ИК-объективы для широкоформатных охлаждаемых матричных фотоприемных устройств диапазонов 3-5 мкм и 8-12 мкм Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИК-ОБЪЕКТИВЫ ДЛЯ ШИРОКОФОРМАТНЫХ ОХЛАЖДАЕМЫХ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ДИАПАЗОНОВ 3-5 МКМ И 8-12 МКМ

Елена Олеговна Ульянова

Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383)330-97-49, e-mail: [email protected]

Павел Алексеевич Алдохин

Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 2/1, младший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383)330-97-49, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрены ИК-объективы для тепловизионных приборов на основе широкоформатных охлаждаемых матричных фотоприемных устройств для работы в спектральных диапазонах 3 - 5 и 8 - 12 мкм.

Ключевые слова: объектив, фотоприемное устройство, характеристики.

IR-LENSES FOR THE LARGE-FORMAT COOLED PHOTODETECTOR ARRAYS FOR THE SPECTRAL RANGES 3-5 nm AND 8-12 nm

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”), 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1, Prosp. Akademika Lavrentieva, second researcher, department of thermal imaging and television, tel. (383) 330-97-49, e-mail: [email protected]

Pavel A. Aldohin

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”), 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1, Prosp. Akademika Lavrentieva, second researcher, department of thermal imaging and television, tel. (383)330-97-49, e-mail: [email protected]

The lenses for thermal imaging devices based on the large-format cooled photodetector arrays operating in the spectral ranges 3 - 5^m and 8 - 12 |im are presented in the paper. The optical schemes of the lenses, their main parameters and technical characteristics are given in the article as well as evaluation of their image quality.

Key words: lens, photodetector, characteristics.

Современный уровень развития тепловизионных приборов и систем предполагает совершенствование объективов тепловизоров. В связи с тенденцией увеличения формата современных охлаждаемых матричных фотоприемных устройств (МФПУ) и уменьшением размера

фоточувствительных элементов возникает необходимость в разработке новых объективов для сопряжения с широкоформатными МФПУ.

В докладе представлены два объектива для широкоформатных охлаждаемых МФПУ для работы в спектральных диапазонах 3 -5 мкм и 8 -12 мкм. Приводятся основные параметры и характеристики разработанных объективов, а также приведены их оптические схемы и оценка качества изображения.

Первый объектив, разработанный в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ», рассчитан для спектрального диапазона 3,6 - 4,9 мкм (рис. 1), формирует изображение в плоскости охлаждаемого МФПУ с форматом кадра 640 х 512 элементов с шагом 25 мкм. В качестве прототипа был выбран наиболее близкий по характеристикам двухкомпонентный объектив, состоящий из семи линз [2].

I

_л_

II

—л_

Плоскость изображения

Рис. 1. Оптическая схема объектива для широкоформатного охлаждаемого МФПУ для спектрального диапазона 3 - 5 мкм: 1-4 - фронтальная часть объектива; 5 - проекционная часть объектива

3

4

5

1

2

Объектив содержит три последовательно расположенных на оптической оси компонента. Первый компонент состоит из положительного и отрицательного менисков (поз. 1 и 2) соответственно. Второй компонент содержит отрицательный и положительный мениски (поз. 3 и 4) соответственно. Третий компонент - положительный мениск (поз. 5). Объектив имеет четыре асферических поверхности. Линзы объектива изготовлены из двух оптических материалов (монокристаллического германия и кремния).

Выходной зрачок объектива совпадает с охлаждаемой диафрагмой криостата МФПУ, что обеспечивает отсутствие виньетирования для

наклонных пучков лучей и минимизирует поступление на МФПУ фонового ИК излучения.

В табл. 1 приведены основные характеристики и параметры оценки качества изображения.

