CC BY
89
УДК 681.7.015.2 Е.А. Терешин
НФ ИФП «КТИПМ», Новосибирск Т.Н. Хацевич СГГА, Новосибирск
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВИЗОРОВ
Е.А. Tereshin
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, "Technological Design Institute of Applied Microelectronics" (NB ISP SB RAS "TDI AM") Ac. Lavrentiev Ave, 2/1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation T.N. Hatsevich
* Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul, Novosibirsk, 630108, Russian Federation
OPTICAL SYSTEMS OF INFRARED THERMAL DEVICES
Proposed principles of construction and particularly the calculation of optical systems using modern small-sized infrared photodetector.
Потребительские и технические характеристики тепловизионного прибора определяется оптимальным согласованием его оптической системы, фотоприемного устройства (ФПУ) и электронной системы обработки сигналов. К оптической системе тепловизионного прибора предъявляется целый ряд противоречивых требований, для удовлетворения которых в оптические системы, зачастую, включают асферические, дифракционные оптические элементы, снижающие технологичность прибора в целом и повышающие его стоимость.
В связи с совершенствованием матричных ФПУ инфракрасного диапазона спектра уже сегодня возникла такая ситуация, что, например, в тепловизорах «смотрящего» типа, использующих неохлаждаемые болометрические матричные ФПУ, стоимость оптики является определяющей в стоимости всего прибора [1].
Известно, что в области тепловизионной аппаратуры наша страна отстает по количеству и качеству производимых приборов от ведущих производителей. Анализ показывает, что это отставание не всегда обусловлено уровнем применяемых технологий. Для большого круга задач существует возможность удовлетворения требованиям систем применения без использования сложных и дорогих технологических процессов и оборудования. Именно с таких позиций мы подходим к разработке оптических систем современных малогабаритных тепловизоров.
Оптическая система тепловизионного прибора может включать различные компоненты, например, фокусирующий объектив, сканирующее зеркало, системы для микросканирования, телескопические системы переменного увеличения и др. Исключение составляют простые тепловизоры
на неохлаждаемых матричных болометрических ФПУ, имеющие нерегулируемые увеличение и поле зрения, работающие на небольших дальностях до объекта наблюдения.
Поиск решения оптической системы для конкретного тепловизионного прибора может быть осуществлен различными методами, начиная от создания параметрической модели оптической системы в области параксиальной оптики, решения уравнений в области аберраций третьего порядка, до глобального поиска реальной оптической системы с использованием известных оптических проектировочных программам. Трудоемкость (затраты времени) каждого из этих методов зависит, прежде всего, от опыта разработчика. Нами разработан алгоритм эффективного проектирования многокомпонентных систем для инфракрасного спектрального диапазона [2]. Под эффективным проектированием в докладе понимается такой метод проектирования, который позволяет в минимальные сроки провести разработку новой многокомпонентной оптической системы, работающей в инфракрасном спектральном диапазоне и предназначенной для тепловизора, удовлетворяющей конкретным техническим требованиям.
Для подтверждения результативности алгоритма в докладе приводятся и обсуждаются многокомпонентные оптические схемы и результаты расчета оптических систем тепловизоров со спектральным диапазоном работы 8-12 мкм, а именно:
Телескопические системы с переменным увеличением с различными перепадами увеличений: 2, 3, 4, 6, 10 крат, в том числе панкратические [3]. Системы предназначены для использования в тепловизионных сканирующих приборах с линейчатыми ФПУ;
- Объективы с переменным фокусным расстоянием, с перепадом фокусных расстояний более трех. Объективы предназначены для использования совместно с болометрическими матричными ФПУ [4].
Также в докладе приводятся результаты расчетов и схемы инфракрасных объективов с переменным фокусным расстоянием (в том числе панкратических) с вынесенными зрачками, обеспечивающих возможность без виньетирования осуществить оптическое сопряжение как с афокальными модулями, так и с холодной диафрагмой ФПУ.
Изготовлены несколько вариантов афокальных систем и объективов, подтвердивших эффективность приведенного алгоритма проектирования, который используется в НФ ИФП СОРАН «КТИПМ» при разработке новых тепловизионных приборов.
Все оптические системы обеспечивают дифракционное качество изображения и малую дисторсию, позволяющие сопрягать их с современными тепловизионными приемниками изображения. Системы являются технологичными, реализованы на сферических преломляющих поверхностях, экспериментальная проверка подтверждает расчетные характеристики.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенко. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.
2. Е.А. Терешин, Т.Н. Хацевич. Алгоритм эффективного проектирования многокомпонентных систем для инфракрасного спектрального диапазона // Труды Оптического общества им. Д.С. Рождественского / Международная конференция «Прикладная оптика -2008», Санкт-Петербург, 20-24 октября 2008 г. Т.3. Компьютерные технологии в оптике. - С. 69-73.
3. Хацевич Т.Н., Терешин Е.А Телескоп с панкратической сменой увеличения для дальней ИК области спектра // Патент РФ № 2342686. 2008.
4. Олейник С.В., Хацевич Т.Н Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) - Патент РФ № 2339983. 2008.
© Е.А. Терешин, Т.Н. Хацевич, 2009
