CC BY
94
УДК 681.7.015.2 DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-2-136-141
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА С ФУНКЦИЕЙ АКТИВНОЙ ФОКУСИРОВКИ
В. Н. Васильев1, И. Ю. Дмитриев1, В. А. Муравьев12, К. В. Ежова2
1 АО "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения",
188540, Сосновый Бор, Россия E-mail: contact@niioep.ru 2 Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия
Исследованы способы и средства активной фокусировки оптических систем инфракрасного (ИК) диапазона, применяемые для сохранения пространственно-энергетической разрешающей способности оптико-электронной аппаратуры в условиях их эксплуатации. Предложены способ и средства активной фокусировки с использованием встроенного тестового излучателя, располагаемого в плоскости промежуточного изображения оптической системы инфракрасного диапазона. Рассмотрен критерий фокусировки на основе анализа выходных сигналов многоэлементного фотоприемного устройства и численно оценена чувствительность критерия к значению дефокусировки оптической системы. Показаны высокая чувствительность способа фокусировки и техническая реализуемость средств фокусировки в составе оптической системы, применяемой в сочетании с серийными образцами средневолновых и длинноволновых инфракрасных матричных фотоприемных устройств с охлаждаемой апертурной диафрагмой. Рекомендовано использование способа и средств фокусировки в составе бортовой оптико-электронной аппаратуры наблюдения, эксплуатируемой в автоматическом режиме в широком температурном диапазоне.
Ключевые слова: инфракрасный, объектив, фотоприемное устройство, фокусировка, оптико-электронная аппаратура
Введение. При эксплуатации оптико-электронной аппаратуры наблюдения в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды из-за дефокусировки оптической системы, т.е. смещения плоскости изображения объектива от плоскости расположения чувствительных элементов фотоприемного устройства, пространственно-энергетическое разрешение аппаратуры ухудшается. Для обеспечения сохранности разрешения целесообразно использовать способы и средства фокусировки, особенно — в оптико-электронной аппаратуре наблюдения, эксплуатируемой в автоматическом режиме [1].
Различают способы пассивной и активной фокусировки, определяемые отсутствием/наличием в составе оптической системы встроенного излучателя [2]. В настоящее время широко распространены способы пассивной фокусировки с использованием термостабильных оптических схем [3], термокомпенсационных звеньев в составе объектива [4], установки фокусирующего элемента в положение, соответствующее текущей температуре опорного оптического элемента, а также анализом параметров наблюдаемого изображения для выявления величины расфокусировки и соответствующего смещения фокусирующего элемента.
В настоящей статье показана возможность обеспечения активной фокусировки с использованием излучающих тестовых объектов в составе оптической системы ИК-диапазона. Такой подход позволяет использовать высокоинформативный критерий определения качества фокусировки при эксплуатации оптической системы. Предложенный комплексный подход не требует анализа наблюдаемого рабочего изображения.
Оптическая система. Разработанная оптическая система выполнена на основе зеркально-линзового объектива, рассчитанного для ИК-диапазона и предназначенного для примене-
ния в сочетании с серийными образцами охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) формата 320 х 256 (640 х 512) элементов с шагом элементов 30(15) мкм [5, 6].
На рис. 1 приведена оптическая схема объектива, состоящего из трех групп оптических элементов. Группа А, формирующая изображение объекта наблюдения в промежуточной плоскости 4, имеет в составе осевые главное зеркало 1 и вторичное зеркало 2, линзу-корректор полевых аберраций 3. Зеркала устанавливаются в корпусе из инварового сплава с коэффициентом температурного линейного расширения (КТЛР), близким к КТЛР материала зеркал. Элементы группы Б, включающей линзы со сферическими оптическими поверхностями 5—8, проецируют изображение объекта наблюдения из промежуточной плоскости в плоскость, совмещаемую с элементами фотоприемного устройства (ФПУ) 12. Группа В включает оптические элементы фотоприемного устройства, в том числе входное окно 9 и охлаждаемый селективный светофильтр 11. Положение выходного зрачка объектива совпадает с охлаждаемой апертурной диафрагмой ФПУ 10, что обеспечивает устранение виньетирования наклонных пучков лучей и снижает уровень фонового излучения, падающего на элементы ФПУ [7]. Объектив имеет фокусное расстояние f = 549,5 мм при диаметре входного зрачка D=275 мм, осевая длина системы L= 441 мм, рабочий спектральный диапазон — средний ИК.
