CC BY
61
УДК 681.7.067.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ С ПОЗИЦИИ МОДЕЛИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ОБЪЕКТИВА
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
Евгений Витальевич Дружкин
ООО «ЛУГГАР», 630049, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 200, генеральный директор, тел. (383)249-63-39, e-mail: 2496339@mail.ru
Представлена математическая модель двухкомпонентного светосильного линзового объектива с учетом допустимого отклонения от телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений (до ±10°). Исследование модели проведено для различных относительных значений у' (полудиагональ чувствительной площадки приемной матрицы). Определена область решений, учитывающая ограничения, накладываемые требованиями мало-габаритности. Приводятся результаты структурного анализа группы из 15 линзовых светосильных объективов малогабаритных тепловизионных приборов, имеющих фокусное расстояние от 15 до 80 мм при относительных отверстиях от 1 : 0,85 до 1 : 1,2. Отмечается соответствие параметров анализируемой группы объективов и области решений, полученной по математической модели двухкомпонентного светосильного объектива. Предлагаемая математическая модель дает научно-техническое обоснование оптимальности разработанных авторами оптических систем объективов для малогабаритных тепловизионных приборов. Использование найденных соотношений представляет интерес для практической разработки новых оптических систем объективов.
Ключевые слова: малогабаритные тепловизионные приборы, двухкомпонентная модель объектива, телецентрический объектив, допустимая нетелецентричность, структурный анализ оптических систем, термостабилизированные объективы, светосильные объективы, проектирование оптических систем.
Введение
В области оптико-электронного приборостроения тепловизионные приборы занимают одну из ключевых позиций. Современный уровень развития элементной базы тепловизионных приборов обеспечивает наличие на рынке большого количества тепловизионных приборов различного назначения. Исследования по оптическим системам [1, 2], приемникам, электронным модулям и обработке сигналов [3, 4], конструктивным исполнениям, тенденциям [5], моделированию в различных условиях применения и эксплуатации приборов [6, 7] широко представлены в научно-технической литературе. Совершенствование тепловизионных приборов и их элементной базы продолжается и в настоящее время, о чем свидетельствуют статьи и патенты двух последних лет [8-12]. Настоящая работа направлена на исследование малогабаритных тепловизионных приборов, в частности, рассматриваются их оптические системы.
Оптические системы занимают значимую долю в общей стоимости теп-ловизионного прибора. Согласно монографии [13], «совершенствование
неохлаждаемых многоэлементных приемников (МПИ) излучения и технологии их изготовления стало приводить к тому, что наиболее существенной составляющей в структуре цены на инфракрасные системы с такими МПИ с конца 1990-х гг. часто является стоимость оптической системы». Такая ситуация, отмеченная на момент выхода монографии [13] в 2004 г., сохраняется до настоящего времени.
Поэтому разработка и производство оптических систем являются важным этапом при создании тепловизионных приборов как с точки зрения трудоемкости разработки, так и стоимости прибора.
Предметом исследования являются линзовые объективы для малогабаритных тепловизионных приборов и их математические модели.
Проблема заключается в поиске адекватной и практичной математической модели, упрощающей нахождение эффективного сочетания параметров при разработке оптической системы линзового объектива.
В исследовании использованы аналитические методы параксиальной геометрической оптики, компьютерные методы анализа и оптимизации оптических систем.
Основные требования к оптическим системам объективов
Принципиальная модель оптической системы малогабаритного тепловизи-онного прибора должна быть построена с учетом совокупности большого количества требований.
Применительно к объективам, основные требования формулируются следующим образом:
- использование материалов с высоким пропусканием в рабочем спектральном диапазоне чувствительности приемника;
- согласование фокусного расстояния, относительного отверстия, углового поля с параметрами приемника и требованиями по обнаружению и распознаванию объектов на заданной дальности;
- обеспечение высокого качества изображения в пределах всего поля зрения;
- обеспечение ортоскопичности;
- обеспечение телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений для создания равномерности облученности всех точек изображения, отсутствие виньетирования;
- минимизация массы и габаритных размеров для обеспечения минимальной характеристики «конструктивный объем прибора/дальность распознавания»;
- активная или пассивная компенсация термооптических аберраций;
- возможность фокусировки на различные расстояния до объектов.
В условиях большой конкуренции в сфере выпуска и продвижения малогабаритных тепловизионных приборов на базе неохлаждаемых матричных приемников изображения, от производителей требуется быстрое реагирование на запросы рынка в части создания новых приборов или их модификаций. Поэтому способы или приемы, направленные на ускорение этапа проектирования оптики являются актуальными [14].
Имея в своем активе более двух десятков разработанных объективов для малогабаритных тепловизионных приборов и в большинстве своем апробированных на практике, авторы задались целью найти научно-техническое обоснование оптимальности разработанных оптических систем и выявить закономерности между параметрами схем. Целью данной статьи является рассмотрение оптических схем указанных объективов с позиций математической модели, построенной на двухкомпонентной оптической схеме в параксиальном приближении.
