eng
Выпуск #1/2018
В.Г.Волков, Е.А.Моисеев, Ю.С.Митрофанова, Б.Н.Сеник
Современные тенденции в разработках инновационных тепловизионных объективов и проблемные вопросы их промышленного производства
Современные тенденции в разработках инновационных тепловизионных объективов и проблемные вопросы их промышленного производства
Просмотры: 3642
В статье рассматриваются вопросы промышленного производства тепловизионных объективов для ИК- диапазона. Они касаются как этапа изготовления отдельных оптических компонентов, так и этапа сборки и юстировки.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.69.1.94.105
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.69.1.94.105
Теги: thermal imaging devices thermal imaging diagnostics thermal imaging lenses тепловизионная диагностика тепловизионные объективы тепловизионные приборы
В настоящее время заметно, какими быстрыми темпами проходят комплексные фундаментальные, прикладные исследования и разработки в области создания тепловизионных оптических систем. Прежде всего, это связано с повышенной актуальностью целого ряда технических задач, решение которых находится в сфере интересов военных ведомств различных стран, в том числе и России, а также c крупными достижениями в области создания фотоприемных устройств с повышенными выходными характеристиками [1–6]. Выполнен качественный скачок в подготовке и организации промышленного производства фотоприемных устройств, работающих в спектральном диапазоне 3–5 мкм. Это должно обеспечить требуемое качество изделий для комплексированных оптико-электронных приборов и комплексов различного назначения [7, 8].
Современные тепловизионные приборы (ТВП) работают в одном из двух спектральных диапазонов (3–5 мкм и 8–14 мкм). Некоторые типы ТВП работают в обоих диапазонах одновременно, т. е. являются комбинированными приборами. Каждый из типов обладает определенными достоинствами. Объективы, работающие в области спектра 3–5 мкм (рис.1), обладают рядом преимуществ по сравнению с объективами для области 8–14 мкм:
• они обеспечивают более высокое качество изображения за счет меньшего дифракционного предела разрешения (ε = 1,22 · λ / D);
• имеют меньшие габариты оптических систем и входных окон оптико-электронных комплексов (ОЭК) за счет возможности использования больших диафрагменных чисел (это также определяется дифракцией из-за меньших длин волн в рабочем спектральном диапазоне);
• при расчете оптических систем ТВП можно использовать более широкий номенклатурный ряд оптических материалов: монокристаллические германий, кремний, флюорит, халькогенидные материалы, поликристаллические сульфид и селенид цинка (это разнообразие, в свою очередь, позволяет рассчитывать оптические системы с более высокими выходными оптическими параметрами в сравнении с системами, работающими в диапазоне 8–14 мкм);
• они обладают повышенными светотехническими параметрами просветляющих покрытий, и оптические системы имеют более высокое светопропускание;
• они обеспечивают более высокую эффективность работы в условиях повышенной влажности и в работе с воздушными целями [9].
Особенность создания оптических систем для ТВП определяется тем условием, что уменьшение длины волны одновременно с уменьшением дифракционного предела ужесточает требования к точности изготовления деталей. Надо учитывать, что коэффициент преломления материалов с изменением длины волны меняется не так быстро и составляет для отдельных материалов величины, близкие к n = 4 (германий). Поэтому отклонения от заданной формы поверхностей для оптических деталей не должны превышать N / ΔN ≤ 3 / 0,5. Величина децентрировки должна быть не более 10 мкм, а поле допуска на толщину по центру должно составлять в среднем не более 0,05 мм. Эти обстоятельства, в свою очередь, требуют разработки и внедрения принципиально новых технологий изготовления оптических элементов с использованием современного технологического оборудования, с требуемыми допусками на вышеуказанных оптических средах, с низкой себестоимостью изготовления.
Авторами проведены теоретические исследования в области оптимизации расчетов вышеуказанных оптических систем. Расчеты подтвердили, что для гарантированного обеспечения высокого качества объектива кроме изготовления оптических элементов с вышеуказанными точностными параметрами в расчет оптической схемы необходимо закладывать значения показателей преломления используемых оптических заготовок с точностью, как минимум, до третьего знака после запятой. Однако в нормативно-технической документации на указанные оптические материалы отсутствует требование проведения аттестационных работ по измерению показателя преломления и дисперсии конкретно к каждой изготовленной партии материалов. По этой причине поставщики оптических заготовок не проводят аттестационные работы по измерению показателя преломления и дисперсии в каждой партии заготовок. А конструктор-расчетчик оптических систем при расчете использует номинальные значения показателя преломления, которые указаны в нормативно-технической документации на материалы: ОСТы, ТУ и т. д. и точность которых ограничена вторым знаком после запятой. Тем самым в целом ряде случаев систематические ошибки вносятся при расчете комплектов оптических деталей для определения точных воздушных промежутков для конкретных партий объективов.
Чтобы решить эту несомненно важную проблему, необходимо выполнить целый ряда научных работ по корректировке стандартов, технических условий на изготовление оптических материалов. При этом надо сделать упор на необходимость в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм проводить измерения показателя преломления и дисперсии с точностью до четвертого знака после запятой. Также требуется разработать специальные методики проведения вышеуказанных измерительных процедур, подготовки необходимой метрологической базы, разработки конструкторской документации на специальные призмы-свидетели и т. д.
Заметным трендом в области создания объективов для указанного спектрального диапазона стала минимизация массогабаритных параметров при неизменно высоком качестве формируемого изображения. Как правило, использование традиционных сферических оптических элементов исчерпало свои потенциальные возможности по улучшению выходных параметров объективов. Оптические системы имеют большое количество компонентов, большие массогабаритные характеристики и очень высокую себестоимость изготовления. Как выход из положения, в оптических системах используют нетрадиционные оптические элементы (асферические, киноформные, гибридные асферико-киноформные элементы) (рис.2). В результате оптическая система, в состав которой входят эти оптические элементы, становится компактной. Она приобретает улучшенные аберрационные характеристики, и себестоимость ее изготовления оказывается низкой [10].
Подобные оптические элементы можно изготовить, используя две технологии: технологию прецизионного алмазного точения и технологию изготовления с использованием вакуумного метода ионно-плазменного травления и функциональных масок, синтезированных с помощью компьютерных программ. Второй метод по целому ряду причин в настоящее время не используется.
