантов подфокусировки рассматривалось не их взаимное смещение относительно друг друга, а перемещение отдельных оптических элементов объектива, выделенных в единый узел фокусировки, не задействованный в зуммировании.

Моделирование показало, что перемещение фронтального двухлинзового компонента как целого позволяет без дополнительной оптимизации остальных конструктивных параметров осуществлять подфоку-сировку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры. При этом термокомпенсация в

пределах оговоренного выше перепада температур (без учёта фокусировки на дистанцию) и для любого фокусного расстояния (из расчётного диапазона зум-мирования) обеспечивается перемещением первого компонента вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 1 мм. Что касается полихроматической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), оценённой по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм - 1, то ее падение не превышает 1,6 %, 1,9 % и 1% в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

К недостаткам этого варианта активной атермали-зации следует отнести как существенную массу под-фокусирующего двухлинзового компонента, так и изменение при подфокусировке габарита системы (расстояния от фронтальной поверхности первого оптического элемента объектива до плоскости фотоприемника). Однако изменения габарита системы можно избежать путем небольшого удлинения корпуса объектива и установки перед фронтальным двухлинзо-вым компонентом жестко закрепленной в торце корпуса прозрачной в рабочем спектральном диапазоне плоскопараллельной пластины, выполняющей функцию защитного стекла.

Альтернативный вариант активной атермализации данного ИК-вариообъектива предполагает введение в его схему дополнительной близфокальной линзы, размещаемой в узле фокусировки перед фотоприемником. В результате оптическая схема атермализо-ванного объектива приобретает вид, представленный на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Фрагмент оптической схемы атермализованного рефракционного ИК-вариообъектива: 1- оконечный двухлинзовый компонент, перемещающийся при зуммировании; 2 - жёстко зафиксированный в корпусе объектива узел фокусировки; 3 - перемещаемая близфокальная линза; 4 - фотоприёмник

Этот вариант атермализации потребовал дополнительной оптимизации по целому ряду конструктив-

ных параметров. При этом основные оптические характеристики объектива остались практически неизменными. Апертурная диафрагма фиксированного диаметра (24,15 мм) перемещается вместе с первым положительным компонентом. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения равно 121,5 мм. Фокусное расстояние, угловое поле в пространстве предметов и диафрагменное число вариообъектива в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно равны / '1 = 35 мм, 2ю1 = 29,86°, К1 = 1,3; /'2 = 54 мм, 2Ю2 = 19°, К = 1,79; /'з = 84 мм, 2юз = 12,41°, Кз = 2,42.

Конструктивные параметры и оптические характеристики объектива сведены в табл. 1 - 4. Все выше-

приведенные параметры и данные таблиц соответствуют температуре +20°С. Преломляющие поверхности объектива с номерами 2, 6, 7, 10, 14 - сферические, а остальные - асферические, задаваемые в 2ешах уравнением чётной асферической поверхности [9, 10]. Термокомпенсация при перепаде температур ±40°С для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зуммирования) обеспечивается перемещением близфокальной линзы вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 0,12 мм. При этом падение ЧКХ в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм - 1 не превышает 2,3 %, 0,5 % и 1,9 % в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Табл. 1. Основные конструктивные параметры рефракционного вариообъектива

Номер поверхности Радиус r, мм Толщина d, мм Оптический материал

Плоскость предмета œ œ -

1 43,194 10 SILICON

2 31,947 0,2 -

3 30,961 10 GERMANIUM

4 24,364 Изменяемая d4 -

Апертурная диафрагма œ 0,5 -

5 35,080 9,72 SILICON

6 252,887 0,55 -

7 497,513 8,9 GERMANIUM

8 43,256 Изменяемая d8 -

9 26,703 5,03 SILICON

10 31,337 4,21 -

11 -101,704 8,98 GERMANIUM

12 -59,464 Изменяемая du -

Фронтальная плоскость узла фокусировки œ Изменяемая dt>n -

13 46,324 1,5 GERMANIUM

14 83,333 Изменяемая d14 -

Задняя плоскость узла фокусировки 1,7 -

Плоскость изображения œ 0 -

Табл. 2. Дополнительные характеристики асферических поверхностей рефракционного вариообъектива