Двухкомпонентная модель и ограничения для области решений
Большая группа задач проектирования сложных оптических систем сводится к расчету двухкомпонентных схем. В частности, если под компонентами понимаются одиночные линзы, то схемы, соответственно, называются двухлин-зовыми [15, с. 271]. В предлагаемой двухкомпонентной модели линзового объектива малогабаритного тепловизора конструктивное исполнение компонента определяется его относительным отверстием, а количество линз в компоненте может быть от одной до трех или четырех. Решения с наименьшими значениями относительных отверстий каждого из компонентов схемы, с учетом ограничений по осевой длине и возможности получения положительного заднего фокального отрезка объектива, и определят области оптимальных схемных решений в рассматриваемой модели.
В схеме из двух тонких компонентов обеспечение телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений достигается тем, что апертурная диафрагма располагается в передней фокальной плоскости второго компонента, и для уменьшения диаметра первого компонента совмещается с последним (рис. 1). Таким образом, на этапе построения исходной модели закладывается условие, что диаметр первого компонента не превышает диаметр входного зрачка объектива, что связано с требованиями по минимизации массы и поперечных габаритных размеров объектива.
I
Рис. 1. Двухкомпонентная телецентрическая модель объектива
Для анализа модели выбрано относительное отверстие 1 : 1. Выбор относительного отверстия связан с тем, что рассматриваемая модель должна соответствовать высоким требованиям по обнаружению объектов в тепловизионных приборах, в которых объективы применяются. Схемы с меньшими относительными отверстиями не представляют практического интереса с позиций разработки тепловизионных приборов с конкуретноспособными характеристиками.
На основе законов параксиальной (идеальной) оптики для анализируемой модели имеют место следующие соотношения между ее параметрами:
л = /2; /' = /2; ь = 2/2
/2
/1
а
2\ = /'; ¿2 = У + 0,5 • а'Р-; К
Г
/1
=/2
1
/2
к 2
Я /1
/2
2Н.
(1)
где /[ , /2 , /' - фокусные расстояния соответственно первого компонента, второго компонента и всего объектива (см. рис. 1); Л - расстояние по оптической оси между компонентами; ь - длина объектива в тонких компонентах;
а'р< - задний отрезок; ¿1, ¿2- наибольшие световые высоты лучей на компонентах; к1, к2 - диафрагменные числа компонентов; У - размер изображения (полудиагональ чувствительной площадки приемника).
Анализ проведен при нормировке /' =1. На рис. 2 графически представлены зависимости между параметрами двухкомпонентной телецентрической модели для двух значений у', равных 0,2 и 0,4, в соответствии с соотношениями (1). Диапазон значений /[ по оси абсцисс ограничен от - 3 до +3, что является достаточным для выбора приемлемых решений. Для определения области решений, которые могут быть использованы для создания исходной системы телецентрического объектива малогабаритного тепловизора, наложены следующие ограничения на параметры:
к > 1; К 2 > 1; а'Р' > 0; Ь < 2/'.
(2)
Область решений, соответствующая условиям (2), показана на рис. 2 как диапазон значений /1 .
Анализ показывает, что поскольку при отрицательной силе первого компонента возрастает длина системы и относительное отверстие второго компонента, то, при принятых ограничениях, оба компонента рационально выполнять с положительными оптическими силами. По мере увеличения углового поля диапазон возможных решений сокращается:
- для у' < 0,2 (что соответствует угловым полям 2ю менее 23°) фокусное расстояние /2 лежит в диапазоне от 1,0 до 2,6;
- для у' < 0,4 (что соответствует угловым полям 2ю менее 43°) фокусное расстояние /2 лежит в диапазоне от 1,0 до 1,3.
Для тепловизионного прибора, в котором применен матричный приемник формата т х п элементов с шагом элементов 8, угловые поля составляют:
2юг = 2 • arctg
^ 5 N
т • 8
/'
; 2юв = 2 • arctg
с 5 N п • 8
/'
2ю
= 2 •Л/шТ2
2 2 2
где т, п - количество пикселов в матрице по горизонтали и вертикали; 8 - шаг пикселей (по горизонтали и вертикали); 2юг, 2юв, 2ю - угловые поля соответственно по горизонтали, вертикали и диагонали.
-6,0
-7,0
— а!р. I — К2 (при у'=0,2) - К2 (При у'=0,4) — К1
Рис. 2. Области решений для двухкомпонентной телецентрической модели объектива
Допустимое отклонение от телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений, при работе объектива совместно с неохлаждаемым матричным приемником изображений, определяется исходя из условия обеспечения одинаковых условий облученности всех пикселей приемника. При отсутствии виньетирования наклонных пучков допустимое отклонение главных лучей крайних пучков от телецентрического хода (нетелецентричность) может достигать до 10°-15°.