А
Рис. 1
Следует отметить, что линзовая проекционная группа объектива обусловливает высокое значение терморасстраиваемости оптической системы в рабочем диапазоне температур (от -50 до +50 °С), фокусировка не требуется для интервала температур аГ=±1,5 °С (рассчитан с использованием пакета прикладных программ 2БМЛХ) при этом смещение плоскости наилучшего изображения (ПНИ) объектива от плоскости элементов МФПУ (А/п) составляет ±75 мкм.
Способ и средства фокусировки оптической системы Особенностью предлагаемой оптической системы является сохранение в широком диапазоне температур положения плоскости промежуточного изображения, формируемого группой А объектива, относительно базовой привалочной поверхности объектива, достигаемое минимизацией разности между КТЛР корпусных и оптических элементов группы. В центральной части промежуточного изображения получено близкое к дифракционно ограниченному качество изображения, на рис. 2 приведены расчетные оценки коэффициента концентрации энергии 5 для точек, находящихся в центральной зоне промежуточного изображения объектива диаметром 1,5 мм, соответствующей угловому полю ю=±0,05°, ё — предел дифракции (г — радиус диафрагмы). Все расчеты проводились с использованием пакета прикладных программ 2БМЛХ.
Высокое качество изображения в плоскости промежуточного изображения и стабильность ее пространственного положения в широком диапазоне температур и давления окружающей среды обусловливают возможность установки в ней тестовых объектов для фокусировки
терморасстраиваемой группы Б объектива. В качестве тестовых объектов используются излучающие диафрагмы в виде полуплоскости или щели. Фокусирующим элементом является фотоприемное устройство, перемещение которого вдоль оптической оси объектива обеспечивает совмещение ПНИ объектива с плоскостью элементов МФПУ.
а
8, отн. ед. 0,8
0,6
0,4
0,2 0
15
Рис. 2
30 г, мкм
Для оптической системы в сочетании с МФПУ с шагом элементов 15 мкм выполнено математическое моделирование распределения выходных сигналов элементов МФПУ от тестовых объектов в виде полуплоскости и щели. На рис. 3 приведена зависимость выходного сигнала I элементов МФПУ от тестового объекта при различных значениях смещения ПНИ объектива относительно плоскости установки элементов ФПУ (а — полуплоскость, б — щель); у, у +1,..., у + N — номер элемента МФПУ в строке, N — число элементов МФПУ в строке, в пределах которых проецируется изображение тестового объекта, А/ — смещение плоскости наилучшего изображения объектива относительно плоскости установки элементов МФПУ; А — число элементов МФПУ, в пределах которых располагается рабочая зона тестового объекта для положения А/ = 0. Приведено сечение выходных сигналов по строке матрицы элементов МФПУ в направлении, перпендикулярном изображению границы свет/тень тестового объекта, при различных значениях смещения ПНИ объектива относительно плоскости установки элементов ФПУ А/ (дефокусировки объектива).
а)
/, отн. ед.
б)
0,8 / / 0,8 & ' 1 1 * '; - 4 -А/=0 ■ А/=150 - А/=250
0,6 0,4 ы я /& / I / Л ' // - А/=0 ■ А/=150 мкм ■ А/=250 мкм 0,6 0,4 ! / / ^ V ' \ 1 А \ ' 1 \ * ' 1 V г / / \ V \ ч \
0,2 0,2 / Г * / / \ \ \ 4 4 \ \ \ V
0 .— 1 —--- 0 , - ч ч *
/ у+1 А j+N / у+1 А
Рис. 3
Для определения текущего значения дефокусировки используется критерий фокусировки Кф , рассчитываемый по выходным сигналам элементов МФПУ от тестового объекта с ис-
пользованием соотношения:
А
ЕАишах( j, а)
К А =
а =1
ф N
^Аи (у + N)
п=0
со
0
где Аи (j) = и (]) - и (j -1) — разностный сигнал между соседними элементами МФПУ в строке матрицы элементов; Аитах( j, а) = и(j) - и(j -1) — а-е наибольшее значение разностного сигнала в диапазоне отсчетов от j до j + N (а=1 соответствует максимальному значению разностного сигнала в диапазоне Щ.
