eng
Выпуск #7/2019
А. В. Правдивцев
Исследование влияния элементов конструкции ИК объектива на величину теплового фонового потока, падающего на матрицу фотоприемников
Исследование влияния элементов конструкции ИК объектива на величину теплового фонового потока, падающего на матрицу фотоприемников
Просмотры: 2766
DOI: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.694.699
Чувствительность тепловизионных и теплопеленгационных станций, используемых для сбора спектрально-топологической информации, ограничена паразитными фоновыми засветками, попадающими на матрицу приемников излучения. В статье рассматривается влияние конструкции оправ оптических элементов в ИК‑объективе, предназначенном для работы в диапазоне 8–12 мкм, на величину внутреннего и внешнего паразитного фонового излучения. Оптимизация конструкции оправ позволяет минимизировать паразитные засветки и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики оптико-электронной системы, в состав которой входит ИК‑объектив. В работе определены элементы конструкции, вносящие наибольший вклад в суммарный фоновый поток и оптимизирована их структура с помощью созданной цифровой модели. Рассмотрено влияние процесса охлаждения элементов конструкции на величину собственного фонового потока.
Чувствительность тепловизионных и теплопеленгационных станций, используемых для сбора спектрально-топологической информации, ограничена паразитными фоновыми засветками, попадающими на матрицу приемников излучения. В статье рассматривается влияние конструкции оправ оптических элементов в ИК‑объективе, предназначенном для работы в диапазоне 8–12 мкм, на величину внутреннего и внешнего паразитного фонового излучения. Оптимизация конструкции оправ позволяет минимизировать паразитные засветки и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики оптико-электронной системы, в состав которой входит ИК‑объектив. В работе определены элементы конструкции, вносящие наибольший вклад в суммарный фоновый поток и оптимизирована их структура с помощью созданной цифровой модели. Рассмотрено влияние процесса охлаждения элементов конструкции на величину собственного фонового потока.
Теги: background radiation cooling of photodetectors ir lens optoelectronic systems photodetector sensitivity of the receiver thermal imaging channel ик‑объектив оптико-электронные системы охлаждение фотоприемников тепловизионный канал фоновое излучение фотоприемное устройство чувствительность приемника
Введение
Суммарный фоновый поток, падающий на матричный приемник приемной части оптико-электронной системы, снижает его чувствительность и зашумляет полезный сигнал, поэтому при создании системы конструктор стремится минимизировать влияние паразитной засветки. Излучение фонового потока складывается из внешнего рассеянного фона и собственного излучения оптической системы. Если оптико-электронная система ИК‑диапазона функционирует в режиме ограничения чувствительности из-за наличия фонового излучения, то повысить ее эффективность можно за счет снижения фонового паразитного потока, приходящего на приемник излучения. Суммарный фоновый поток включает в себя внешний поток, приходящий от внешних объектов (Φout) и рассеянный на элементах конструкции, и внутренний (ΦOS), источником которого является оптическая система [1, 2]:
Φ = Φout + ΦOS.
На уровень фонового потока на приемнике излучения помимо прочего влияет конструкция оптической системы [3].
В данной работе рассмотрена возможность уменьшения суммарного паразитного потока путем оптимизации формы оправ в конструкции объектива, работающего в диапазоне 8–12 мкм. Для этого мы исследовали влияние конструкции оправ на общий уровень внутреннего и внешнего фонового излучения, а также определили конфигурацию оправ и их параметры, соответствующие минимальному уровню фонового излучения, попадающему на приемник. В работе не рассматривается фоновый поток от подстилающей поверхности, прошедший напрямую через оптическую систему, так как он определяется оптической схемой объектива и не зависит от формы оправ.
В исследовании использовали трехлинзовый светосильный объектив (относительное отверстие 1 : 0,95; фокусное расстояние f’ = 80 мм, угловое поле в пространстве предметов 2w = 8,4°, рабочий спектральный диапазон 8,5–12 мкм). Размер чувствительной площадки микроболометрической матрицы 9,6 × 7,2 мм. Рассмотренная оптическая система является достаточно типичной для длинофокусных объективов, работающих в спектральном диапазоне 8–14 мкм, поэтому результаты исследований возможности повышения его характеристик актуальны не только для конкретной оптико-электронной системы.