Номер поверхности Коэффициент асферичности при конической постоянной к = 0

а2, мм 3 а3, мм 5 а4,мм 7 а5, мм 9 а6, мм 11

1 - 1,15010 - 6 4,328-10 - 9 - 1,178-10 - 11 9,755-10 - 15 - 2,872-10 - 18

3 6,566 10 - 8 - 2,079-10 - 8 4,738-10 - 11 - 3,426-10 - 14 - 4,493-10 - 19

4 - 5,415-10 - 6 - 5,732-10 - 8 1,557-10 - 10 - 1,684-10 - 13 3,204-10 - 17

5 1,508 10 - 6 2,795-10 - 8 -2,857-10 - 10 1,494-10 - 12 - 2,976-10 - 15

8 1,534 10 - 5 - 9,660-10 - 8 2,404-10 - 9 - 2,116-10 - 11 6,796-10 - 14

9 - 5,684 10 - 6 2,080-10 - 8 - 8,041-10 - 11 5,108-10 - 13 - 1,667-10 - 15

11 3,997 10 - 5 - 8,416-10 - 8 - 6,045-10 - 10 4,741-10 - 12 - 7,702-10 - 15

12 3,97110 - 5 - 2,913-10 - 8 - 5,638-10 - 10 3,486-10 - 12 - 4,511-10 - 15

13 - 8,876 10 - 6 - 2,697-10 - 7 5,046-10 - 9 - 2,994-10 - 11 6,696-10 - 14

2. Атермализация двухдиапазонного рефракционно-дифракционного ИК-вариообъектива

Оптическая схема рефракционно-дифракционного ИК-вариообъектива, представленная на рис. 3 работы [8], также относится к МР-Р типу, но отличается от схемы рефракционного ИК-вариообъектива тем, что на плоской поверхности рефракционной линзы, ближай-

шей к апертурной диафрагме, размещена двухслойная двухрельефная дифракционная микроструктура, а оптический материал GERMANIUM во всех трех компонентах объектива заменен на халькогенидное стекло марки IRG26. В результате увеличена светосила объектива во всем диапазоне зуммирования при сохранении остальных оптических характеристик.

Исследование возможностей атермализации ре-фракционно-дифракционного ИК-вариообъектива

показало, что, как и в случае рефракционного варио-объектива, имеются как минимум два эффективных варианта решения этой задачи.

Табл. 3. Параметры рефракционного вариообъектива, изменяемые при зуммировании

Параметр Номер конфигурации

1 2 3

Толщина ¿4, мм 37,314 22,359 6,684

Толщина ¿8, мм 16,932 34,084 50,979

Толщина ¿12, мм 3,856 1,659 0,439

Значения дифракционно-

ограниченнои полихроматической ЧКХ на простран- 0,69 0,60 0,49

ственной частоте 25 мм - 1

Минимальные значения по-

лихроматической ЧКХ, оце-

ненные по меридиональным

и сагиттальным составляю- 0,55 0,38 0,4

щим в пределах всего поля

зрения, на пространственной

частоте 25 мм - 1

Табл. 4. Параметры рефракционного вариообъектива, изменяемые в процессе автофокусировки

Параметр Конфигура- Температура

ция - 40 С + 20 С + 40 С

Толщина ¿фп, мм 1 0,917 1,008

2 0,938 1 0,991

3 0,947 1,038

Толщина ¿14, мм 1 1,195 1,106

2 1,174 1,114 1,123

3 1,165 1,076

Первый вариант предполагает перемещение вдоль оптической оси фронтальной рефракционной линзы отрицательного компонента вариообъектива. Это позволяет без дополнительной оптимизации остальных конструктивных параметров осуществлять под-фокусировку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры. При этом термокомпенсация в пределах оговоренного выше перепада температур (без учёта фокусировки на дистанцию) для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зумми-рования) обеспечивается перемещением фронтальной линзы на расстояние не более 0,3 мм. Что касается ЧКХ, оценённой по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм - 1, то ее падение не превышает 6,3 %, 4,3 % и 2% в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Альтернативный вариант активной атермализации данного рефракционно-дифракционного ИК-варио-объектива с целью сохранения габаритных размеров системы предполагает перемещение вдоль оптической оси не фронтальной, а второй рефракционной линзы отрицательного компонента вариообъектива. Эта линза размещается в узле фокусировки, как показано на рис. 3, и позволяет осуществлять подфокуси-

ровку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры.