На рис. 4 представлена зависимость критерия фокусировки Кф от значения дефокусировки А/ для тест-объектов в виде полуплоскости 1 и щели 2; А/п — пороговое значение дефокусировки оптической системы по данным оптического расчета и соответствующее ему значение коэффициента Кф (в расчетах А=3, N=10). Расчетная зависимость Кф (а/) подтверждает высокую чувствительность предлагаемого способа фокусировки. В сфокусированном состоянии значение Кф е [0,9;1,0] характеризует текущее качество фокусировки оптической
системы. Используя зависимость Кф (а/), возможно определить смещение фокусирующего
элемента. Направление смещения фокусирующего элемента выбирается по значению текущей температуры оптических элементов группы Б и предварительно калиброванной зависимости положения фокусирующего элемента от температуры.
Аф, отн. ед.
а;
I f 100 150 Рис. 4
200 Л/ мкм
Заключение. Разработана крупногабаритная светосильная оптическая система инфракрасного диапазона для использования с серийно выпускаемыми фотоприемными устройствами, такими как Sofradir Scorpio LW, оснащенными охлаждаемой диафрагмой. Основными характеристиками оптической системы являются относительное отверстие 1:2, рабочий спектральный диапазон — средний ИК, дифракционно ограниченное качество изображения в пределах рабочего поля, глубина резкости — 75 мкм.
Высокое пространственное разрешение в плоскости промежуточного изображения, в совокупности с термостабильностью зеркальной части позволяет выполнить активную фокусировку на основе анализа изображения встроенного тестового излучателя.
Чувствительность предложенного критерия оценки дефокусировки с использованием разностных сигналов фотоприемного устройства в зоне изображения тестового объекта позволяет определять плоскость фокусировки с высокой точностью — в пределах глубины резкости. Высокая чувствительность критерия в значительной степени обусловлена полноаппер-турной засветкой оптической системы от тестового излучателя.
список литературы
1. Дмитриев И. Ю., Васильев В. Н., Гридин А. С., Пронин Ю. С., Струля И. Л. Оптико-механическая система инфракрасного радиометра высокого разрешения "БИК-СДГ" // Космонавтика и ракетостроение. 2013. Т. 73, № 4. С. 93—101.
2. ШульманМ. Л. Автоматическая фокусировка оптических систем. Л.: Машиностроение, 1990.
0
3. Медведев А., Гринкевич А., Князева С. Атермализация объективов прицельно-наблюдательных комплексов как средство обеспечения жизнедеятельности объектов БТВТ // Фотоника. 2016. Т. 56, № 2. С. 95—108.
4. Архипов С. А., Зуева И. И., Аристов Л. И. Температурный режим съемочной аппаратуры "Гамма-Л", "Гамма-Ц", малого космического аппарата "Монитор-Э" // Матер. 6-й Всерос. открытой ежегодной конф. "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". 2008.
5. Стафеев В. И., Болтарь К. О., Бурлаков И. Д., Акимов В. М., Климанов Е. А., Сагинов Л. Д., Соляков В. Н., Мансветов Н. Г., Пономаренко В. П., Тимофеев А. А., Филачёв А. М. Матричные фотоприемные устройства среднего и дальнего инфракрасных диапазонов спектра на основе фотодиодов из // ФТП. 2005. Т. 39, № 10. С. 1257—1265.
6. Manissadjian A., Destefanis G., Tribolet Ph., De Borniol E. Long Wave HgCdTe staring arrays at Sofradir: From 9 цш to 13+ дш cut-offs for high performance applications // Pros. SPIE. 2005. Vol. 5783.
7. Ульянова E. A. ИК-объективы для широкоформатных охлаждаемых матричных фотоприемных устройств диапазонов 3—5 мкм и 8—12 мкм // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 5, № 1. С. 32—36.
8. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1966.
9. Кругер М. Я., Панов В. А. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроительной литературы, 1963.
Сведения об авторах
Владимир Николаевич Васильев — канд. техн. наук; АО "Научно-исследовательский институт оптико-
электронного приборостроения", отдел 5; начальник лаб. 51; E-mail: contact@niioep.ru
Игорь Юрьевич Дмитриев — д-р техн. наук; АО "Научно-исследовательский институт оптико-
электронного приборостроения", отдел 5; начальник отдела 5; E-mail: dmitrieviy@niioep.ru
Всеволод Алексеевич Муравьев — аспирант; Университет ИТМО, кафедра прикладной и компьютерной
оптики; E-mail: vsevolod.mailto@gmail.com
Ксения Викторовна Ежова — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО, кафедра прикладной и
компьютерной оптики
Поступила в редакцию 26.10.18 г.