Для вычисления паразитного потока от внешних и внутренних источников в расчетной программе создается трехмерная модель оптической системы. В модель вводится положение и характеристики оптических элементов (включая просветляющие покрытия), а также положение и свойства элементов конструкции. Задаются внутренние источники излучения, которыми являются оптические элементы и оправы. Поток, излучаемый каждым источником, функционально связан с его геометрическими размерами и коэффициентом теплового излучения в рассматриваемом спектральном диапазоне. Расчеты выполнялись в программе Zemax OpticStudio, которая была дополнена разработанными автором пользовательскими библиотеками.
Излучение каждого источника представляется набором лучей, начало которых лежит на поверхности излучающего объекта. Лучи в модели трассируются с учетом геометрии и оптических характеристик элементов (например, при попадании луча на просветленную поверхность линзы он делится на отраженный и преломленный с учетом спектрального коэффициента отражения). Поток на фоточувствительном элементе определяется как сумма излучения от всех лучей, попавших на фотоприемное устройство. Относительная систематическая ошибка расчета распределения потока в рассмотренных примерах не превышала 0,86%, что является достаточно точным для рассмотренного применения [1].
Метод проверялся на примерах, распределение потока в которых можно рассчитать теоретически.
Численный эксперимент
На рис. 1 приведена упрощенная схема конструкции рассматриваемого объектива. Цифрами обозначены примеры вариантов конструкции оправ, буквами − области, в которых производилось изменение конструкции.
При расчете фонового потока рассматривались конструкции оправ без изломов, с изломами, были рассмотрены смешанные комбинации. Также рассматривалась «типовая» конфигурация, форма оправ для которой является типичной для подобного объектива (конструирование производилось с учетом прочности и жесткости конструкции, технологий производства, а также способа установки объектива в составе оптико-электронного комплекса). На рис. 1 данный вариант обозначен цифрой 2.
На оправы было нанесено поглощающее покрытие с коэффициентом отражения, равным 1%. При расчете фонового потока учитывались характеристики просветляющих покрытий, нанесенных на оптические элементы [4], и значения коэффициента поглощения в материале линз. Каждой конфигурации был сопоставлен набор оптических характеристик оправ. Размер расчетного массива, таким образом, включал в себя 160 расчетных конфигураций, над каждым расчетным массивом осуществлялось 30 розыгрышей. При расчете принимались начальные условия, согласно которым температура оптической системы составляет 20 °C.
По результатам численного эксперимента были вычислены суммарные величины внутреннего потока от линз и конструкции оправ, оценка которых определялась значением математического ожидания M[ΦOS]. Согласно алгоритму вычислений каждый из трех блоков расчетных конфигураций упорядочивался по возрастанию значения M[ΦOS]. Таким образом, результаты выстраивались в ряд Mi[ΦOS], где i – номер значения в ряду. Оптимальной, с точки зрения минимизации внутреннего фонового потока, являются конфигурация оправ с меньшим порядковым номером i в ряду, так как именно она создавала в оптико-электронной системе паразитный поток меньшего значения.
Анализ результатов
Результаты были проанализированы, определены зависимости собственного фонового потока в виде функции координат. Анализ показал, что доля величины внутреннего фонового потока от линз незначительна и мало меняется при варьировании вида конструкции, а основной вклад вносят оправы. Для анализа была использована нормированная величина потока Φ’OS (Φ’OS – нормированный на максимальную величину (max(M[Φ’OS]) = 5,3 × 10–3 Вт) фоновый поток от объектива). На рис. 2 приведены график изменения M[Φ’OS] для каждой из расчетных конфигураций. По оси абсцисс отложены номера конфигураций. Анализ рис. 2 показывает, что величина внутреннего фонового потока, приходящего на приемник, действительно зависит и от формы оправ. Фоновый поток для случая объектива с «типовой» оправой в 1,42 раза больше значения для наилучшего среди рассмотренных вариантов.
Изменяемые части оправ по росту их вклада в общий фоновый поток располагаются следующим образом: C, B, A (см. рис. 1). То есть чем ближе оправа расположена к чувствительной плоскости фотоприемного устройства, тем больший вклад она вносит. Но если расположить оправы по величине изменения фонового потока, вносимого ими, то среди рассмотренных вариантов порядок будет другим: A, B и C. Причем обнаружено, что изменение формы оправы A влияет на вклад теплового потока гораздо сильнее прочих в рассмотренной схеме конструкции оптико-электронной системы.
При анализе рис. 2 можно выделить три области с существенно отличающимся уровнем фонового потока. Первая область соответствует минимальному потоку: проявляется в случае, когда в конструкции оправы отклонения радиусов оправ от световых высот минимальны (набор значений получен варьированием формы второй оправы).