рефракционно-дифракционного ИК-вариообъектива в промежуточной конфигурации, соответствующей /'2 = 54 мм: 1 и 2 - фронтальная и задняя плоскости узла фокусировки

Данный вариант атермализации потребовал дополнительной оптимизации объектива практически по всем конструктивным параметрам. При этом основные оптические характеристики остались неизменными. Апертурная диафрагма фиксированного диаметра (28,6 мм) перемещается вместе с первым положительным компонентом. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения равно 121,5 мм. Фокусное расстояние, угловое поле в пространстве предметов и диафрагменное число вариообъектива в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно равны / '1 = 35 мм, 2ю1 = 29,86°, К1 = 1,15; /'2 = 54 мм, 2о>2 = 19°, К = 1,62; /3 = 84 мм, 2юэ = 12,41, К3 = 2,35.

Конструктивные параметры и оптические характеристики объектива сведены в табл. 5 - 8. Все вышеприведенные параметры и данные таблиц соответствуют температуре +20°С. Преломляющие поверхности объектива с номерами 2, 7, 8, 11 - сферические, с номерами 1, 3 - 5, 9, 10, 12, 13 - асферические, а дифракционная микроструктура, размещенная на плоской поверхности третьей рефракционной линзы (на поверхности номер 6), смоделирована бесконечно тонкой фазовозадерживающей поверхностью, называемой в 2ешах Вшагу2 [9, 10]. Термокомпенсация при перепаде температур ± 40°С и для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зуммирова-ния) обеспечивается перемещением подфокусирую-щей линзы вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 0,34 мм. При этом падение ЧКХ в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм - 1 не превышает 2,6 %, 1,2 % и 0% в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Заключение

На примере ИК-вариообъективов, представленных в работе [8], для простых по конструкции средне- и длинноволновых двухдиапазонных (3,7 < X< 11 мкм)

*- поверхность типа Binary 2: m = 1, Ai = - 0,14333 мм "2, A2 = 4,26873-10 - 4 мм - 4, A3 = - 2,01999-10 - 6 мм "6, A4=-7,58874-10 - 9 мм - 8, A5 = 8,87845-10 - 11 мм - 10, A6 = - 1,99086-10 - 13 мм - 12.

Табл. 6. Дополнительные характеристики асферических поверхностей рефракционно-дифракционного вариообъектива

рефракционных и рефракционно-дифракционных кусного расстояния высоких и практически неизмен-тепловизионных вариообъективов показана возмож- ных оптических характеристик при перепаде темпе-ность сохранения во всем интервале изменения фо- ратур от - 40 до + 40°С.

Табл. 5. Основные конструктивные параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива

Номер поверхности Радиус r, мм Толщина d, мм Оптический материал

Плоскость предмета œ œ -

1 64,128 14 SILICON

2 37,326 2,5 -

Фронтальная плоскость узла фокусировки œ Изменяемая don

3 28,043 10,27 IRG26

4 29,047 Изменяемая d4 -

Задняя плоскость узла фокусировки œ Изменяемая dsn

Апертурная диафрагма œ 0,5 -

5 153,304 4,0 SILICON

6* œ 1 ZNS BROAD

7 œ 0,198 -

8 28,588 11,9 IRG26

9 21,024 Изменяемая d9 -

10 -102,161 5,920 SILICON

11 -83,248 10,370 -

12 255,152 11,97 IRG26

13 -62,397 Изменяемая du -

Плоскость изображения œ 0 -

Номер поверхности Коэффициент асферичности при конической постоянной к = 0

а2, мм 3 а3, мм 5 а4, мм ' а5, мм 9 а6, мм 11

1 - 1,378-10 - 6 - 1,284-10 - 9 3,191-10 - 13 - 5,225-10 - 16 6,736-10 - 19

3 - 7,597-10 - 6 - 2,237-10 - 9 1,642-10 - 11 1,076-10 - 14 - 2,961-10 - 17

4 - 6,901-10 - 6 - 2,766-10 - 9 4,756-10 - 11 7,908-10 - 14 - 9,187-10 - 17

5 4,216-10 - 7 2,499-10 - 9 - 2,602-10 - 11 1,207-10 - 13 - 2,116-10 - 16

9 3,333-10 - 6 7,862-10 - 9 - 5,093-10 - 12 7,540-10 - 14 - 2,140-10 - 16

10 - 6,422-10 - 6 1,583-10 - 8 - 2,351-10 - 10 1,303-10 - 12 - 3,228-10 - 15

12 3,209-10 - 6 4,041-10 - 8 - 1,678-10 - 10 3,242-10 - 13 4,263-10 - 17

13 5,168-10 - 6 3,519-10 - 9 1,706-10 - 10 - 1,176-10 - 12 2,678-10 - 15

Табл. 7. Параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива, изменяемые при зуммировании

Параметр Номер конфигурации

1 2 3

Толщина dзп, мм 23,861 10,015 0,3

Толщина d9, мм 4,563 21,922 37,067

Толщина dlз, мм 11,932 8,419 2,99

Значения дифракционно-

ограниченнои полихроматической ЧКХ на пространственной 0,72 0,62 0,47

частоте 25 мм -1

Минимальные значения поли-

хроматической ЧКХ, оценён-

ные по меридиональным и са-

гиттальным составляющим в 0,56 0,38 0,37

пределах всего поля зрения, на

пространственной частоте 25 мм -1

При этом рассмотрены различные варианты атер-мализации, предполагающие, что за изменение фокусного расстояния и за компенсацию терморасфокусировки будут отвечать разные элементы оптической схемы. Это дало возможность совместить (за исключением варианта, предполагающего использование

дополнительной близфокальной линзы) процессы атермализации и фокусировки вариообъектива на дистанцию до объекта съемки с помощью ручного или автоматического фокусировочного механизма, а также сохранить габариты и герметичность оптической системы, что защитит механизм перемещения от воздействия неблагоприятных условий внешней среды в процессе эксплуатации системы.

Табл. 8. Параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива, изменяемые в процессе фокусировки

Параметр Конфигурация Температура

- 40 С + 20 С + 40 С

Толщина don, мм 1 0,711 0,369

2 0,535 0,454 0,388

3 0,528 0,436

Толщина d4, мм 1 7,793 8,151

2 7,9690 8,062 8,132

3 7,976 8,084

У рефракционного вариообъектива в указанном диапазоне перепада температур и для любого фокусного расстояния в пределах диапазона зуммирования термокомпенсация обеспечивается перемещением вдоль оптической оси объектива либо первого ком-

понента на расстояние не более 1 мм, либо дополнительной фокусирующей линзы на расстояние не более 0,12 мм. При этом падение ЧКХ на пространственной частоте 25 мм - 1 в пределах всего поля зрения в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях в первом случае не превышает 1,6 %, 1,9 % и 1 %, а во втором 2,3 %, 0,5 % и 1,9 % соответственно.

У рефракционно-дифракционного вариообъектива при перепаде температур ± 40°С и для любого фокусного расстояния в пределах диапазона зуммирования термокомпенсация обеспечивается перемещением вдоль оптической оси фронтальной или последующей линзы первого компонента на расстояние не более

0.35.мм. При этом падение ЧКХ в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях в первом случае не превышает 6,3 %, 4,3 % и 2%, а во втором - 2,6 %, 1,2 % и 0 % соответственно.

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00081).

Литература

1. Медведев, А. В. Мультиспектральные системы различного назначения / А.В. Медведев, А.В. Гринкевич, С.Н. Князева // Фотоника. - 2015. - № 5(53). - С. 68-81.

2. Владимиров, В.М. Оптическая система для дистанционного зондирования в УФ-, видимом и ближнем ИК-диапазонах / В.М. Владимиров, В.А. Юксеев,

Е.Г. Лапухин // Компьютерная оптика. - 2020. - Т. 44, № 2. - С. 195-202. - DOI: 10.18287/2412-6179-CO-611.