Строго телецентрическая модель, представленная выше на рис. 1, трансформирована на рис. 3 в модель с допустимой нетелецентричностью путем изменения расстояния d, при котором отклонение главных лучей наклонных пучков от телецентрического хода (угол 8') лежит в диапазоне от +10° до -10°. Указанный диапазон соответствует условию обеспечения равномерной освещенности по всему полю приемной матрицы.
Рис. 3. Двухкомпонентная модель с допустимой нетелецентричностью
Соотношения между параметрами для модели с допустимой нетелецен-тричностью 8 ', в которой входной зрачок совмещен с первым параксиальным компонентом, относительное отверстие составляет 1 : 1, выполнена нормировка /' = 1, определяются на основании известных формул произвольных тангенсов:
1) для апертурного луча 1:
Н1 = 0,5; а1 = 05; И2 = 0,5 - d • tg а1;
/1'
0,5 = tgа? + а^' = Ь = d + а; 1 /2 ^ 0,5 ^
2) для главного луча 2:
Н2 = — ^ р; 8' = Р + /Ц (4)
/2
где а и р - углы апертурного и главного лучей с оптической осью, при этом
Р2 =8', tg р = -у'.
Между параметрами d, 8' и у' выполняется соотношение
d = /2
1 +
у'
(5)
Диаметр £>2 второго компонента определяется как удвоенная наибольшая высота лучей на компоненте.
Исследование модели проведено для двух значений у' (0,2 и 0,4) и углов 8',
лежащих в диапазоне от +10° до -10°.
Для выявления области решений были расширены ограничения по диа-фрагменным числам компонентов и заднему фокальному отрезку объектива. Как известно из опыта проектирования оптических систем тепловизоров, одиночные линзы при большом показателе преломления материала могут иметь относительные отверстия до 1 : 1 и выше. Поэтому, если принять, что компонент объектива может состоять из двух таких линз, то относительное отверстие компонента может составлять до 1 : 0,5. В случае использования в объективе компонентов, имеющих вынесенные главные плоскости, задний фокальный отрезок в параксиальной модели может быть отрицательным. Поэтому при определении области решений по двухкомпонентной модели с учетом допустимой нетелецентричности приняты следующие ограничения:
а'р ' > -0,5; К1 > 0,5; К2 > 0,5; Ь < 2/'. (6)
В качестве примера на рис. 4 приведены результаты моделирования двух-компонентного объектива в области параксиальной оптики, учитывающие соотношения (3) - (5), для случая у' = 0,2, углов 8', равных +10° и -10°, относительного отверстия 1 : 1 и нормировки / =1.
Графически, в зависимости от /', представлены /2 (рис. 4, а), К1 и К2
(рис. 4, б), а'р' и Ь (рис. 4, в).
Наложение на графические зависимости ограничений (6) определяет область возможных соотношений между значениями /{ и /2. На рис. 4, а эта область заштрихована и обозначена как область решений.
/2
1: 1 \1 |\
I \ 1 \ 1 \ 1 \ 1 V 1 д 1 1 Область решений
1 1 1 1
1 1_ф -д
1 1 1 1
— 8'= -10° 8'= -10°
_£1, 8' = -10° К1, 8' = 10°
К2, 8' = -10° К2, 8' = 10° б)
в)
Рис. 4. Зависимости между параметрами в двухкомпонентной модели с нетелецентричностью 8', равной +10° и -10°, у ' = 0,2, относительное отверстие 1 : 1: а) /2 от Л ; б) К1 и К2 от /{ ; в) а'г и Ь от /{
Аналогичные исследования модели проведены и для других значений у'. На рис. 5 изображены наложенные друг на друга результаты определения областей решений для случаев у' = 0,2 и у' = 0,4 при угле 5', равном +10° и -10°, относительном отверстии 1 : 1 и нормировке / ' = 1.
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50 0,00
• рассчитанные объективы
-у' = 0,2; 5' = 10°
-у' = 0,4; 5' = 10°
Рис. 5. Области решений, соответствующие у ' = 0,4, у ' = 0,2, 5 ' = 10° и 5 ' = -10° для относительного отверстия 1 : 1 и /' = 1 (точками показаны параметры объективов, приведенных далее в таблице)
Для рассмотренных моделей возможны схемные решения, в которых оптические силы первого и второго компонентов могут принимать значения, лежащие в диапазоне от 2,0 до 0,3 и менее. При этом:
- по мере увеличения оптической силы первого компонента увеличивается диапазон оптических сил второго компонента, повышаются относительные отверстия компонентов, уменьшаются длина системы и задний фокальный отрезок;
- по мере уменьшения оптической силы первого компонента уменьшается диапазон оптических сил второго компонента, снижаются относительные отверстия компонентов, возрастает длина системы;
- при повышении у' от 0,2 до 0,4 область решений /2 уменьшается почти вдвое.