Конструкция с «типовой» оправой лежит по уровню потока в области 3 (на графике значение выделено белой точкой), что доказывает неоптимальность ее формы по сравнению с другими вариантами. На рис. 1 приведены три варианта оправы, соответствующие конструкциям с минимальным значением потока в трех диапазонах, указанных на рис. 2 для третьего диапазона приведена конструкция «типичного» объектива.
Для данных вариантов был рассмотрен паразитный поток от внешнего протяженного источника. На рис. 3 приведено нормированное изменение внешнего потока в зависимости от формы оправ. Для сравнения величины внешнего потока отсортированы в соответствии с увеличением собственного фонового потока ОС, аналогично рис. 2 (конфигурации с минимумом собственного потока имеют меньший номер). Из сравнения рисунков 2 и 3 видно, что среди рассмотренных конфигураций варианты с минимальным внутренним фоновым потоком также обеспечивает минимальный уровень фона от рассмотренного внешнего источника. Были рассмотрены геометрические параметры оправ с точки зрения минимизации потока от внешнего протяженного источника и определены их формы, отрицательно сказывающиеся на функционале оптико-электронной системы. Это происходило за счет увеличения потока от внешнего источника (иногда они приводили к росту засветки от внешнего фонового излучения более чем в 4,3 раза).
Для оценки выигрыша от применения решений было проведено сравнение внутреннего фонового потока с внешним фоновым потоком, рассчитанным на основе данных [5–7]. За характеристический коэффициент мы приняли отношение фонового потока от внешнего источника к фоновому потоку от неба – ΦOS / ΦB0. Оказалось, что для подобранной конструкции с оптимальной конфигурацией параметров оправ этот коэффициент был равен 19,0. А вот для типичной конструкции величина оказалась гораздо выше и составила 27,1.
Это подтвердило наши предположения о том, что типовая конструкция оправ объектива вносит дополнительный паразитный тепловой поток, попадающий на приемную площадку измерительной ИК‑матрицы и тем самым снижает эффективность всего оптико-электронного комплекса. Если в качестве фонового внешнего источника взять не излучение неба, а излучение для подстилающей поверхности Земли при температуре 20 °C, то эти коэффициенты составляют соответственно 0,98 и 1,4. Из этих данных следует, что потенциальная чувствительность ИК‑системы (для случая приемника, функционирующего в режиме ограничения чувствительности фоном) также возрастает при оптимизации конструкции оправ оптического тракта за счет минимизации ее собственного внутреннего фонового излучения.
Стабилизация температуры оправы
Анализ полученных данных показал, что самый большой вклад в суммарный внутренний фоновый поток дает оправа C. Поэтому, если рассматривать охлаждение как способ уменьшение собственного фонового излучения, именно ее следует охлаждать в первую очередь. Охлаждение оправы С на 10 градусов позволит снизить тепловой фоновый поток, идущий от нее, на 8%, а при снижении температуры на 40 градусов выигрыш составит почти 20%.
Величина собственного фонового потока данной оптической системы после оптимизации конструкции оправ и охлаждения зоны С составит 64% по сравнению с неоптимизированным вариантом.
Следует отметить, что наличие градиента температуры может повлиять на оптические свойства объектива, так что охлаждение всей системы может оказаться более выгодным с точки зрения конструирования итоговой конструкции.
Выводы
По результатам проведенной работы были сформулированы выводы для конструирования ИК‑объектива в диапазоне длин волн 8–14 мкм, действительные для эксплуатации оптико-электронного комплекса:
Конструкция оправ элементов оптической системы влияет на общий уровень суммарного фонового излучения, попадающего на измерительную матрицу. Потенциальная чувствительность ИК‑системы (при функционировании в режиме ограничения чувствительности фоном) существенно возрастает при оптимизации конструкции оправ оптической системы за счет минимизации его суммарного фонового излучения.
Использование оптимальной конструкции оправ по отношению к типичной конструкции объектива поможет уменьшить собственный фоновый поток объектива в 1,42 раза.
Неоптимальная конструкция оправ, наоборот, может увеличить внешний поток в 4,3 раза.
Использованная методика позволяет определить вклад каждой из частей конструкции в общий поток, а значит на ее основе нужно формулировать технические требования к параметрам систем охлаждения отдельных элементов. Это будет способствовать дополнительному снижению суммарного фонового потока.