Использование метода прецизионного алмазного точения предполагает применение суперпрецизионного технологического модуля с ЧПУ (серия станков Nanoform, фирма-производитель AMETEK PRECITECH, США) (рис.3), а также специальных алмазных резцов. Но ряд фирм-производителей таким оборудованием не владеет.
Изготовление оптических элементов из различных оптических материалов методом прецизионного алмазного точения предполагает проведение предварительной оптимизации технологических режимов резания, а также индивидуального подбора смазочно-охлаждающих жидкостей применительно к каждому конкретному материалу. Немаловажным фактором является обязательное использование прецизионной системы активного контроля геометрии обрабатываемой поверхности в процессе резания в реальном масштабе времени. К сожалению, производство подобных технологических комплексов, а также специального режущего инструмента в Российской Федерации отсутствует.
Применение киноформных, асферико-киноформных оптических элементов требует в настоящее время системного решения целого ряда задач. Необходимо разработать государственные стандарты на конструкцию киноформных (асферико-киноформных) элементов с обязательным перечнем конструктивных параметров, рекомендаций по точности, разработки различных методик измерения этих параметров, а также создания соответствующей метрологической базы.
Одним из важнейших конструкторских параметров оптической системы независимо от того, в каком спектральном диапазоне она функционирует, является коэффициент пропускания излучения [11]. Этот параметр напрямую связан с дальностью обнаружения и распознавания объекта. А в случае создания тепловизионного объектива, работающего в одной из частей ИК-спектра, влияет на уровень оптического сигнала, поступающего на фотоприемное устройство, регистрирующего излучение от объекта. Для увеличения сигнала необходимо снизить потери излучения в рабочем спектральном диапазоне (3–5 мкм). Это обстоятельство требует синтеза специальных многослойных оптических покрытий, которые бы обеспечили максимально низкое остаточное отражение от каждой оптической поверхности. Естественно, увеличение числа слоев приводит к увеличению величины потерь на рассеяние и на поглощение в самих слоях. Это, в свою очередь, приводит к неизбежным потерям сигнала, проходящего через оптическую систему. Данную проблему можно решить только одним способом – путем замены конструкции многослойных оптических покрытий на однослойные пленки с градиентным показателем преломления, что эквивалентно многослойной интерференционной пленке. Экспериментальные работы в данной области проводились сотрудниками отдела оптических покрытий АО НПО "ГИПО" (г. Казань) совместно с предприятием ПАО "Красногорский завод им. С. А. Зверева" с использованием оптических подложек из монокристаллического германия и поликристаллического селенида цинка и показали хороший результат [12].
Особенностью оптических покрытий, наносимых на оптические элементы для ИК-диапазона, является их относительно большая оптическая толщина. Суммарная толщина оптического покрытия получается с учетом высоких показателей преломления используемых пленкообразующих материалов, а также толщины каждого слоя в отдельности. В случае нанесения оптического слоя на оптическую поверхность с варьированной толщиной на всей поверхности ведет к появлению эффекта несоответствия фактической поверхности ее конструктивным геометрическим требованиям. Это также приводит к фазовой задержке при прохождении излучения через каждую поверхность и ухудшению качества объектива в целом. В наибольшей степени описанный негативный эффект проявляется на вогнутых крутых поверхностях, которые, как правило, характерны для оптических схем тепловизионных объективов. Чтобы обеспечить нанесение равномерного по толщине покрытия по всей поверхности каждого элемента, используются планетарные механизмы вращения оптических деталей, а также специально рассчитанные функциональные маски [13].
Разработка и производство объективов с требуемыми выходными параметрами обеспечит создание высококачественных отечественных тепловизионных приборов нового поколения. Тенденции последнего десятилетия, требующие постоянной минимизации и миниатюризации, не обошли стороной и оптико-электронное приборостроение. Эта тенденция накладывает свой отпечаток на разработку современных тепловизионных приборов, требуя применения новаторских конструкторских решений. Одним из них является разработка оптических систем с ломанными оптическими осями (что позволяет изменять направление визирной оси до 180°) с использованием нетрадиционных оптических компонентов. Но этот конструкторский прием усложняет процесс сборки и контроля выходных параметров объективов.
Ужесточение требований по децентрировке оптических компонентов, в том числе поперечной и угловой децентрировке, ведет к повышению качественных показателей ИК- оптических систем. В частности, децентрировка линзовых компонент, предназначенных для работы в ИК-диапазоне, не должна превышать 3–5 мкм. Такие методы центрирования линз в оправах, как автоколлимационная вточка с использованием плавающего патрона или ее усовершенствованная разновидность – двусторонняя автоколлимационная вточка, в полной мере не позволяют добиться требуемых допустимых значений децентрировок линз. Для решения подобных задач сотрудники ПАО КМЗ разработали макет специального стенда – лазерный автоколлимационный микроскоп, использующий лазерное излучение. В его доработке и устранении замечаний к конструкции, обнаруженных на этапе проведения экспериментальных работ, привлекаются сотрудники МГТУ им. Н. Э. Баумана с кафедры РЛ‑2 факультета РЛ.
Во время финишной сборки объектива для достижения требуемых параметров необходимо с высокой точностью выдерживать воздушные промежутки между оптическими элементами. Для контроля полученных воздушных промежутков с допустимой погрешностью порядка 0,01 мм требуется прецизионное метрологическое оборудование. В качестве одного из вариантов метрологического оборудования может быть использована лабораторная скамья OptiCentric IR немецкой фирмы TRIOPTICS, которую производят специально для контроля оптических деталей, предназначенных для работы в ИК-диапазоне.
При сборке объективов с ломаными оптическими осями требуются особые способы юстировки и выставления линз в оправах и зеркал в корпусе объектива. Соосность оптических компонентов друг относительно друга не должна превышать 0,01 мм в системах без подвижных компонентов и 0,03 мм в системах с подвижным оптическим компонентом. Кроме этого, необходимо обеспечить выставление зеркал с угловой погрешностью не более 20 угл. с относительно требуемого угла с одновременным выдерживанием воздушных промежутков с точностью не более 10 мкм.