/2'
0,00
1,00
2.00
3,00
4,00
5,00
/1'
у' = 0,2; 5' = -10° у' = 0,4; 5' = -10°
При выборе исходной схемы для расчета объектива следует принимать во внимание, что решения с большим диапазоном возможных оптических сил компонентов имеют большие возможности по аберрационной коррекции.
Структурный анализ разработанных объективов
Для 15 объективов [16-22], разработанных для применения в малогабаритных тепловизионных приборах спектрального диапазона от 8 до 14 мкм, проведен структурный анализ, позволивший выделить в оптической системе каждого объектива по два компонента, вычислить по результатам расчета хода действительных лучей для каждого компонента параметры и характеристики, аналогичные использованным в параксиальной модели, а именно: фокусные расстояния компонентов, диафрагменные числа компонентов, длину объектива, задний фокальный отрезок, угол отступления от телецентричности. Результаты расчетов при нормировке / ' = 1 сведены в таблицу.
Объективы для малогабаритных тепловизионных приборов
№ п/п Обозначение объектива Кол- во линз 2и, градус у', отн. ед. /1, отн. ед. К отн. ед. К1 /2, отн. ед. ¿2, отн. ед. К2 Ь, отн. ед. < отн. ед. 8', градус
1 80/1,33 4 8,5 0,08 1,16 0,38 1,55 0,96 0,22 2,14 1,27 0,11 -0,6
2 68/1 4 11,0 0,10 1,18 0,50 1,18 0,72 0,28 1,29 1,47 0,27 1,6
3 68/1-А 3 11,0 0,10 1,17 0,50 1,17 1,22 0,24 2,60 1,26 0,17 -2,4
4 68/1-АТ 4 11,7 0,10 0,77 0,50 0,74 1,48 0,31 2,30 1,29 0,34 -2,6
5 50/1 4 15,0 0,13 1,31 0,50 1,31 0,67 0,31 1,08 1,55 0,26 3,4
6 51/1-А 3 15,2 0,13 1,25 0,50 1,25 1,10 0,35 1,57 1,31 0,20 -0,8
7 40/1-АТ 4 19,2 0,17 0,70 0,50 0,70 1,71 0,33 2,59 1,24 0,31 1,6
8 36/1 4 25,0 0,22 1,79 0,50 1,79 0,62 0,50 0,62 1,75 0,35 10,6
9 30/1 4 25,5 0,23 1,74 0,50 1,74 0,68 0,46 0,74 1,67 0,34 7,3
10 30/1-АТ 3 25,0 0,23 0,72 0,53 0,67 1,16 0,47 1,23 1,34 0,27 2,2
11 34/1 4 22,4 0,24 1,45 0,50 1,45 0,59 0,39 0,76 1,53 0,26 9,6
12 24/1,2 4 28,0 0,25 1,65 0,44 1,88 1,09 0,42 1,30 1,70 0,36 -0,8
13 22/0,85-А 3 35,2 0,32 2,29 0,59 1,94 0,69 0,53 0,65 1,52 0,35 3,6
14 20/0,85-А 3 36,9 0,35 1,54 0,59 1,31 0,97 0,50 0,97 1,55 0,39 -4,5
15 15/1-А 4 50,0 0,47 2,07 0,63 1,64 0,73 0,72 0,51 1,70 0,36 6,6
Обозначения объективов построены по схеме «Фокусное расстояние / диа-фрагменное число - А (при наличии асферических поверхностей) Т (при обеспечении пассивной термостабильности)». Под «пассивно термостабильными» понимаются объективы, оптическая система которых обеспечивает отсутствие смещения плоскости изображения относительно чувствительной площадки приемника с учетом температурных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса и промежуточных колец в конструкции объектива, а также
неизменность фокусного расстояния объектива в рабочем диапазоне температур эксплуатации тепловизионного прибора.
В таблице приведены параметры трех- и четырехлинзовых объективов с фокусными расстояниями от 15 до 80 мм, относительными отверстиями от 1 : 0,85 до 1 : 1,2, угловыми полями от 50° до 8,5°. Значения у' находятся в диапазоне от 0,08 до 0,47 при принятой нормировке.
На примере объектива 68/1 продемонстрировано деление четырехлинзово-го объектива на два компонента: в первый компонент включена линза 1, в состав второго компонента - линзы 2, 3 и 4 (рис. 6). Объектив предназначен для использования совместно с матричным болометрическим приемником, имеющим формат 640 х 480 элементов, с шагом пикселей 17 мкм. Угловое поле по диагонали приемника составляет 11 °, диагональ приемника составляет примерно 0,2 от фокусного расстояния объектива.