Минимальный поток при использовании данного ИК‑объектива соответствует конструкции, в которой оправы расположены наиболее близко к диаметру светового пучка. Однако данный результат вступает в противоречие с рекомендацией по уменьшению внешнего фонового излучения, опубликованной в работе [8], которая с этой целью предлагает, наоборот, увеличивать внутренние диаметры по сравнению с диаметрами световых пучков.
Рекомендуется использовать данный подход при конструировании оптических систем для диапазона 8–14 мкм.
В дальнейшем планируется расширить исследования по данному направлению на объединение результатов, полученных в [3] (совместное варьирование у оправ и формы, и оптических свойств), а также провести дополнительную оптимизацию формы оправ. Планируется расширить количество исследованных оптических систем для последующего формирования обобщенных рекомендаций к конструированию.
Благодарность
Автор благодарит Андрея Викторовича Макаренко за полезные обсуждения в процессе подготовки и написания работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Макаренко А. В., Правдивцев А. В., Юдин А. Н. Метод оценивания внутреннего паразитного излучения оптических трактов инфракрасных систем. Электромагнитные волны и электронные системы. 2009; 12: 28–37.
Pravdivtsev A. V., Akram M. N. Simulation and assessment of stray light effects in infrared cameras using non-sequential ray tracing. Infrared Physics & Technology. 2013; 60(September): 306–311.
Правдивцев А. В. Анализ влияния конструкции оправ на величину теплового излучения оптических систем. Сборник докладов Международной конференции «Прикладная Оптика‑2012», Санкт-Петербург. 2012; 1: 230–234.
Гайнутдинов И. С., Шувалов Н. Ю., Сабиров Р. С., Иванов В. А., Гареев Р. Р., Мирханов Н. Г. Просветляющие покрытия на подложках из германия и кремния в окнах прозрачности ИК области спектра 3–5 и 8–12 мкм. Оптический журнал. 2009; 76(5); 68–72.
Кузнечик О. П., Захарич М. П. Статистические характеристики яркости неба в области 0,5–12 мкм. Архив ВИНИТИ, № . 1980; 2495: 47.
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook. Volume 1. Sources of Radiation / Ed. by G. J. Zissis; The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers – Bellingham, 1993.
Mahulikar S. P., Potnuru S. K., Rao G. A. Study of sunshine, skyshine, and earthshine for aircraft infrared detection. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2009; 11: 045703.
Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Андреев А. Л., Польщиков Г. В. Источники и приемники излучения. – С-Пб.: Политехника. 1991.
REFERENCE
Makarenko A. V., Pravdivcev A. V., Yudin A. N. Metod ocenivaniya vnutrennego parazitnogo izlucheniya opticheskih traktov infrakrasnyh sistem. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy. 2009; 12: 28–37.
Pravdivtsev A. V., Akram M. N. Simulation and assessment of stray light effects in infrared cameras using non-sequential ray tracing. Infrared Physics & Technology. 2013; 60(September): 306–311.
Pravdivtsev A. V. Analiz vliyaniya konstrukcii oprav na velichinu teplovogo izlucheniya opticheskih sistem. Sbornik dokladov Mezhdunarodnoj konferencii «Prikladnaya Optika‑2012», Sankt-Peterburg. 2012; 1: 230–234.
Gajnutdinov I. S., Shuvalov N. YU., Sabirov R. S., Ivanov V. A., Gareev R. R.,
Mirhanov N. G. Prosvetlyayushchie pokrytiya na podlozhkah iz germaniya i kremniya v oknah prozrachnosti IK oblasti spektra 3–5 i 8–12 mkm. Opticheskij zhurnal. 2009; 76(5); 68–72.
Kuznechik O. P., Zaharich M. P. Statisticheskie harakteristiki yarkosti neba v oblasti 0,5–12 mkm. Arhiv VINITI, № . 1980; 2495: 47.
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook. Volume 1. Sources of Radiation / Ed. by G. J. Zissis; The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers – Bellingham, 1993.
Mahulikar S. P., Potnuru S. K., Rao G. A. Study of sunshine, skyshine, and earthshine for aircraft infrared detection. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2009; 11: 045703.
Ishanin G. G., Pankov E. D., Andreev A. L., Pol’shchikov G. V. Istochniki i priemniki izlucheniya. – S-Pb.: Politekhnika. 1991.
