CC BY
237
УДК 681.7.015.2
Т.В. Парфёнова, Т.Н. Хацевич
СГГА, Новосибирск
ДВУХДИАПАЗОННЫЕ ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Обоснована необходимость разработки объективов для тепловизионных приборов и систем, обеспечивающих высокое качество изображения в спектральном диапазоне от 3 до 12 мкм при фиксированном положении плоскости изображения, приведен пример разработки такого объектива с малым полем зрения.
T. V Parfyonova, T.N. Khatsevich Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
DOUBLE-RANGE LENSES FOR INFRARED SPECTRUM
The authors substantiate the necessity of developing lenses for thermal imagers and systems providing high quality image in 3 - 12 цт spectral range with the image plane being fixed. The small-field lens development is presented as an example.
Разработкой двухдиапазонных матричных приемников инфракрасного излучения занят ряд ведущих зарубежных и отечественных фирм [4]. В настоящее время наиболее значительные успехи достигнуты при создании матричных приемников на базе тройных соединений КРТ (кадмий-ртуть-теллур) и структур с квантовыми ямами (СКЯ). И те, и другие могут работать как в средневолновом (3...5 мкм), так и в длинноволновом (8.. .12 мкм) ИК-диапазоне. Совершенствование технических характеристик таких приемников осуществляется быстрыми темпами [1].
Использование двухдиапазонных инфракрасных приемников дает возможность при проектировании двух- и многодиапазонных оптикоэлектронных систем [2] обеспечить объединение каналов и существенно снизить конструктивный объем тепловизионных приборов, обеспечив при этом реализацию преимуществ интегрального изображения наблюдаемых объектов, формируемых на основе изображений, полученных в нескольких спектральных диапазонах.
Вместе с тем для разработчиков оптики тепловизионных приборов и систем актуальной становится задача создания объективов, обеспечивающих высокое качество изображения в спектральном диапазоне от 3 до 12 мкм при фиксированном положении плоскости изображения. В совокупности с дополнительными требованиями к объективам тепловизионных приборов,
обусловленными, например, особенностями сопряжения с охлаждаемыми приемниками излучения [3], задача создания широкоспектральных объективов для инфракрасного диапазона спектра (по существующей классификации, относящихся к суперапохроматам) является достаточно сложной задачей оптического проектирования.
Подавляющее большинство оптических систем современных тепловизионных приборов и систем рассчитаны на определенный спектральный диапазон работы, определяемый спектральным диапазоном работы применяемых приемников излучения, а именно: либо в диапазоне от 3 до 5 мкм, либо в диапазоне от 8 до 12 мкм. Имеется ограниченное число линзовых объективов, обеспечивающих высокое качество изображения, одновременно в двух указанных инфракрасных спектральных поддиапазонах при неизменном положении плоскости изображения [3]. И вместе с тем отсутствуют конкретные рекомендации, позволяющие создавать исходные базовые оптические системы для их дальнейшего расчета с помощью известных проектировочных оптических программ. Именно такая задача поставлена в исследовании, при этом настоящий доклад является результатом исследований материалов для ИК-области спектра и расчёта оптической системы двухдиапазонного объектива коллиматорного типа.
Исходным условием оптического проектирования является тщательный анализ свойств материалов, которые могут быть использованы для расчета оптики конкретного типа. На данном этапе на основании условия обеспечения апохроматической коррекции в тонком объективе проведено исследование свойств материалов, позволившее составить таблицы комбинаций материалов, обеспечивающих возможность апохроматической коррекции в спектральном диапазоне от 3 до 12 мкм. Эффективность полученных рекомендаций по выбору материалов проверена расчетом нескольких вариантов объектива коллиматорного типа (с малым угловым полем), обеспечивающим высокую степень хроматической коррекции на оси системы.
В частности, один из вариантов двухдиапазонного объектива (рис. 1) представляет собой пятилинзовую систему апохромата со следующими характеристиками: фокусное расстояние 40 мм; относительное отверстие 1 :
0,75; рабочий спектральный диапазон от 3 до 12 мкм.
Рис. 1. Оптическая схема двухдиапазонного объектива коллиматорного типа
Оценка качества изображения представлена на рис. 2-4.
На рис. 2 приведен график хроматической аберрации положения для спектрального диапазона 3...12 мкм, демонстрирующий апохроматическую коррекцию в рассчитанном варианте объектива.
Рис. 2. Хроматическая аберрация положения
На рис. 3 представлен график функции концентрации энергии для спектрального диапазона 3.5 мкм, а на рис. 4 - для спектрального диапазона 8.12 мкм, рассчитанные в фиксированной плоскости изображения.
охрр. иіміт
0 Є328 ПЕС 0 5000 ОЕС
0 000 7 500 15 000
КТОШЭ РРОМ СЕМТЙОІО ІМ ИГЛ
Рис. 3. График функции концентрации энергии в изображении точки, построенном объективом в спектральном диапазоне 3.5 мкм
СОТ ими е 200В ОЕС 0 5000 ОЕС
0 000 7.500 15.000
КА01и5 РВОМ СБЫТКОГО 1К ЦЛ
Рис. 4. График функции концентрации энергии в изображении точки, построенном объективом в спектральном диапазоне 8.12 мкм
Проведенные исследования и оптическое проектирование вариантов объектива коллиматорного типа, подтвердившие возможность обеспечения высокой степени коррекции хроматических и сферохроматических аберраций в линзовой системе для рабочих спектральных диапазонов, лежащих в пределах от 3 до 12 мкм, являются первым этапом в разработке двухдиапазонных объективов для тепловизионных приборов, построенных на современных двухдиапазонных матричных приемниках инфракрасного излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тарасов, В.В. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приёмниками излучения [Текст] / В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. -192 с.
2. Оптические приборы наблюдения, обработки и распознавания объектов в сложных условиях [Текст] / Б.С. Алешин, А.В. Бондаренко, В.Г. Волков, Э.С. Драб, Л.М. Цибулькин. - М.: Гос. научно-исследоват. ин-т авиац. систем, 1999. -139 с.
3. Хацевич, Т.Н. Оптические системы тепловизоров на основе охлаждаемых приемников инфракрасного излучения / Т.Н. Хацевич, Е.А. Терешин // Труды 9 Международной конференции «Прикладная оптика-2010»; под ред. Ю.И. Солдатова, В.А. Зверева, М.В. Даниловой, Л.Л. Полосина, Ю.Е. Шелепина. - Санкт-Петербург 18-22 октября 2010 г.- СПб., 2010. - Т.3. - С. 96.
4. Пат. RU 2410733 С1 Российская Федерация, МПК 002Б 13/14 (2006.01), 002Б 9/64 (2006.01). Двухспектральный инфракрасный объектив с вынесенной в пространство изображений апертурной диафрагмой [Текст] / Хацевич Т.Н., Терешин Е.А.; заявители и патентообладатели Хацевич Т.Н., Терешин Е.А. - 2010101899/28; заявл. 21.01.2010; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3. -16 с.: ил.
© Т.В. Парфёнова, Т.Н. Хацевич, 2011