Рис. 6. Объектив 68/1
На рис. 6 на схему объектива наложено изображение главных плоскостей первого и второго компонентов, положение фокусов компонентов, показан ход лучей через преломляющие поверхности объектива и ход апертурного и главного лучей, построенный для параксиальной (идеальной) модели. Очевидно, что, в силу хорошей аберрационной коррекции в рассматриваемом объективе, на выходе объектива лучи, построенные на основе параксиальной модели, совпадают с соответствующими лучами, ход которых определен по результатам трассировки действительных лучей через все преломляющие поверхности линз 1-4.
Рассмотренный пример объектива также демонстрирует, каким образом в реальной оптической системе происходит увеличение заднего фокального отрезка при использовании в качестве компонента нескольких линз, в которых главные плоскости смещены относительно первой и последней преломляющих поверхностей компонента.
Значения диафрагменных чисел компонентов, полученные в результате структурного анализа и приведенные в таблице, колеблются от 0,6 до 2,6. Значения угла отступления от телецентричности находится в диапазоне от 0,6° до 10,6°.
Полученные в результате структурного анализа значения /1 и / 2 для каждого из объективов наложены на рис. 5 на область решений, полученную в результате анализа параксиальной модели двухкомпонентного объектива. Полученные точки обозначены цифрами, соответствующими номеру объектива в таблице. Несмотря на то, что в анализируемых объективах значения у ' превышают исследованный в параксиальной модели диапазон, точки для всех объективов практически попали в заштрихованную на рис. 5 область решений.
Между параметрами всей группы объективов, представленных в таблице, имеют место следующие соотношения:
Между фокусными расстояниями компонентов Между оптическими силами компонентов
/1 = (0,7 ^ 2,3)/' ф1 = (1,5 ^ 0,4)ф
/2 = (0,6 ^ 1,7) / ' ф2 = (1,6 ^ 0,6)ф
/1 = (0,4 ^ 2,9) /2 ф1 = (2,5 ^ 0,3)ф2
Длина оптической системы вдоль оптической оси, включая задний фокальный отрезок, превышает фокусное расстояние объектива от 1,2 до 1,7 раз. При этом относительное значение заднего фокального отрезка колеблется от 0,17 (для наибольшего фокусного расстояния) до 0,40 (для малых фокусных расстояний объективов, представленных в таблице).
Термостабилизированные объективы (номера 4, 7, и 10) имеют ограниченную область решений, для них ф1 = (1,5 ^ 0,4)ф; ф2 = (1,6 ^ 0,6)ф. Кроме того, в силу использования в их оптических системах компонентов со смещенными (или вынесенными) главными плоскостями, соответствующие им точки на рис. 5 находятся в части области решений параксиальной модели с отрицательным задним отрезком.
Представленные в табл. 1 объективы имеют высокую аберрационную коррекцию, позволяющую применять их с современными матричными приемниками изображений с шагом пикселей 0,017 мм.
Применимость предлагаемой математической модели
На основании сравнения параметров 15 разработанных объективов с двух-компонентной моделью объектива, учитывающей отклонение хода главных лучей от телецентрического в пространстве изображений, можно утверждать, что, с одной стороны, предлагаемая математическая модель дает научно-техническое обоснование оптимальности разработанных оптических систем объекти-
вов [16-22] для малогабаритных тепловизионных приборов, с другой, позволяет определить границы изменения параметров компонентов при разработке новых оптических систем, что при компьютерной оптимизации конструктивных параметров, по мнению авторов, ускоряет процесс создания новых оптических систем объективов.
Заключение
По результатам анализа светосильных линзовых объективов с учетом ограничений, накладываемых требованиями малогабаритности, в результате проведенных исследований сделаны следующие выводы.
1. Предложена математическая модель светосильного линзового объектива для малогабаритного тепловизионного прибора на основе неохлаждаемого матричного приемника изображений, основанная на двухкомпонентной схеме с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений. Исследование модели с учетом наложенных ограничений (допустимые отклонения от телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений, относительные отверстия компонентов, длина объектива, ограничения по заднему фокальному отрезку) позволило определить области решений для создания малогабаритных систем тепловизионных приборов.
2. Показано, что для создания телецентрического светосильного объектива возможны схемные решения, в которых оптические силы первого и второго компонентов могут принимать значения, лежащие в диапазоне от 2,0 до 0,3 и менее, при этом:
- по мере увеличения оптической силы первого компонента увеличивается диапазон оптических сил второго компонента, повышаются относительные отверстия компонентов, уменьшаются длина системы и задний фокальный отрезок;
- по мере уменьшения оптической силы первого компонента уменьшается диапазон оптических сил второго компонента, снижаются относительные отверстия компонентов, возрастает длина системы;
- при повышении у' с 0,2 до 0,4 область решений /2 уменьшается почти вдвое.