Для решения этих задач требуется создание определенной номенклатуры специализированного контрольно-юстировочного оборудования, разработка методик юстировки для данного класса оптических систем. Все эти работы требуют системного подхода и обязательного финансирования теоретических и экспериментальных работ.
Какие же тенденции, связанные с разработкой и производством объективов для ТВП, мы наблюдаем? В настоящее время рынок беспилотных летательных аппаратов различного назначения и охранных систем формирует большой спрос на создание панорамных приборов с круговым обзором. В связи с этим весьма востребованы заказчиками разработки и производство объективов для области спектра 3–5 мкм с углом поля зрения не менее 180°. Именно здесь в наибольшей степени требуется внедрение перечисленных технологических разработок.
При создании ТВП, для работы в широком диапазоне варьирования внешних условий, в том числе и при недопустимо низких температурных контрастах "объект-фон", используют полупроводниковые квантово-каскадные лазеры (ККЛ). Эти лазеры генерируют излучение в диапазоне 3–5 мкм и служат основой для малогабаритных ИК-осветителей, входящих в комплект ТВП. Подробно о возможности применения ККЛ в ТВП сообщалось в работе [14]. Но при использовании ИК-осветителей на базе ККЛ для формирования луча необходимо включить в оптическую схему соответствующие элементы. Схему необходимо рассчитывать в соответствии с требованием коллимации когерентного излучения, с учетом требования сформировать пятно подсвета круглой или прямоугольной формы, в виде креста или иной фигуры, приемлемой для создания лазерных целеуказателей для тепловизионных приборов.
Другой важной областью применения ТВП стала медицина, и это еще одно из направлений их развития. ТВП создают тепловое изображение организма – термограммы за счет собственного ИК-излучения тела человека. Если в области спектра менее 5 мкм тело человека излучает меньше 1% всей энергии, то в области спектра 5–9 мкм, 9–16 мкм и свыше 16 мкм – излучение составляет соответственно 20, 38 и 41% [15].
Однако именно в области спектра 3–5 мкм обеспечивается наибольшая разрешающая способность ИК-изображения на термограммах. Это открывает широкий горизонт для их использования в качестве эффективного медицинского контроля. Недостаток энергии, излучаемой телом человека в этой области спектра, можно компенсировать применением более чувствительных современных ТВП 3-го поколения, а также за счет дополнительного подсвета излучением ККЛ.
У всех здоровых людей распределение температуры по поверхности тела имеет много общих закономерностей, в том числе проявление симметрии изображения относительно срединной линии. Однако абсолютные значения температуры кожи в зависимости от ряда факторов (окружающей температуры и влажности, времени суток и года, индивидуальных особенностей человека и т. п.) могут изменяться в довольно широких пределах, поэтому наибольший интерес представляют сравнительные распределения температуры и выявление нарушений его симметричности. Эти нарушения возникают из-за аномалий сосудистой сети (например при сосудистых опухолях), при изменении тонуса сосудов, при местных расстройствах кровообращения (травмы, тромбоз, склероз) и венозного кровотока, при локальных перегревах (опухоли, воспалительные очаги) и при изменении теплопроводности тканей. Технические основы термографии и аппаратура для нее описаны в работах [15, 16]. Аномалии сосудов в основном визуализируются на изображении человеческого тела в виде появления участков с более высокой температурой. Исключение составляют ожоги, обморожения и травмы, области которых на изображении всегда холоднее окружающих тканей. ИК-термография имеет много важных преимуществ по сравнению с рентгеновской томографией и ядерным магнитным резонансом [16–19].
Рассмотрим примеры ТВП для медицинской диагностики. На рис.4 приведен вид ТВП ИРТИС 2000 МЕ для медицинской термографии, на рис.5 представлена типичная термограмма, а на рис.6 – пример организации медицинского кабинета тепловизионной диагностики, на рис.7 – минимальный размер объекта в зависимости от расстояния [16–19].
ТВП Thermovision®870 System фирмы AGEMA Infrared Systems (Швеция) [15] выполнен на основе ФПУ на базе линейки КРТ с числом элементов 100, рабочей областью спектра 2–5 мкм, температурной разрешающей способностью 0,1 °С, частотой кадров 25 Гц, массой 2,5 кг (собственно ТПВ прибор) и 4,5 кг (ТВ монитор), габаритами соответственно 92 Ч 150 Ч 205 мм и 252 Ч 129 Ч 322мм, диапазоном рабочих температур 15–50 °С.
Цифровые тепловизионные ПЗС камеры TVC300 и TVC400 группы компаний "СИЛАР" [15], выполненные на основе ИК-ПЗС с барьерами Шоттки, используют криогенное охлаждение. Его обеспечивают или заливкой жидкого азота в криостат (модификация ML), или с помощью микрохолодильника Стирлинга (модификация ST). Возможна работа в автономном режиме без компьютера, с компьютером, предусмотрена возможность записи изображений в реальном масштабе времени (более 1 000 кадров без пропусков). Число пикселов ПЗС составляет 320 Ч 240 (модель TVC300) и 480 Ч 320 (модель TVC400), размер пиксела соответственно 40 Ч 40 мкм и 28 Ч 28 мкм, частота кадров 25 Гц, рабочая область спектра 1,8–5,3 мкм, динамический диапазон более 56 дБ, температурная чувствительность не более 0,1 °С, рабочий диапазон температур от –15 до 35 °С [15].
ТВП "ИРТИС‑2000 МЕ" (ООО "ИРТИС/IRTIS", РФ) [16–19], выполненный на базе одноэлементного ИК-фотоприемника InSb или HgCdTe, работает в двух областях спектра: 3–5 мкм или 8–12 мкм. Прибор имеет чувствительность 0,02 °С (температурное разрешение по всему полю) при 30 °С, диапазон его измерений от –60 до 300 °С (ИРТИС 21000 СВ) и от –60 до 1 700 °С (ИРТИС 2000 СН), точность измерения ±1 °С, диапазон рабочих температур от –40 до 85 °С, пространственное разрешение 1 мрад, угол поля зрения 25 Ч 20°, разрешение кадра 256 Ч 256 или 640 Ч 480 пикселов, массу 1,4 кг, габариты 92 Ч 120 Ч 200 мм, напряжение питания U = 6 В, энергопотребление 1,2 Вт, время непрерывной работы более 8 часов, время форматирования кадра переключаемое: 0,8 с, 1,6 с и 3,2 с. Камера ИРТИС‑2000 МЕ работает с любым современным компьютером и может подключаться к компьютеру заказчика. Возможна также поставка камеры в комплекте со стационарным компьютером или ноутбуком. Благодаря особенностям конструкции камеры достигается высокая повторяемость результатов измерения от кадра к кадру, что позволяет осуществлять динамическое инфракрасное термокартирование (многократную съемку одного и того же участка тела пациента через заданные промежутки времени) и просматривать затем полученные термограммы в виде динамического тепловизионного фильма.
