CC BY
114
УДК 681.7 : 535.31
ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ СВЕТОСИЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ
Михаил Алексеевич Михалюта
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)955-04-42, e-mail: [email protected]
Татьяна Николаевна Хацевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены особенности и результаты разработки широкоугольных светосильных объективов в инфракрасной длинноволновой области спектра для малогабаритных камер.
Ключевые слова: тепловизионный прибор, широкоугольный объектив, инфракрасный диапазон.
WIDE ANGLE HIGH-APERTURE LENS FOR THERMAL IMAGING CAMERA
Michael A. Mikhaluta
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (913)955-04-42, e-mail: [email protected]
Tatiana N. Khatsevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Professor of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
The article considers features and results design of compact LWIR lens with wide angle and high-aperture.
Key words: thermal imager, wide angle lens, infrared range.
Эффективность использования тепловизионных приборов в длинноволновом диапазоне спектра (LWIR, от 8 до 14 мкм) определяется в том числе и тем, что максимальное тепловое излучение тела человека как объекта наблюдения приходится именно на этот диапазон [1]. При большом количестве тепловизи-онных приборов LWIR диапазона, представленных в различных источниках (литература, сайты фирм, производящих и продающих приборы, проспекты на выставках и др.) только небольшая часть из них производится на отечественной элементной базе. Разработка тепловизионных приборов на неохлаждаемых матричных приемниках является перспективным направлением как для военных, так и гражданских применений [2]. Основными модулями являются: объ-
ектив, микроболометрический матричный приемник излучения, модуль обработки изображения, модуль управления, микродисплей, окуляр, интерфейсный разъем для передачи информации, источник питания, при этом некоторые модули могут быть удалены, объединены или дополнены в зависимости от конкретной модели прибора [3]. Важнейшим элементом прибора является качественная оптическая система объектива, которая формирует изображение в плоскости фотоприемного устройства. Для ряда применений, таких как, например, охранные системы, требуются тепловизионные камеры с большой величиной углового поля в пространстве предметов. Целью научно-исследовательской работы магистранта является разработка серии оптических систем широкоугольных светосильных объективов, оптические характеристики и качество аберрационной коррекции которых ориентированы на наиболее часто используемые микроболометрические приемники излучений. Это позволит сформулировать предложения для производителей по расширению элементной базы отечественных инфракрасных объективов с конкурентоспособными характеристиками. В данной статье приводятся результаты исследований и разработок, выполненных магистрантом при научном руководстве со стороны научного руководителя в течение первого семестра обучения в магистратуре по разработке первого объектива серии.
Метод исследования: компьютерное моделирование оптических элементов и методы автоматической оптимизации оптических систем.
При разработке оптической системы широкоугольного светосильного объектива для LWIR диапазона требуется обеспечить согласование характеристик объектива с характеристиками приемника. Это согласование основано на учете геометрических, спектральных, энергетических и аберрационных факторов.
Геометрическое согласование основано на связи геометрических размеров приемной матрицы, фокусного расстояния и углового поля. В его основе лежит простая зависимость между размером изображения у, величиной фокусного расстояния /' и величиной угла ш в пространстве предметов:
у = /' tgw.
Поскольку в широкоугольном объективе наличие дисторсии может изменить взаимосвязь между указанными характеристиками, то объективы с одинаковым фокусным расстоянием и различной величиной дисторсии могут иметь несколько отличающиеся величины угловых полей в пространстве предметов при их сопряжении с одним и тем же приемником. Поэтому геометрическое согласование включает и требование ортоскопичности.
Спектральное согласование базируется на использовании материалов, имеющих высокий коэффициент пропускания для спектрального диапазона, соответствующего спектральной чувствительности приемника. При разработке оптической системы определяется относительная спектральная эффективность излучения для длин волн рабочего спектрального диапазона с учетом спектральной чувствительности используемого приемника, спектрального пропус-
кания оптических материалов и атмосферы. Это позволяет на этапе проектирования оптической системы учесть влияние указанных факторов[4].
Согласование объектива и приемника с позиций энергетики, по нашему мнению, включает два момента: обеспечение высокого относительного отверстия оптической системы и обеспечение одинаковых условий облучения пикселей приемника, расположенных на разных участках матрицы (в центре, в углах и во всех других точках). Отсюда вытекает требование обеспечения телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений объектива.
Аберрационное согласование основано на том, что в оптической системе обеспечивается такой уровень остаточных аберраций, который с учетом дифракции обеспечит высокий уровень концентрации энергии на пикселе приемника в изображении точечного объекта в пределах углового поля камеры.
Таким образом, синтез оптической системы инфракрасного широкоугольного светосильного телецентрического ортоскопического объектива должен осуществляется на основе рационального использования свойств отдельных оптических поверхностей и элементов.
Методами компьютерного эксперимента, на примере линзы из германия с относительным отверстием 1 : 1 и величиной фокусного расстояния 10 мм, выявлено, что линза с наименьшей величиной сферохроматической аберрации в спектральном диапазоне от 8 до 12 мкм имеет соотношение между радиусами кривизны первой и второй преломляющих поверхностей, равное = 1,27 Щ,
и обращена к плоскости изображений своей вогнутой поверхностью. Полученная величина коэффициента пропорциональности между радиусами отличается от известного по соотношению = 1,45^ [5] примерно на 20 % и определяет форму светосильной германиевой линзы с минимальными сферической и хроматической аберрациями в LWIR диапазоне спектра.
Компьютерное моделирование линзы с аналогичным фокусным расстоянием и относительным отверстием показало, что для обеспечения минимального астигматизма при вынесенном входном зрачке линза из германия должна иметь форму мениска, обращенного своей вогнутой поверхностью к пространству предметов.
