CC BY
224
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ОБЪЕКТИВОВ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ
Елена Олеговна Ульянова
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383) 330-97-49, email: helen@oesd.ru
В статье рассмотрены различные принципы построения схем объективов тепловизионных приборов. Приведены оптические схемы объективов, основные параметры и характеристики, а также оценка качества изображения.
Ключевые слова: тепловизионный прибор, оптическая схема, характеристики.
CONSTRUCTION PRINCIPLES OF LENSES SCHEMES FOR THERMAL IMAGING DEVICES
Elena O. Ulyanova
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 2/1, Prosp. Akademika Lavrentieva, Novosibirsk, 630090, junior researcher, department of thermal imaging and television, tel. (383) 330-97-49, e-mail: helen@oesd.ru
The article describes different principles of construction of lenses schemes for thermal imaging devices. Optical schemes of lenses, the main parameters and technical characteristics are given in the paper as well as evaluation of the image quality.
Key words: thermal imaging device, optical scheme, characteristics.
Современный уровень развития тепловизионных приборов и систем предполагает совершенствование оптических систем тепловизоров. Для устранения фонового потока в широкоформатных фотоприемных устройствах (ФПУ) существует несколько принципов построения схем объективов:
- Охлаждение оптической системы объектива до температур, исключающих влияние приборных фонов на ФПУ;
- Охлаждение части оптической системы, а именно оптических элементов с диафрагмой;
- Введение в оптическую систему компонентов, формирующих выходной зрачок системы в холодной зоне криостата.
Реализация первого принципа ведет к значительному усложению конструкции прибора. Поэтому, схемы объективов тепловизионных приборов предпочтительно реализовывать по второму и третьему принципам построения.
В работе [1] рассмотрены некоторые из базовых оптических систем, реализованных по второму принципу построения (рис. 1).
8
9
1-3 - фронтальная часть объектива; 4 - входное окно криостата; 5 - апертурная диафрагма; 6 - 7 - задняя часть объектива; 8 - отрезающий фильтр; 9 - плоскость фоточувствительных
элементов матричного ФПУ
Рис. 1. Оптическая схема объектива для тепловизионных приборов на основе
охлаждаемых матричных ФПУ [1]
В данной схеме объектива устранение фонового потока происходит за счет охлаждения части объектива, а именно оптических элементов (линз поз. 6 и 7 на рис. 1) с апертурной диафрагмой.
Построение схемы объектива по третьему принципу является наиболее предпочтительным, т.к. в данном случае нет необходимости вносить в охлаждаемую зону какие-либо оптические элементы. При построении схемы объектива по данному принципу не происходит значительного усложнения оптической системы, следовательно, нет и значительных потерь, вызванных пропусканием оптической системы. Для реализации по третьему принципу построения была разработана и изготовлена оптическая схема объектива для охлаждаемого матричного фотоприемного устройства (МФПУ) (рис. 2). Схема объектива включает в себя фронтальный компонент, состоящий из двух одиночных линз, а также базовый (проекционный) блок из четырех оптических компонентов. Все оптические компоненты выполнены из германия и селенида цинка и имеют сферические поверхности. Особенностью разработанной схемы объектива является применение промежуточной плоскости изображения, расположенной между двухлинзовым фронтальным компонентом и четырехлинзовым базовым блоком, что позволяет установку устройств калибровки и механизма микросканирования вблизи промежуточной плоскости изображения, где световые диаметры имеют наименьшие значения, а также применение взаимозаменяемых фронтальных компонентов с другим фокусным расстоянием, что позволяет построить объектив с переменным фокусным расстояния (полем зрения), не меняя при этом проекционную часть, а также положение относительно фотоприемного устройства.
1-2 - фронтальная часть объектива; 3-6 - (базовая) проекционная часть объектива; 7 -входное окно криостата; 8 - охлаждаемая диафрагма; 9 - охлаждаемый фильтр; 10 -плоскость фоточувствительных элементов МФПУ
Рис. 2. Оптическая схема объектива с промежуточной плоскостью изображения для тепловизионных приборов на основе охлаждаемых МФПУ
В отличие от базовой схемы (рис. 1), реализованной по второму принципу построения, в разработанной схеме объектива с промежуточной плоскостью изображения происходит уменьшение фонового потока за счет формирования апертурной диафрагмы в холодной зоне криостата. В этих целях выходной зрачок объектива совмещается с холодной диафрагмой, находящейся внутри криостатированного корпуса [2]. Разработанная схема объектива с промежуточной плоскостью изображения позволила значительно уменьшить массогабаритные характеристики фронтальных оптических компонентов и, как следствие, объектива в целом. Использование режима микросканирования позволяет увеличить формат кадра с 320 на 256 чувствительных элементов до 640 на 512 элементов, т.е. возможно получение формата кадра в 2 раза большего, чем исходный, что повышает разрешающую способность системы.
В табл. 1 приведены основные характеристики разработанного объектива с промежуточной плоскостью изображения.
Таблица 1
Фокусное расстояние, мм 250
Относительное отверстие 1:1,94
Угловое поле зрения, градусов (по диагонали кадра) 2,77
Спектральный диапазон работы, мкм 7,7-10,3
Длина, мм 350
Масса, г 900
Параметры оценки качества изображения разработанного объектива с промежуточной плоскостью изображения приведены в табл. 2, 3.
Таблица 2. Модуляционная передаточная функция объектива с
промежуточной плоскостью изображения
Пространств. частота V, мм-1 Точка на оси Точка в зоне Точка на краю Дифракционно- ограниченная система
10 0,71 0,70 0,69 0,78
20 0,44 0,42 0,41 0,56
30 0,29 0,29 0,24 0,36
40 0,17 0,12 0,10 0,18
50 0,06 0,03 0,02 0,06
Таблица 3. Функция концентрации энергии объектива с промежуточной
плоскостью изображения
Радиус пятна, мкм Энергия, отн. ед.
Точка на оси Точка в зоне Точка на краю Дифракционно- ограниченная система
10 0,50 0,50 0,47 0,60
12,5 0,62 0,60 0,59 0,72
15 0,69 0,67 0,65 0,79
Приведенные выше данные показывают, что разработанный объектив обладает хорошим качеством изображения, позволяющим использовать его в тепловизионных приборах на основе охлаждаемых МФПУ для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения.
Разработанный объектив может быть сопряжен с охлаждаемыми МФПУ как зарубежных производителей, так и с отечественными охлаждаемыми матричными приемниками, например, разработанными в ИФП СО РАН и ФГУП «НПО «Орион», формат и технические характеристики которых позволяют создавать матричные тепловизионные приборы, аналогичные зарубежным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шатунов К.П. Особенности построения оптических систем тепловизионных
приборов с матричными фотоприемными устройствами КРТ// Современные проблемы геодезии и оптики: Сборник материалов LIII Международной научно-технической
конференции, посвященной 70-летию СГГА, 11 - 21 марта 2003 г., Ч. III. - Новосибирск: СГГА, 2003. - С. 70-72.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г., Инфракрасные системы «смотрящего» типа, Логос. - М.: 2004. - С. 94-96.
© Е.О. Ульянова, 2012