Приборы, работающие в области спектра 3–5 мкм, могут быть изготовлены в виде модулей, встраиваемых в многоканальную систему наблюдения и прицеливания, и состоящую из модулей тепловизионных приборов, работающих также в области спектра 8–14 мкм, а со временем 30–100 мкм, из ТВ модулей для области спектра 0,1–0,25 мкм, 0,4–1,1 мкм, 0,8–1,7 мкм, лазерных целеуказателей-дальномеров и других модулей. При этом с помощью микропроцессора изображения всех модулей суммируются в единое интегрированное изображение [1, 15]. В данном варианте тепловизионного прибора модуль для области спектра 3–5 мкм должен быть разработан и изготовлен с учетом подобной специфики его применения, конструктивного исполнения всей системы и с выполнением условий стандартизации и унификации.
Хотелось бы коснуться еще одного перспективного технологического направления создания оптики для ТВП – применение 3D-печати для изготовления различных компонентов приборов. Это – не утопия, а реальность сегодняшних дней. Существуют достаточно серьезные предпосылки для ее реализации не только за рубежом, но и в Российской Федерации. С помощью 3D-печати возможно создание микроминиатюрных тепловизионных и телевизионных систем, лазерных целеуказателей-осветителей для наведения управляемых ракет с дистанционной передачей изображения.
Эти же датчики можно использовать для скрытного наблюдения в системах обеспечения безопасности.
3D-технология позволит в перспективе создать микроминиатюрные (размером с пчелу), беспилотные летательные аппараты и наземные роботизированные мобильные устройства для осуществления скрытной разведки и проведения спецопераций и соответствующую оптику для них, а вместо современных датчиков ТВП и GPS – новые микроминиатюрные датчики разведки, прицеливания, навигации, измерения координат и дальности до цели.
Технология 3D-печати позволит создать новые маскировочные материалы, обеспечивающие скрытность во всех областях спектра: УФ, ИК, радиодиапазоне. 3D-печать эффективна для создания сверхбольших интегральных схем, микроминиатюрных персональных компьютеров и микропроцессоров, а также МЭМС, микроэлектродвигателей и источников первичного питания в интегральном исполнении (в том числе и солнечных батарей) в интересах разработки перспективных ТВП.
Создание новых оптических материалов с повышенной стойкостью к механическим, климатическим и специальным воздействиям (проникающая радиация, агрессивные среды и др.) также невозможно без 3D-печати.
Технология 3D-печати открывает широкие просторы для проектирования ТВП и устройств с высоким быстродействием, для создания систем накопления информации с поистине неограниченным ее объемом. Факторы, мешающие широкому распространению 3D-печати в данном техническом направлении, со временем будут устранены.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Все направления использования ТВП отражают дальнейшие перспективы развития технологии изготовления тепловизионных объективов. Несомненно, тенденции к увеличению объемов выпуска тепловизионных оптических приборов и комплексов в ближайшей перспективе будут только усиливаться. Все вышеуказанные проблемные вопросы в той или иной степени будут влиять на стабильность, себестоимость их производства, а также на эксплуатационные параметры изготовленных изделий. Требуется системный подход к решению этих задач при условии привлечения ведущих специалистов из предприятий и организаций, прямо или косвенно участвующих в процессе производства оптико-электронных приборов данного профиля.
Авторы статьи выражают искреннюю благодарность за рецензирование и корректировку текста статьи Колючкину В. Я., Склярову С. Н.
ЛИТЕРАТУРА
1. Geikhman I.L., Volkov V. G. Vision and safety. – M.: LLC "Nedra – Business Center" 2009.
2. Volkov V.G., Moiseev E. A., Senik B. N. Modern trends in the development of lenses for thermal imaging optical devices. – Kontenant, 2016, t. 15, № 4, p.79–81.
3. Dragun V. L. Thermal imaging systems in the study of thermal processes. – M.: Science, 1967.
4. Volkov V. G. Night vision devices for armored vehicles. – Special equipment 2004, № 5, p. 2–13, № 6, p. 2–10.
5. Lloyd J. Thermal imaging systems. -– M.: Mir, 1987.
6. Gossorg J. Infrared thermography. Fundamentals, technique and application. –M.: Mir, 1988.
7. Tarasov V.V., Yakushenkov Y. G. Two- and multi-band optical-electronic systems with the matrix of radiation detectors. – M.: University book, Logos, 2007.
8. Ponomarenko V.P., Filachev A. M. Infrared technology and electron optics. Formation of scientific fields (1946–2006). – M: Fizmatkniga 2006.
9. Bazhanov Y.V., Berdennikov A. V., Duchitsky A. S., Lukin A. V., Cherkashina R. M. Lenses for use with the matrix of radiation detectors in the spectral range of 8–14 µm. – Optical journal, 2003, v. 70, № 4, p. 35–36.
10. Gan M.A. 50 years of kinoform optics. Results and Prospects. – Optical journal, v. 73, № 7, p. 9–16.
11. Potelov V.V., Senik B. N. Gradient coatings for hyperspectral optical crystals. – Abstracts of the XIII conference "High-purity substances and materials. Receiving, analyzing, application", Nizhny Novgorod, 2007, p. 217–221.
12. Senik B. N. Method for determining the functional masks aspherization vacuum. – Applied Physics, 2007, № 3, p. 129–134.
13. Gainutdinov I.S., Nesmelov E. A., Khaibullin I. B. Interference coatings for optical instrumentation. – Kazan: Publishing house "FEN", 2002.