Результаты компьютерного моделирования объясняют, почему при синтезе оптических систем инфракрасных широкоугольных светосильных короткофокусных объективов, проводимом с использованием компьютерных методов оптимизации, получаются системы с различной ориентацией менисков: первый и последний мениски обращены друг к другу своими вогнутыми поверхностями - в отличие от оптических систем с малыми угловыми полями, в которых мениски ориентированы вогнутыми поверхностями к плоскости изображений [6].
Полученные результаты положены в основу разработки оптической системы инфракрасного широкоугольного светосильного телецентрического орто-скопического с угловым полем не менее 50°. Для снижения геометрических аберраций использованы два мениска, ориентированных своими вогнутыми поверхностями к плоскости приемника, и два мениска противоположной ориента-
ции, при этом третья по ходу лучей линза выполнена асферической. На рис. 1 представлена разработанная оптическая схема объектива ИК14/1-40х30с фокусным расстоянием 14,5 мм, относительным отверстием 1 : 1, угловыми полями в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно 40 и 30°(поле по диагонали кадра составляет 50°), ориентированная на применение совместно с микроболометрическим матричным приемником Рюо640 Gen2.
Объектив ИК14/1-50х38 содержит последовательно расположенные по ходу лучей четыре компонента. Компоненты 1, 4 оптической системы, выполненные из германия, обращены друг к другу вогнутыми поверхностями, аналогично расположены компоненты 2, 3, выполненные из халькогенидного стекла 1Я025. Профили асферических поверхностей компонента 3 объектива соответствуют уравнению:
СГ 2 4 6 8
2 =-, + а,г + а2г + а3г + а4г .
^2г2 '
1 + ^ 1 -(1 + к) с 2
где 2 - координата асферической поверхности; с = 1/ Я - кривизна поверхности; г - радиальная координата; к - коническая константа; а - коэффициенты асферики. Для первой поверхности линзы 3:
а = -7,796 х 10-3 мм"1; а2 = -4,751 х 10-4 мм'4; а3 = 1,797 х 10-8 мм-; а4 = -1,544 х 10-7.
131
Для второй поверхности линзы 3:
а = 5,556 х10-3 мм"1; а2 = -3,214 х10-3 мм"4; а3 =-2,603 х10-6 мм"5; а4 = 3,11х10-8.
Для каждой из асферических поверхностей к = 0.
Технологические возможности изготовления асферических поверхностей примененного профиля имеются методом алмазного точения.
Расстояния между компонентами выбраны таким образом, чтобы положение передней фокальной поверхности компонентов 3 и 4 было совмещено с центром вогнутой поверхности линзы 2, которая выполняет роль апертурной диафрагмы, обеспечивая телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.
В результате балансировки аберраций достигнуто, что среднеквадратиче-ская величина поперечной геометрической аберрации для всех точек изображения меньше дифракционного пятна рассеяния (рис. 2).
Рис. 2. Результаты расчета пятен рассеяния для различных точек поля
для объектива ИК14/1-40х30
Результаты расчета частотно-контрастной характеристики, представленные графически на рис. 3, свидетельствуют о том, что на частоте 30 лин/мм коэффициент передачи контраста для всех точек поля имеет величину не менее 0,5.
Рис. 3. Графики ЧКХ для различных точек поля для объектива ИК14/1-40х30
Результаты анализа, представленные графически на рис. 4, показывают, что величина концентрация энергии для всех точек поля в пятне диаметром 0,017 мм, размер которого соответствует размеру пиксела выбранного матричного приемника излучения, составляет не менее 80 %.
Рис. 4. График функции концентрации энергии в изображении точек
для объектива ИК14/1-40х30
Сравнительный анализ качества изображения, достигнутого в оптической системе объектива ИК14/1-40х30, с качеством изображения инфракрасных объ-
ективов, применяемых в конкурентоспособных тепловизионных приборах [2], позволяет сделать вывод о высоком уровне качества изображения в разработанной оптической системе.
Объектив ИК14/1-50х38 имеет массу оптических деталей 11 г, габаритные размеры 25 х 22 х 22 мм.
В заключении отмечается, что в рамках проведенных исследовании и оптического проектирования была разработана оптическая схема малогабаритного широкоугольного светосильного телецентрического ортоскопического объектива ИК14/1-40х30 для тепловизионных камер на основе микроболометрических матричных приемников. Полученные результаты будут положены в основу разработки серии инфракрасных широкоугольных объективов.
Работа выполнена при поддержке ООО «Оптическое Расчетное Бюро», г. Новосибирск, предоставившего возможность проведения расчетных работ в программе Zemax13 Professional.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Современное состояние и перспективы развития зарубежных тепловизионнных систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 3 (85). - С. 1-13.
2. Дружкин Е. В., Хацевич Т. Н. Малогабаритные тепловизионные приборы // Оптический журнал - 2013. - Т. 80, № 6. - С. 20-27.
3. Дружкин Е. В., Хацевич Т. Н., Бровка Н. В. Тепловизионный прибор для медицинских целей // Оптический журнал. - 2015. - Т. 82, № 7.1. - С. 15-18.
4. Хацевич Т. Н. Парфенова Т. В. Двухдиапазонные объективы для инфракрасной области спектра // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 69-72.
5. Ллойд Дж. Системы тепловидения / пер. с англ. М. В. Васильченко; под ред. А. И. Горячева. - М. : Мир, 1978. - 414 с.
6. Михалюта М. А. Малогабаритные тепловизионные камеры для системы охраны // LXIV студенческая конференция СГУГиТ, (Новосибирск 4-9 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 73-74.
© М. А. Михалюта, Т. Н. Хацевич, 2017