3. Структурный анализ группы из 15 объективов, разработанных для малогабаритных тепловизионных приборов, показал следующее:
- по значениям параметров компонентов разработанные объективы практически все попали в область решений, полученную по математической модели;
- значения диафрагменных чисел компонентов колеблются от 0,6 до 2,6;
- угол отступления от телецентричности находится в диапазоне от 0,6° до 10,6°;
- между оптическими силами компонентов имеют место следующие соотношения: ф1 = (1,5 ^ 0,4) ф; ф2 = (1,6 ^ 0,6) ф; ф1 = (2,5 ^ 0,3)ф2;
- длина оптической системы вдоль оптической оси, включая задний фокальный отрезок, лежит в диапазоне от 1,2 до 1,7 от фокусного расстояния объектива.
4. Предлагаемая математическая модель дает научно-техническое обоснование оптимальности разработанных авторами оптических систем объективов для малогабаритных тепловизионных приборов.
5. При компьютерной оптимизации конструктивных параметров в ходе разработки новых оптических систем объективов для малогабаритных теплови-зионных приборов рекомендуется использовать ограничения по значениям оптических сил (фокусных расстояний) компонентов схемы.
6. На этапе схемотехнического проектирования при оценке габаритных размеров вновь проектируемого тепловизионного прибора на основе неохлаж-даемого матричного приемника можно рекомендовать использовать условие: длина оптической системы объектива должна находиться в диапазоне от 1,2 до 1,7 от фокусного расстояния объектива.
7. Дальнейшие исследования будут направлены на расширенное представление в математической модели термостабилизированных оптических систем объективов для малогабаритных тепловизионных приборов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кулакова Н. А., Насыров А. Р., Несмелова И. М. Современные тенденции создания оптических систем для инфракрасной области спектра // Оптический журнал. - 2010. - № 77 (5). -С. 34-40.
2. Хацевич Т. Н. Оптика для тепловизионных приборов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Меж-дунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 36-39.
3. Прогнозирование параметров матричных фотоприемных устройств / А. И. Патра-шин, И. Д. Бурлаков, М. Д. Корнеева, В. В. Шабаров // Успехи прикладной физики. - 2014. -№ 1 (2). - С. 50-59.
4. Филиппова Е. В., Акименко Т. А. Приемники излучения тепловизионных приборов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2017. - № 2. -С.203-207.
5. Якушенков Ю. Г. Тенденции развития малогабаритных инфракрасных систем 3-го поколения, работающих активно-пассивным методом // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 3 (79). - С. 11-14.
6. Яковлев О. Тепловидение и его применение в системах охраны и обеспечения безопасности // Алгоритм безопасности. - 2008. - № 3. - С. 76-78.
7. Ураков А. Л., Фишер Е. Л. Температурное контрастирование тканей тела человека улучшает их инфракрасную визуализацию // International Journal of Applied and Fundamental Research. - 2016. - № 6. - С. 884-886.
8. Козлов С. Д., Насыров А. Р., Нигматуллина Н. Г. Вариообъективы для тепловизионных приборов наблюдения // Оптический журнал. - 2017. - № 84 (3). - С. 53-56.
9. Гаршин А. С. Особенности расчета трехлинзовых инфракрасных объективов, работающих с охлаждаемыми приемниками // Оптический журнал. - 2016. - № 83 (4). - С. 38-43.
10. Насыров А. Р. Методы атермализации оптических систем тепловизионных приборов // Оптический журнал. - 2017. - № 84 (3). - С. 57-59.
11. Пат. 2 629 887 Российская Федерация МПК5Ш02Б 13/14/ Белоусов А. И. Светосильный трехлинзовый объектив для ИК-области спектра ; заявитель Белоусов Александр Иванович (RU), патентообладатель Акционерное общество «Швабе - Оборона и Защита» (RU). 2016135400, заявл. 30.08.2016; опубл. 04.09.2017. - Бюл. № 25.
12. Пат. 2 583 338 Российская Федерация МПК51002В 13/14/ Бушмелев Николай Иванович (ЯИ), Погорельский Семен Львович (ЯИ), Просвирнов Руслан Анатольевич (ЯИ), Ши-лин Аркадий Александрович (ЯИ). Атермализованный светосильный объектив ИК-диапазона ; заявитель Бушмелев Николай Иванович (ЯИ), Погорельский Семен Львович (ЯИ), Просвирнов Руслан Анатольевич (ЯИ), Шилин Аркадий Александрович (ЯИ). Патентообладатель Акционерное общество «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова» (ЯИ). - 2015106635/28, заявл. 27.02.2015; опубл. 10.05.2016. -Бюл. № 13.
13. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа : монография. - М. : Логос, 2004. - 444 с.