14. Volkov V. G. Quantum cascade lasers and their application in security and communication systems. Management, security and communications, 2016, № 1, p.10–41 [http://sccs.intelgr.com/article/2016–01/02-volkov.pdf].
15. Volkov V.G., Gindin P. D. Technical vision. Innovation. – M.: Technosphere 2014.
16. Thermal imager 2000 ME/Company IRTIS [www.irtis.ru/prod5.html].
17. Thermal imagers, devices for thermal survey [www.oir-poisk.ru].
18. Thermal imager IRTIS2000. Thermal imaging diagnostics. Equipment. [GeoEngine www.geo-engine.ru].
19. Portable computer thermograph IRTIS. [www.m.irtis.ru].
Современные тепловизионные приборы (ТВП) работают в одном из двух спектральных диапазонов (3–5 мкм и 8–14 мкм). Некоторые типы ТВП работают в обоих диапазонах одновременно, т. е. являются комбинированными приборами. Каждый из типов обладает определенными достоинствами. Объективы, работающие в области спектра 3–5 мкм (рис.1), обладают рядом преимуществ по сравнению с объективами для области 8–14 мкм:
• они обеспечивают более высокое качество изображения за счет меньшего дифракционного предела разрешения (ε = 1,22 · λ / D);
• имеют меньшие габариты оптических систем и входных окон оптико-электронных комплексов (ОЭК) за счет возможности использования больших диафрагменных чисел (это также определяется дифракцией из-за меньших длин волн в рабочем спектральном диапазоне);
• при расчете оптических систем ТВП можно использовать более широкий номенклатурный ряд оптических материалов: монокристаллические германий, кремний, флюорит, халькогенидные материалы, поликристаллические сульфид и селенид цинка (это разнообразие, в свою очередь, позволяет рассчитывать оптические системы с более высокими выходными оптическими параметрами в сравнении с системами, работающими в диапазоне 8–14 мкм);
• они обладают повышенными светотехническими параметрами просветляющих покрытий, и оптические системы имеют более высокое светопропускание;
• они обеспечивают более высокую эффективность работы в условиях повышенной влажности и в работе с воздушными целями [9].
Особенность создания оптических систем для ТВП определяется тем условием, что уменьшение длины волны одновременно с уменьшением дифракционного предела ужесточает требования к точности изготовления деталей. Надо учитывать, что коэффициент преломления материалов с изменением длины волны меняется не так быстро и составляет для отдельных материалов величины, близкие к n = 4 (германий). Поэтому отклонения от заданной формы поверхностей для оптических деталей не должны превышать N / ΔN ≤ 3 / 0,5. Величина децентрировки должна быть не более 10 мкм, а поле допуска на толщину по центру должно составлять в среднем не более 0,05 мм. Эти обстоятельства, в свою очередь, требуют разработки и внедрения принципиально новых технологий изготовления оптических элементов с использованием современного технологического оборудования, с требуемыми допусками на вышеуказанных оптических средах, с низкой себестоимостью изготовления.
Авторами проведены теоретические исследования в области оптимизации расчетов вышеуказанных оптических систем. Расчеты подтвердили, что для гарантированного обеспечения высокого качества объектива кроме изготовления оптических элементов с вышеуказанными точностными параметрами в расчет оптической схемы необходимо закладывать значения показателей преломления используемых оптических заготовок с точностью, как минимум, до третьего знака после запятой. Однако в нормативно-технической документации на указанные оптические материалы отсутствует требование проведения аттестационных работ по измерению показателя преломления и дисперсии конкретно к каждой изготовленной партии материалов. По этой причине поставщики оптических заготовок не проводят аттестационные работы по измерению показателя преломления и дисперсии в каждой партии заготовок. А конструктор-расчетчик оптических систем при расчете использует номинальные значения показателя преломления, которые указаны в нормативно-технической документации на материалы: ОСТы, ТУ и т. д. и точность которых ограничена вторым знаком после запятой. Тем самым в целом ряде случаев систематические ошибки вносятся при расчете комплектов оптических деталей для определения точных воздушных промежутков для конкретных партий объективов.
Чтобы решить эту несомненно важную проблему, необходимо выполнить целый ряда научных работ по корректировке стандартов, технических условий на изготовление оптических материалов. При этом надо сделать упор на необходимость в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм проводить измерения показателя преломления и дисперсии с точностью до четвертого знака после запятой. Также требуется разработать специальные методики проведения вышеуказанных измерительных процедур, подготовки необходимой метрологической базы, разработки конструкторской документации на специальные призмы-свидетели и т. д.
Заметным трендом в области создания объективов для указанного спектрального диапазона стала минимизация массогабаритных параметров при неизменно высоком качестве формируемого изображения. Как правило, использование традиционных сферических оптических элементов исчерпало свои потенциальные возможности по улучшению выходных параметров объективов. Оптические системы имеют большое количество компонентов, большие массогабаритные характеристики и очень высокую себестоимость изготовления. Как выход из положения, в оптических системах используют нетрадиционные оптические элементы (асферические, киноформные, гибридные асферико-киноформные элементы) (рис.2). В результате оптическая система, в состав которой входят эти оптические элементы, становится компактной. Она приобретает улучшенные аберрационные характеристики, и себестоимость ее изготовления оказывается низкой [10].
Подобные оптические элементы можно изготовить, используя две технологии: технологию прецизионного алмазного точения и технологию изготовления с использованием вакуумного метода ионно-плазменного травления и функциональных масок, синтезированных с помощью компьютерных программ. Второй метод по целому ряду причин в настоящее время не используется.
Использование метода прецизионного алмазного точения предполагает применение суперпрецизионного технологического модуля с ЧПУ (серия станков Nanoform, фирма-производитель AMETEK PRECITECH, США) (рис.3), а также специальных алмазных резцов. Но ряд фирм-производителей таким оборудованием не владеет.
Изготовление оптических элементов из различных оптических материалов методом прецизионного алмазного точения предполагает проведение предварительной оптимизации технологических режимов резания, а также индивидуального подбора смазочно-охлаждающих жидкостей применительно к каждому конкретному материалу. Немаловажным фактором является обязательное использование прецизионной системы активного контроля геометрии обрабатываемой поверхности в процессе резания в реальном масштабе времени. К сожалению, производство подобных технологических комплексов, а также специального режущего инструмента в Российской Федерации отсутствует.