3. Vizgaitis, J.N. Dual band infrared picture-in-picture systems / J.N. Vizgaitis, A.R. Hastings // Optical Engineering. - 2013. - Vol. 52, Issue 6. - 061306 (8 p).

4. Zhang, B. Design of dual-band infrared zoom lens with multilayer diffractive optical elements / B. Zhang, Q. Cui, M. Piao, Y. Hu // Applied Optics. - 2019. - Vol. 58, Issue 8. - P. 2058-2067.

5. Jamieson, T.H. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint / T.H. Jamieson // Proceedings of SPIE. - 1992. - Vol. 10265. - 1026508.

6. Медведев, А. В. Атермализация объективов прицельно-наблюдательных комплексов как средство обеспечения жизнедеятельности объектов БТВТ / А.В. Медведев, А.В. Гринкевич, С.Н. Князева // Фотоника. - 2016. -№ 2(56). - С. 94-109.

7. Reshidko, D. Optical design study and prototyping of a dual-field zoom lens imaging in the 1-5 micron infrared waveband / D. Reshidko, P. Reshidko, R. Carmeli // Proceedings of SPIE. - 2015. - Vol. 9580. - 95800C.

8. Грейсух, Г.И. Коррекция хроматизма двухдиапазонных ИК-вариообъективов / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, А. И. Антонов // Компьютерная оптика. - 2020. - Т. 44, № 2. - С. 177-182. - DOI: 10.18287/2412-6179-CO-623.

9. ZEMAX: Optical, illumination, and laser system design software [Electronical Resource]. - URL: http://www.zemax.com/products/opticstudio (request date 04.04.2020).

10. Грейсух, Г.И. Однослойные киноформные элементы для фото- и видеокамер мобильных устройств / Г. И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С. В. Казин, С. А. Степанов // Компьютерная оптика. - 2017. - Т. 41, № 2. - С. 218226. - DOI: 10.18287/0134-2452-2017-41-2-218-226.

Сведения об авторах

Грейсух Григорий Исаевич, 1943 года рождения. В 1965 году окончил Пензенский политехнический институт по специальности «Радиотехника». Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук (1990 год), профессор. Работает заведующим кафедрой физики и химии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. Является членом Европейского оптического общества (EOS) и Российского оптического общества им. Д.С. Рождественского. Г.И. Грейсух - специалист в области расчёта оптических систем, дифракционной и градиентной оптики. В списке научных работ Г.И. Грейсуха более 210 статей, 3 монографии, 9 авторских свидетельств и 2 патента. E-mail: grey@pguas.ru .

Левин Илья Анатольевич, 1987 года рождения. В 2009 году окончил Пензенский государственный университет по специальности 01.07.01 «Физика». Кандидат физико-математических наук (2013 год), работает ведущим инженером-конструктором ПАО «Красногорский механический завод им. С.А. Зверева», Красногорск. И.А. Левин - специалист в области расчёта оптических систем. В списке научных работ И. А. Левина 23 публикации. E-mail: i.a.levin@mail.ru .

Казин Сергей Владимирович, 1988 года рождения. В 2010 году окончил Пензенский государственный университет архитектуры и строительства по специальности «Информационные системы и технологии». Кандидат физико-математических наук (2012 год), Научный сотрудник кафедры физики и химии Пензенского государственного университета архитектуры и строительства. В списке научных работ С.В. Казина 14 публикаций. E-mail: grey@pguas.ru .

ГРНТИ: 29.31.29

Поступила в редакцию 29 июня 2020 г. Окончательный вариант - 6 октября 2020 г.