14. Хацевич Т. Н., Волкова К. Д., Дружкин Е. В. Моделирование юстировки телескопических панкратических систем // Вестник СГУГиТ. - 2017. - Т. 22, № 4. - С.156-172.
15. Волосов Д. С. Фотографическая оптика: теория, основы проектирования, оптические характеристики : учеб. пособие для киновузов. - 2-е изд., испр. - М. : Искусство, 1978. -671 с.
16. Пат. на полезную модель 115514 Российская Федерация МПК51 002В 13/14/ Хацевич Т. Н. , Дружкин Е. В. Объектив для ИК-области спектра ; заявитель и патентообладатель Хацевич Татьяна Николаевна (ЯИ), Дружкин Евгений Витальевич (ЯИ). - 2012100981/28, заявл. 11.01.2012; опубл. 27.04.2012. - Бюл. № 12. - 2 с. : ил.
17. Пат. на полезную модель 125732 Российская Федерация МПК51002В 23/00 (2006.01) / Дружкин Е. В., Трясов Ю. А. Прицел тепловизионный ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Производственное объединение «Новосибирский приборостроительный завод» (ОАО «ПО «НПЗ») (ЯИ). - 2012135920/28, заявл. 21.08.2012; опубл. 10.03.2013. - Бюл. № 7.
18. Пат. на полезную модель 125734 Российская Федерация МПК51 002В 23/12 (2006.01)/ Дружкин Е. В., Трясов Ю. А. Тепловизионный наблюдательный прибор ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Производственное объединение «Новосибирский приборостроительный завод» (ОАО «ПО «НПЗ») (ЯИ). - 2012131825/28, заявл. 24.07.2012; опубл. 10.03.2013. - Бюл. № 7.
19. Пат. 2477502 Российская Федерация МПК51 002В 9/38 / Хацевич Т. Н., Друж-кин Е. В. Светосильный объектив с угловым полем не менее 25 градусов для тепловизора (варианты) ; заявитель и патентообладатель Хацевич Татьяна Николаевна (ЯИ), Дружкин Евгений Витальевич (ЯИ). - 2011133724/28, заявл. 10.08.2011; опубл. 10.03.2013. - Бюл. № 7. -22 с. : ил.
20. Пат. на полезную модель 134671 Российская Федерация МПК51 002В 9/38/ Хацевич Т. Н., Дружкин Е. В. Светосильный объектив для ИК-области спектра ; заявитель и патентообладатель Хацевич Татьяна Николаевна (ЯИ), Дружкин Евгений Витальевич (ЯИ). -2013137050/28, заявл. 06.08.2013; опубл. 20.11.2013. - Бюл. № 32. - 2 с. : ил.
21. Пат. 2538067 Российская Федерация МПК51 002В 9/62/ Хацевич Т. Н., Друж-кин Е. В. Светосильный объектив с изменяемой величиной поля зрения для тепловизора (варианты) ; заявитель и патентообладатель Хацевич Татьяна Николаевна (ЯИ), Дружкин Евгений Витальевич (ЯИ). - 2013128063/28, заявл. 18.06.2013; опубл. 10.01.2015. - Бюл. № 1. -19 с. : ил.
22. Пат. на полезную модель 154577 Российская Федерация МПК51 002В 9/34/ Хаце-вич Т. Н., Дружкин Е. В. Светосильный объектив для ИК-области спектра [Текст]; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Оптическое Расчетное Бюро» (ЯИ). - 2015112712/28, заявл. 07.04.2015; опубл. 27.08.2015. - Бюл. № 24. - 2 с. : ил.
Получено 16.02.2018
© Т. Н. Хацевич, Е. В. Дружкин, 2018
ANALYSIS OF OBJECTIVE LENS FOR COMPACT INFRARED DEVICES USING A TWO-COMPONENT OBJECTIVE MODEL
Tatiana N. Khatsevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Professor, Department of Photonics and Optical Devices, phone: (383)343-29-29, e-mail: khatsevich@rambler.ru
Evgenyi V. Druzhkin
LLC "Luggar", 200, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630049, Russia, General Director, phone: (383)249-63-39, e-mail: 2496339@mail.ru
The article describes the mathematical model of two-component optical objective lens considering a tolerance deviation from a telecentric path of the main rays (±10°). The model analysis is performed for a various relative value of y' (a half-diagonal of a sensitive area of receiving matrix). The 'solution area' for optical objectives, considering the necessary constrains due to the requirements of devices compactness, is defined. The results of structural analysis for the group of 15 optical objectives for compact IR-devices with focal length from 15 mm to 80 mm and relative apertures from 1 : 0,85 go 1 : 1,2 are provided. The relation between the characteristics of analyzed group of optical objectives and the 'solution area', obtained through mathematical modeling, is noted. The proposed mathematical model outlines scientific and technical rationale for optical systems of objectives for compact infrared devices developed by the authors. Proposed relations and solutions in mathematical model can be of interest for practical design of new optical systems.