Применение киноформных, асферико-киноформных оптических элементов требует в настоящее время системного решения целого ряда задач. Необходимо разработать государственные стандарты на конструкцию киноформных (асферико-киноформных) элементов с обязательным перечнем конструктивных параметров, рекомендаций по точности, разработки различных методик измерения этих параметров, а также создания соответствующей метрологической базы.
Одним из важнейших конструкторских параметров оптической системы независимо от того, в каком спектральном диапазоне она функционирует, является коэффициент пропускания излучения [11]. Этот параметр напрямую связан с дальностью обнаружения и распознавания объекта. А в случае создания тепловизионного объектива, работающего в одной из частей ИК-спектра, влияет на уровень оптического сигнала, поступающего на фотоприемное устройство, регистрирующего излучение от объекта. Для увеличения сигнала необходимо снизить потери излучения в рабочем спектральном диапазоне (3–5 мкм). Это обстоятельство требует синтеза специальных многослойных оптических покрытий, которые бы обеспечили максимально низкое остаточное отражение от каждой оптической поверхности. Естественно, увеличение числа слоев приводит к увеличению величины потерь на рассеяние и на поглощение в самих слоях. Это, в свою очередь, приводит к неизбежным потерям сигнала, проходящего через оптическую систему. Данную проблему можно решить только одним способом – путем замены конструкции многослойных оптических покрытий на однослойные пленки с градиентным показателем преломления, что эквивалентно многослойной интерференционной пленке. Экспериментальные работы в данной области проводились сотрудниками отдела оптических покрытий АО НПО "ГИПО" (г. Казань) совместно с предприятием ПАО "Красногорский завод им. С. А. Зверева" с использованием оптических подложек из монокристаллического германия и поликристаллического селенида цинка и показали хороший результат [12].
Особенностью оптических покрытий, наносимых на оптические элементы для ИК-диапазона, является их относительно большая оптическая толщина. Суммарная толщина оптического покрытия получается с учетом высоких показателей преломления используемых пленкообразующих материалов, а также толщины каждого слоя в отдельности. В случае нанесения оптического слоя на оптическую поверхность с варьированной толщиной на всей поверхности ведет к появлению эффекта несоответствия фактической поверхности ее конструктивным геометрическим требованиям. Это также приводит к фазовой задержке при прохождении излучения через каждую поверхность и ухудшению качества объектива в целом. В наибольшей степени описанный негативный эффект проявляется на вогнутых крутых поверхностях, которые, как правило, характерны для оптических схем тепловизионных объективов. Чтобы обеспечить нанесение равномерного по толщине покрытия по всей поверхности каждого элемента, используются планетарные механизмы вращения оптических деталей, а также специально рассчитанные функциональные маски [13].
Разработка и производство объективов с требуемыми выходными параметрами обеспечит создание высококачественных отечественных тепловизионных приборов нового поколения. Тенденции последнего десятилетия, требующие постоянной минимизации и миниатюризации, не обошли стороной и оптико-электронное приборостроение. Эта тенденция накладывает свой отпечаток на разработку современных тепловизионных приборов, требуя применения новаторских конструкторских решений. Одним из них является разработка оптических систем с ломанными оптическими осями (что позволяет изменять направление визирной оси до 180°) с использованием нетрадиционных оптических компонентов. Но этот конструкторский прием усложняет процесс сборки и контроля выходных параметров объективов.
Ужесточение требований по децентрировке оптических компонентов, в том числе поперечной и угловой децентрировке, ведет к повышению качественных показателей ИК- оптических систем. В частности, децентрировка линзовых компонент, предназначенных для работы в ИК-диапазоне, не должна превышать 3–5 мкм. Такие методы центрирования линз в оправах, как автоколлимационная вточка с использованием плавающего патрона или ее усовершенствованная разновидность – двусторонняя автоколлимационная вточка, в полной мере не позволяют добиться требуемых допустимых значений децентрировок линз. Для решения подобных задач сотрудники ПАО КМЗ разработали макет специального стенда – лазерный автоколлимационный микроскоп, использующий лазерное излучение. В его доработке и устранении замечаний к конструкции, обнаруженных на этапе проведения экспериментальных работ, привлекаются сотрудники МГТУ им. Н. Э. Баумана с кафедры РЛ‑2 факультета РЛ.
Во время финишной сборки объектива для достижения требуемых параметров необходимо с высокой точностью выдерживать воздушные промежутки между оптическими элементами. Для контроля полученных воздушных промежутков с допустимой погрешностью порядка 0,01 мм требуется прецизионное метрологическое оборудование. В качестве одного из вариантов метрологического оборудования может быть использована лабораторная скамья OptiCentric IR немецкой фирмы TRIOPTICS, которую производят специально для контроля оптических деталей, предназначенных для работы в ИК-диапазоне.
При сборке объективов с ломаными оптическими осями требуются особые способы юстировки и выставления линз в оправах и зеркал в корпусе объектива. Соосность оптических компонентов друг относительно друга не должна превышать 0,01 мм в системах без подвижных компонентов и 0,03 мм в системах с подвижным оптическим компонентом. Кроме этого, необходимо обеспечить выставление зеркал с угловой погрешностью не более 20 угл. с относительно требуемого угла с одновременным выдерживанием воздушных промежутков с точностью не более 10 мкм.
Для решения этих задач требуется создание определенной номенклатуры специализированного контрольно-юстировочного оборудования, разработка методик юстировки для данного класса оптических систем. Все эти работы требуют системного подхода и обязательного финансирования теоретических и экспериментальных работ.
Какие же тенденции, связанные с разработкой и производством объективов для ТВП, мы наблюдаем? В настоящее время рынок беспилотных летательных аппаратов различного назначения и охранных систем формирует большой спрос на создание панорамных приборов с круговым обзором. В связи с этим весьма востребованы заказчиками разработки и производство объективов для области спектра 3–5 мкм с углом поля зрения не менее 180°. Именно здесь в наибольшей степени требуется внедрение перечисленных технологических разработок.