Active athermalization of dual-infrared zoom lenses

G.I. Greisukh1,I.A. Levin2, S.V. Kazin1 1 Penza State University of Architecture and Construction, Penza, Russia, 2 PJSC "Krasnogorsky Zavod", Krasnogorsk, Russia

Abstract

For medium- and long-wavelength dual-band infrared refractive and refractive-diffractive thermal imaging zoom lenses of simple design, we show that it is possible to maintain superb and practically unchanged optical characteristics across the temperature range from -40 to +40°C in the entire range of focal length variation. Athermalization for any focal length is achieved by moving one double-lens component or a single lens along the optical axis of the lens. Considering that these optical components are not involved in the zooming process, it becomes possible to both compensate for thermal defocusing and focus the lens on the object of interest using the same focusing mechanism, while maintaining the size and tightness of the optical system.

Keywords: dual-infrared range, refractive and refractive-diffractive zoom lens, active athermal-ization.

Citation: Greisukh GI, Levin IA, Kasin SV. Active athermalization of dual-infrared zoom lenses. Computer Optics 2020; 44(6): 931-936. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-775.

Acknowledgment: The study was funded by a grant from the Russian Science Foundation (Project No. 20-19-00081).

References

[1] Medvedev AV, Grinkevich AV, Knyazeva SN. Multispec-tral systems of different propose [In Russian]. Photonics 2015; 5(53): 68-81.

[2] Vladimirov VM, Yukseev VA, Lapukhin EG. An optical system for remote sensing in the UV, visible and NIR spectral ranges. Computer Optics 2020; 44(2): 195-202. DOI: 10.18287/2412-6179-C0-611.

[3] Vizgaitis JN, Hastings AR. Dual band infrared picture-in-picture systems. Opt Eng 2013; 52(6): 061306.

[4] Zhang B, Cui Q, Piao M, Hu Y. Design of dual-band infrared zoom lens with multilayer diffractive optical elements. Appl Opt 2019; 58(8): 2058-2067.

[5] Jamieson TH. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint. Proc SPIE 1992; 10265: 1026508.

[6] Medvedev AV, Grinkevich AV, Knyazeva SN. Objective athermalization of sighting and observation systems as an instrument to ensure functioning of armor and tank weapons [In Russian]. Photonics 2016; 2(56): 94-109.

[7] Reshidko D, Reshidko P, Carmeli R. Optical design study and prototyping of a dual-field zoom lens imaging in the 1-5 micron infrared waveband. Proc SPIE 2015; 9580: 95800C.

[8] Greisukh GI, Ezhov EG, Antonov AI. Correction of chro-matism of dual-infrared zoom lenses. Computer Optics 2020; 44(2): 177-182. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-623.

[9] ZEMAX: Optical, illumination, and laser system design software. Source:

(http://www.zemax.com/products/opticstudio).

[10] Greisukh GI, Ezhov EG, Kazin SV, Stepanov SA. Single-layer kinoforms for cameras and video cameras of mobile communication devices. Computer Optics 2017; 41(2): 218-226. DOI: 10.18287/0134-2452-2017-41-2-218-226

Authors' information

Grigoriy Isaevitch Greisukh (b. 1943) graduated (1965) from Penza Politechnical Institute, majoring in Radio Engineering. He is the deserved worker of the Russian Higher School. He received his Doctor in Technical (1990) degrees from the Leningrad Institute of Precision Mechanics and Optics. He is chief of the Physics and Chemistry department of the Penza State University of Architecture and Construction. G.I. Greisukh is EOS and D. S. Rozhdestvensky Optical Society member. His current research interests include design of optical system, diffractive and gradient-index optics. He is co-author of 210 scientific papers, 3 monographs, 9 inventions, and 2 patents. E-mail: grey@pguas.ru .

Il'ya Anatolievich Levin (b. 1987) graduated (2009) from Penza State University, majoring in Physics. He is Ph.D. and he works as a leading design engineer at PJSC "Krasnogorsky Zavod". His current research interests include design of optical systems. He is co-author of 23 scientific publications. E-mail: i.a.levin@mail.ru .

Sergey Vladimirovich Kazin (b. 1988) graduated (2010) from the Penza State University of Architecture and Construction, majoring in Information Systems and Technologies. He received his Candidate in Physics & Maths (2012) degrees from Samara State Aerospace University. He is researcher of the Physics and Chemistry department of the Penza State University of Architecture and Construction. He is co-author of 14 publications. E-mail: grey@pguas.ru .

Received June 29, 2020. The final version - October 6, 2020.