Ссылка для цитирования: Васильев В. Н., Дмитриев И. Ю., Муравьев В. А., Ежова К. В. Оптическая система
инфракрасного диапазона с функцией активной фокусировки // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 2.
С. 136—141.
OPTICAL INFRARED RANGE SYSTEM WITH ACTIVE FOCUSING FUNCTION V. N. Vasiliev1, I. Yu. Dmitriev1, V. A. Muravev1,2, K. V. Ezhova2
1 JSC Scientific Research Institute of Optoelectronic Instrument Engineering, 188540, Sosnovy Bor, Russia E-mail: contact@niioep.ru 2 ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia
Methods and means of active focusing for optical systems of IR spectral range, used to retain the spatial and energy resolution of the optical-electronic equipment in operating conditions are examined. Active focusing using the built-in test emitter located in the intermediate image plane of the IR optical system is proposed. A criterion of focusing based on an analysis of output signals of multi-element photo-receiving device is considered, sensitivity of the criterion to defocusing value of the optical system is numerically estimated. High sensitivity of the proposed focusing method and technical feasibility of the focusing tools in an optical system used in combination with serial samples of medium-wave and long-wave IR matrix photodetectors with a cooled aperture diaphragm are demonstrated. It is recommended to use the developed method and focusing tools as a part of onboard optoelectronic observation equipment operated in automatic mode in a wide temperature range.
Keywords: infrared, lens, photo receiving device, focusing, opto-electronic apparatus
REFERENCES
1. Dmitriyev I.Yu., Vasil'yev V.N., Gridin A.S., Pronin Yu.S., Strulya I.L. Cosmonautics and Rocket Engineering, 2013, no. 4(73), pp. 93-101. (in Russ.)
2. Shul'man M.L. Avtomaticheskaya fokusirovka opticheskikh sistem (Automatic Focusing of Optical Systems), Leningrad, 1990. (in Russ.)
3. Medvedev A., Grinkevich A., Knyazeva S. Photonics, 2016, no. 2(56), pp. 95-108 (in Russ.)
4. Arkhipov S.A., Zuyeva I.I., Aristov L.I. Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa (Modern Problems of Earth Remote Sensing from Space), Materials of the VI All-Russian Open Conference, Moscow, 2008. (in Russ.)
5. Stafeev V.I., Boltar' K.O., Burlakov I.D., Akimov V.M., Klimanov E.A., Saginov L.D., Solyakov V.N., Mansvetov N.G., Ponomarenko V.P., Timofeev A.A., Filachev A.M. Semiconductors, 2005, no. 10(39), pp. 1215-1223.
6. Manissadjian A., Destefanis G., Tribolet Ph., De Borniol E. Proc. SPIE, 2005, vol. 5783.
7. Ul'yanova E.A. Interekspo GEO-Sibir'-2014, X Intern. Scientific Congress, Novosibirsk, 2014, no. 1(5), pp. 32-36. (in Russ.)
8. Churilovskiy V.N. Teoriya opticheskikh priborov (Theory of Optical Devices), Moscow, Leningrad, 1966, 565 p. (in Russ.)
9. Kruger M.Ya., Panov V.A. Spravochnik konstruktora optiko-mekhanicheskikh priborov (Reference Book by the Designer of Optical-Mechanical Devices), Leningrad, 1963
Data on authors
Vladimir N. Vasiliev — PhD; JSC Scientific Research Institute of Optoelectronic Instrument Engineering, Department 5; Head of Laboratory 51; E-mail: contact@niioep.ru
Igor Yu. Dmitriev — Dr. Sci.; JSC Scientific Research Institute of Optoelectronic Instrument
Engineering, Department 5; Head of Department 5; E-mail: dmitrieviy@niioep.ru
Vsevolod A. Muravev — Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Applied and
Computer Optics; E-mail: vsevolod.mailto@gmail.com
Ksenia V. Ezhova — PhD, Associate Professor; ITMO University, Department of Applied and
Computer Optics
For citation: Vasiliev V. N., Dmitriev I. Yu., Muravev V. A., Ezhova K. V. Optical infrared range system with active focusing function. Journal of Instrument Engineering. 2019. Vol. 62, N 2. P. 136—141 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-2-136-141