При создании ТВП, для работы в широком диапазоне варьирования внешних условий, в том числе и при недопустимо низких температурных контрастах "объект-фон", используют полупроводниковые квантово-каскадные лазеры (ККЛ). Эти лазеры генерируют излучение в диапазоне 3–5 мкм и служат основой для малогабаритных ИК-осветителей, входящих в комплект ТВП. Подробно о возможности применения ККЛ в ТВП сообщалось в работе [14]. Но при использовании ИК-осветителей на базе ККЛ для формирования луча необходимо включить в оптическую схему соответствующие элементы. Схему необходимо рассчитывать в соответствии с требованием коллимации когерентного излучения, с учетом требования сформировать пятно подсвета круглой или прямоугольной формы, в виде креста или иной фигуры, приемлемой для создания лазерных целеуказателей для тепловизионных приборов.
Другой важной областью применения ТВП стала медицина, и это еще одно из направлений их развития. ТВП создают тепловое изображение организма – термограммы за счет собственного ИК-излучения тела человека. Если в области спектра менее 5 мкм тело человека излучает меньше 1% всей энергии, то в области спектра 5–9 мкм, 9–16 мкм и свыше 16 мкм – излучение составляет соответственно 20, 38 и 41% [15].
Однако именно в области спектра 3–5 мкм обеспечивается наибольшая разрешающая способность ИК-изображения на термограммах. Это открывает широкий горизонт для их использования в качестве эффективного медицинского контроля. Недостаток энергии, излучаемой телом человека в этой области спектра, можно компенсировать применением более чувствительных современных ТВП 3-го поколения, а также за счет дополнительного подсвета излучением ККЛ.
У всех здоровых людей распределение температуры по поверхности тела имеет много общих закономерностей, в том числе проявление симметрии изображения относительно срединной линии. Однако абсолютные значения температуры кожи в зависимости от ряда факторов (окружающей температуры и влажности, времени суток и года, индивидуальных особенностей человека и т. п.) могут изменяться в довольно широких пределах, поэтому наибольший интерес представляют сравнительные распределения температуры и выявление нарушений его симметричности. Эти нарушения возникают из-за аномалий сосудистой сети (например при сосудистых опухолях), при изменении тонуса сосудов, при местных расстройствах кровообращения (травмы, тромбоз, склероз) и венозного кровотока, при локальных перегревах (опухоли, воспалительные очаги) и при изменении теплопроводности тканей. Технические основы термографии и аппаратура для нее описаны в работах [15, 16]. Аномалии сосудов в основном визуализируются на изображении человеческого тела в виде появления участков с более высокой температурой. Исключение составляют ожоги, обморожения и травмы, области которых на изображении всегда холоднее окружающих тканей. ИК-термография имеет много важных преимуществ по сравнению с рентгеновской томографией и ядерным магнитным резонансом [16–19].
Рассмотрим примеры ТВП для медицинской диагностики. На рис.4 приведен вид ТВП ИРТИС 2000 МЕ для медицинской термографии, на рис.5 представлена типичная термограмма, а на рис.6 – пример организации медицинского кабинета тепловизионной диагностики, на рис.7 – минимальный размер объекта в зависимости от расстояния [16–19].
ТВП Thermovision®870 System фирмы AGEMA Infrared Systems (Швеция) [15] выполнен на основе ФПУ на базе линейки КРТ с числом элементов 100, рабочей областью спектра 2–5 мкм, температурной разрешающей способностью 0,1 °С, частотой кадров 25 Гц, массой 2,5 кг (собственно ТПВ прибор) и 4,5 кг (ТВ монитор), габаритами соответственно 92 Ч 150 Ч 205 мм и 252 Ч 129 Ч 322мм, диапазоном рабочих температур 15–50 °С.
Цифровые тепловизионные ПЗС камеры TVC300 и TVC400 группы компаний "СИЛАР" [15], выполненные на основе ИК-ПЗС с барьерами Шоттки, используют криогенное охлаждение. Его обеспечивают или заливкой жидкого азота в криостат (модификация ML), или с помощью микрохолодильника Стирлинга (модификация ST). Возможна работа в автономном режиме без компьютера, с компьютером, предусмотрена возможность записи изображений в реальном масштабе времени (более 1 000 кадров без пропусков). Число пикселов ПЗС составляет 320 Ч 240 (модель TVC300) и 480 Ч 320 (модель TVC400), размер пиксела соответственно 40 Ч 40 мкм и 28 Ч 28 мкм, частота кадров 25 Гц, рабочая область спектра 1,8–5,3 мкм, динамический диапазон более 56 дБ, температурная чувствительность не более 0,1 °С, рабочий диапазон температур от –15 до 35 °С [15].
ТВП "ИРТИС‑2000 МЕ" (ООО "ИРТИС/IRTIS", РФ) [16–19], выполненный на базе одноэлементного ИК-фотоприемника InSb или HgCdTe, работает в двух областях спектра: 3–5 мкм или 8–12 мкм. Прибор имеет чувствительность 0,02 °С (температурное разрешение по всему полю) при 30 °С, диапазон его измерений от –60 до 300 °С (ИРТИС 21000 СВ) и от –60 до 1 700 °С (ИРТИС 2000 СН), точность измерения ±1 °С, диапазон рабочих температур от –40 до 85 °С, пространственное разрешение 1 мрад, угол поля зрения 25 Ч 20°, разрешение кадра 256 Ч 256 или 640 Ч 480 пикселов, массу 1,4 кг, габариты 92 Ч 120 Ч 200 мм, напряжение питания U = 6 В, энергопотребление 1,2 Вт, время непрерывной работы более 8 часов, время форматирования кадра переключаемое: 0,8 с, 1,6 с и 3,2 с. Камера ИРТИС‑2000 МЕ работает с любым современным компьютером и может подключаться к компьютеру заказчика. Возможна также поставка камеры в комплекте со стационарным компьютером или ноутбуком. Благодаря особенностям конструкции камеры достигается высокая повторяемость результатов измерения от кадра к кадру, что позволяет осуществлять динамическое инфракрасное термокартирование (многократную съемку одного и того же участка тела пациента через заданные промежутки времени) и просматривать затем полученные термограммы в виде динамического тепловизионного фильма.