Таблица 1

Основные характеристики и параметры качества изображения объектива

Характеристики

Рабочий спектральный диапазон, АХ, мкм ,9 4, ,6 3,

Фокусное расстояние, f / , мм 250

Относительное отверстие, / 1:2

Линейное поле зрения, 2у/ (по диагонали кадра), мм 20,5

Масса, кг 1,435

Длина, мм 320

Параметры качества изображения

Г еометрический радиус пятна рассеяния для осевой точки, мкм, не более 3,9

Г еометрический радиус пятна рассеяния на краю поля зрения, мкм, не более 17

ЧКХ при 60 лин/мм для осевой точки, отн.ед. 0,35

ЧКХ при 60 лин/мм на краю поля зрения, отн. ед. 0,1

Функция концентрации энергии в пятне радиусом 12,5 мкм для осевой точки, отн. ед. 0,85

Функция концентрации энергии в пятне радиусом 12,5 мкм на краю поля зрения, отн. ед. 0,81

Второй объектив (рис. 2), разработанный и изготовленный в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ», рассчитан для спектрального диапазона 7,7 - 10,3 мкм, формирует изображение в плоскости охлаждаемого МФПУ с форматом кадра 640 х 512 элементов с шагом 25 мкм. В качестве прототипа была выбрана оптическая система, рассмотренная в работах [3, 4].

1 2 3 4

изображения

Рис. 2. Оптическая схема объектива для широкоформатного охлаждаемого МФПУ спектрального диапазона 8 - 12 мкм:

1 - фронтальная часть объектива; 2-4 - проекционная часть объектива Объектив содержит два последовательно расположенных на оптической оси компонента. Первый компонент - положительный мениск (поз. 1). Второй компонент - два положительных (поз. 2, 3) и один отрицательный (поз. 4) мениски соответственно. Объектив имеет три асферических поверхности. Линзы объектива изготовлены из двух оптических материалов (монокристаллического германия и селенида цинка).

В табл. 2 приведены основные характеристики и параметры оценки качества изображения.

Таблица 2

Основные характеристики и параметры качества изображения объектива

Характеристики

Рабочий спектральный диапазон, АХ, мкм ,3 0, ,7 7,

Фокусное расстояние, f / , мм 250

Относительное отверстие, Б//'/ 1:2

Линейное поле зрения, 2у/ (по диагонали кадра), мм 20,5

Масса, г 950

Длина, мм 310

Параметры качества изображения

Г еометрический радиус пятна рассеяния для осевой точки, мкм, не более 6,2

Г еометрический радиус пятна рассеяния на краю поля зрения, мкм, не более 24,1

ЧКХ при 30 лин/мм для осевой точки, отн.ед. 0,32

ЧКХ при 30 лин/мм на краю поля зрения, отн. ед. 0,1

Функция концентрации энергии в пятне радиусом 12,5 мкм для осевой точки, отн. ед. 0,65

Функция концентрации энергии в пятне радиусом 12,5 мкм на краю поля зрения, отн. ед. 0,51

Разработанные объективы для широкоформатных охлаждаемых МФПУ построены по принципу использования промежуточной плоскости изображения. Особенности и преимущества такого принципа построения оптической системы подробно рассмотрены в работах [1 - 4].

Представленные объективы обладают хорошим качеством изображения, позволяющим использовать их с как с зарубежными широкоформатными охлаждаемыми МФПУ, например фирмы <^ой^т>, так и с отечественными охлаждаемыми матричными приемниками, разработанными в ИФП СО РАН

и ФГУП «НПО «Орион», форматы и технические характеристики которых позволяют создавать отечественные матричные тепловизионные приборы, не уступающие зарубежным.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004.

2. Пат. № 2419113 Российская Федерация, МКП G02В13/14. Оптическая система с вынесенной апертурной диафрагмой для среднего ИК диапазона спектра / Хацевич Т. Н., Терешин Е. А.; заявитель и патентообладатель Хацевич Т. Н., Терешин Е. А. -№2009130270/28; заявл.06.08.2009; опубл. 20.05.2011, Бюл. № 14. - 20 с.

3. Ульянова Е. О. Принципы построения схем объективов тепловизионных приборов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 142-145.

4. Ульянова Е.О. Оптические системы для тепловизионных приборов на основе матричных фотоприемных устройств спектрального диапазона 8 - 12 мкм // Оптический журнал. - 2013. - Т. 80, № 6. - С. 14-19.

© Е. О. Ульянова, П. А. Алдохин, 2014