Key words: compact infrared devices, two-component model of optical objective, telecentric optical objective, admitted non-telecentricity, structural analysis of optical systems, thermostabilized objectives, high-power objectives, optic systems design.
REFERENCE
1. Kulakova, N. A., Nasyrov, A. R., & Nesmelova, I. M. (2010). Modern trends in the creation of optical systems for the infrared region of the spectrum. Opticheskiy zhurnal [Optical Journal], 77(5), 34-40 [in Russian].
2. Khatsevich, T. N. (2011). Optics for thermal imaging devices. In Sbornik materialov GEO-Sibir'-2011: T. 5, ch. 1 [Proceedings of GEO-Siberia-2011: Vol. 5, Part 1] (pp. 36-39). Novosibirsk: SSGA Publ. [in Russian].
3. Patrashin, A. I., Burlakov, I. D., Korneeva, M. D., & Shabarov, V. V. (2014). Prediction of the parameters of the matrix photodetector devices. Uspekhi prikladnoy fiziki [Advances in Applied Physics], 1(2), 50-59 [in Russian].
4. Filippova, E. V., & Akimenko, T. A. (2017). Receivers of radiation from thermal imaging devices. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki [Proceedings of Tula State University. Technical Science], 2, 203-207 [in Russian].
5. Yakushenkov, Y. G. (2012). Trends in the development of small-sized infrared systems of the third generation, working in actively-passive method. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Herald of Information Technologies, Mechanics and Optics], 3(79), 11-14 [in Russian].
6. Yakovlev, O. (2008). Thermal imaging and its application in security and safety systems. Algoritm bezopasnosti [Algorithm of Security], 3, 76-78 [in Russian].
7. Urakov, A. L., & Fisher, E. L. (2016). The temperature contrast of the body tissues of a person improves their infrared visualization. International Journal of Applied and Fundamental Research, 6, 884-886 [in Russian].
8. Kozlov, S. D., Nasyrov, A. R., & Nigmatullina, N. G. (2017). Objectives for thermal imaging devices of observation. Opticheskiy zhurnal[Optical Journal], 84(3), 53-56 [in Russian].
9. Garshin, A. S. (2016). Features of calculation of three-lens infrared lenses working with cooled receivers. Opticheskiy zhurnal [Optical Journal], 83(4), 38-43 [in Russian].
10. Nasyrov, A. R. (2017). Methods of athermalization of optical systems of thermal imaging devices. Opticheskiy zhurnal [Optical Journal], 84(3), 57-59 [in Russian].
11. Belousov, A. I. (2017). Three-lens objective for the IR-region of the spectrum. Patent RF No. 2629887. IP Russian Federation [in Russian].
12. Bushmeev, N. I., Pogorelsky, S. L., Prosvirnov, R. A., & Shilin, A. A. (2016). Athermalized IR lens. Patent RF No. 2583338. IP Russian Federation [in Russian].
13. Tarasov, V. V., & Yakushenkov, Y. G. (2004). Infrakrasnye sistemy «smotryashchego» tipa [Infraredsystems of "looking" type]. Moscow: Logos Publ. [in Russian].
14. Khatsevich, T. N., Volkova, K. D., & Druzhkin, E. V. (2017). Optical design for adjustment of telescopic zoom systems. VestnikSGUGiT[VestnikSSUGT], 22(4), 156-172 [in Russian].
15. Volosov, D. S. (1978). Fotograficheskaya optika: teoriya, osnovy proektirovaniya, opticheskie kharakteristiki [Photographic optics: theory, principles of design, optical characteristics. extbook for film schools] (2nd ed.). Moscow: "Art" Publ. [in Russian].
16. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2012). Objective for the IR-region of the spectrum. Patent RF No. 115514. IP Russian Federation [in Russian].
17. Druzhkin E. V, & Tryasov, Y. A. (2013). Infrared sight. Patent RF No. 125732. IP Russian Federation [in Russian].
18. Druzhkin, E. V, & Tryasov, Y. A. (2013). Infrared viewing device. Patent RF No. 125734. IP Russian Federation [in Russian].
19. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2013). Objective with field of view 25 degrees for infrared device (variants). Patent RF 2477502. IP Russian Federation [in Russian].
20. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2013). Objective for IR-region of spectrum. Patent RF No. 134671. IP Russian Federation [in Russian].
21. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2015). Objective with a variable field of view for infrared device (variants). Patent RF No. 2538067. IP Russian Federation [in Russian].
22. Khatsevich, T. N., & Druzhkin, E. V. (2015). Objective for IR-region of spectrum. Patent RF No. 154577. IP Russian Federation [in Russian].
Received 16.02.2018
© T. N. Khatsevich, E. V. Druzhkin, 2018