Приборы, работающие в области спектра 3–5 мкм, могут быть изготовлены в виде модулей, встраиваемых в многоканальную систему наблюдения и прицеливания, и состоящую из модулей тепловизионных приборов, работающих также в области спектра 8–14 мкм, а со временем 30–100 мкм, из ТВ модулей для области спектра 0,1–0,25 мкм, 0,4–1,1 мкм, 0,8–1,7 мкм, лазерных целеуказателей-дальномеров и других модулей. При этом с помощью микропроцессора изображения всех модулей суммируются в единое интегрированное изображение [1, 15]. В данном варианте тепловизионного прибора модуль для области спектра 3–5 мкм должен быть разработан и изготовлен с учетом подобной специфики его применения, конструктивного исполнения всей системы и с выполнением условий стандартизации и унификации.
Хотелось бы коснуться еще одного перспективного технологического направления создания оптики для ТВП – применение 3D-печати для изготовления различных компонентов приборов. Это – не утопия, а реальность сегодняшних дней. Существуют достаточно серьезные предпосылки для ее реализации не только за рубежом, но и в Российской Федерации. С помощью 3D-печати возможно создание микроминиатюрных тепловизионных и телевизионных систем, лазерных целеуказателей-осветителей для наведения управляемых ракет с дистанционной передачей изображения.
Эти же датчики можно использовать для скрытного наблюдения в системах обеспечения безопасности.
3D-технология позволит в перспективе создать микроминиатюрные (размером с пчелу), беспилотные летательные аппараты и наземные роботизированные мобильные устройства для осуществления скрытной разведки и проведения спецопераций и соответствующую оптику для них, а вместо современных датчиков ТВП и GPS – новые микроминиатюрные датчики разведки, прицеливания, навигации, измерения координат и дальности до цели.
Технология 3D-печати позволит создать новые маскировочные материалы, обеспечивающие скрытность во всех областях спектра: УФ, ИК, радиодиапазоне. 3D-печать эффективна для создания сверхбольших интегральных схем, микроминиатюрных персональных компьютеров и микропроцессоров, а также МЭМС, микроэлектродвигателей и источников первичного питания в интегральном исполнении (в том числе и солнечных батарей) в интересах разработки перспективных ТВП.
Создание новых оптических материалов с повышенной стойкостью к механическим, климатическим и специальным воздействиям (проникающая радиация, агрессивные среды и др.) также невозможно без 3D-печати.
Технология 3D-печати открывает широкие просторы для проектирования ТВП и устройств с высоким быстродействием, для создания систем накопления информации с поистине неограниченным ее объемом. Факторы, мешающие широкому распространению 3D-печати в данном техническом направлении, со временем будут устранены.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Все направления использования ТВП отражают дальнейшие перспективы развития технологии изготовления тепловизионных объективов. Несомненно, тенденции к увеличению объемов выпуска тепловизионных оптических приборов и комплексов в ближайшей перспективе будут только усиливаться. Все вышеуказанные проблемные вопросы в той или иной степени будут влиять на стабильность, себестоимость их производства, а также на эксплуатационные параметры изготовленных изделий. Требуется системный подход к решению этих задач при условии привлечения ведущих специалистов из предприятий и организаций, прямо или косвенно участвующих в процессе производства оптико-электронных приборов данного профиля.
Авторы статьи выражают искреннюю благодарность за рецензирование и корректировку текста статьи Колючкину В. Я., Склярову С. Н.
ЛИТЕРАТУРА
1. Geikhman I.L., Volkov V. G. Vision and safety. – M.: LLC "Nedra – Business Center" 2009.
2. Volkov V.G., Moiseev E. A., Senik B. N. Modern trends in the development of lenses for thermal imaging optical devices. – Kontenant, 2016, t. 15, № 4, p.79–81.
3. Dragun V. L. Thermal imaging systems in the study of thermal processes. – M.: Science, 1967.
4. Volkov V. G. Night vision devices for armored vehicles. – Special equipment 2004, № 5, p. 2–13, № 6, p. 2–10.
5. Lloyd J. Thermal imaging systems. -– M.: Mir, 1987.
6. Gossorg J. Infrared thermography. Fundamentals, technique and application. –M.: Mir, 1988.
7. Tarasov V.V., Yakushenkov Y. G. Two- and multi-band optical-electronic systems with the matrix of radiation detectors. – M.: University book, Logos, 2007.
8. Ponomarenko V.P., Filachev A. M. Infrared technology and electron optics. Formation of scientific fields (1946–2006). – M: Fizmatkniga 2006.
9. Bazhanov Y.V., Berdennikov A. V., Duchitsky A. S., Lukin A. V., Cherkashina R. M. Lenses for use with the matrix of radiation detectors in the spectral range of 8–14 µm. – Optical journal, 2003, v. 70, № 4, p. 35–36.
10. Gan M.A. 50 years of kinoform optics. Results and Prospects. – Optical journal, v. 73, № 7, p. 9–16.
11. Potelov V.V., Senik B. N. Gradient coatings for hyperspectral optical crystals. – Abstracts of the XIII conference "High-purity substances and materials. Receiving, analyzing, application", Nizhny Novgorod, 2007, p. 217–221.
12. Senik B. N. Method for determining the functional masks aspherization vacuum. – Applied Physics, 2007, № 3, p. 129–134.
13. Gainutdinov I.S., Nesmelov E. A., Khaibullin I. B. Interference coatings for optical instrumentation. – Kazan: Publishing house "FEN", 2002.
14. Volkov V. G. Quantum cascade lasers and their application in security and communication systems. Management, security and communications, 2016, № 1, p.10–41 [http://sccs.intelgr.com/article/2016–01/02-volkov.pdf].
15. Volkov V.G., Gindin P. D. Technical vision. Innovation. – M.: Technosphere 2014.
16. Thermal imager 2000 ME/Company IRTIS [www.irtis.ru/prod5.html].
17. Thermal imagers, devices for thermal survey [www.oir-poisk.ru].
18. Thermal imager IRTIS2000. Thermal imaging diagnostics. Equipment. [GeoEngine www.geo-engine.ru].
19. Portable computer thermograph IRTIS. [www.m.irtis.ru].
Отзывы читателей