Суммарный фоновый поток, падающий на матричный приемник приемной части оптико-электронной системы, снижает его чувствительность и зашумляет полезный сигнал, поэтому при создании системы конструктор стремится минимизировать влияние паразитной засветки. Излучение фонового потока складывается из внешнего рассеянного фона и собственного излучения оптической системы. Если оптико-электронная система ИК‑диапазона функционирует в режиме ограничения чувствительности из-за наличия фонового излучения, то повысить ее эффективность можно за счет снижения фонового паразитного потока, приходящего на приемник излучения. Суммарный фоновый поток включает в себя внешний поток, приходящий от внешних объектов (Φout) и рассеянный на элементах конструкции, и внутренний (ΦOS), источником которого является оптическая система [1, 2]:
Φ = Φout + ΦOS.
На уровень фонового потока на приемнике излучения помимо прочего влияет конструкция оптической системы [3].
В данной работе рассмотрена возможность уменьшения суммарного паразитного потока путем оптимизации формы оправ в конструкции объектива, работающего в диапазоне 8–12 мкм. Для этого мы исследовали влияние конструкции оправ на общий уровень внутреннего и внешнего фонового излучения, а также определили конфигурацию оправ и их параметры, соответствующие минимальному уровню фонового излучения, попадающему на приемник. В работе не рассматривается фоновый поток от подстилающей поверхности, прошедший напрямую через оптическую систему, так как он определяется оптической схемой объектива и не зависит от формы оправ.
В исследовании использовали трехлинзовый светосильный объектив (относительное отверстие 1 : 0,95; фокусное расстояние f’ = 80 мм, угловое поле в пространстве предметов 2w = 8,4°, рабочий спектральный диапазон 8,5–12 мкм). Размер чувствительной площадки микроболометрической матрицы 9,6 × 7,2 мм. Рассмотренная оптическая система является достаточно типичной для длинофокусных объективов, работающих в спектральном диапазоне 8–14 мкм, поэтому результаты исследований возможности повышения его характеристик актуальны не только для конкретной оптико-электронной системы.
Для вычисления паразитного потока от внешних и внутренних источников в расчетной программе создается трехмерная модель оптической системы. В модель вводится положение и характеристики оптических элементов (включая просветляющие покрытия), а также положение и свойства элементов конструкции. Задаются внутренние источники излучения, которыми являются оптические элементы и оправы. Поток, излучаемый каждым источником, функционально связан с его геометрическими размерами и коэффициентом теплового излучения в рассматриваемом спектральном диапазоне. Расчеты выполнялись в программе Zemax OpticStudio, которая была дополнена разработанными автором пользовательскими библиотеками.
Излучение каждого источника представляется набором лучей, начало которых лежит на поверхности излучающего объекта. Лучи в модели трассируются с учетом геометрии и оптических характеристик элементов (например, при попадании луча на просветленную поверхность линзы он делится на отраженный и преломленный с учетом спектрального коэффициента отражения). Поток на фоточувствительном элементе определяется как сумма излучения от всех лучей, попавших на фотоприемное устройство. Относительная систематическая ошибка расчета распределения потока в рассмотренных примерах не превышала 0,86%, что является достаточно точным для рассмотренного применения [1].
Метод проверялся на примерах, распределение потока в которых можно рассчитать теоретически.
Численный эксперимент
На рис. 1 приведена упрощенная схема конструкции рассматриваемого объектива. Цифрами обозначены примеры вариантов конструкции оправ, буквами − области, в которых производилось изменение конструкции.
При расчете фонового потока рассматривались конструкции оправ без изломов, с изломами, были рассмотрены смешанные комбинации. Также рассматривалась «типовая» конфигурация, форма оправ для которой является типичной для подобного объектива (конструирование производилось с учетом прочности и жесткости конструкции, технологий производства, а также способа установки объектива в составе оптико-электронного комплекса). На рис. 1 данный вариант обозначен цифрой 2.
На оправы было нанесено поглощающее покрытие с коэффициентом отражения, равным 1%. При расчете фонового потока учитывались характеристики просветляющих покрытий, нанесенных на оптические элементы [4], и значения коэффициента поглощения в материале линз. Каждой конфигурации был сопоставлен набор оптических характеристик оправ. Размер расчетного массива, таким образом, включал в себя 160 расчетных конфигураций, над каждым расчетным массивом осуществлялось 30 розыгрышей. При расчете принимались начальные условия, согласно которым температура оптической системы составляет 20 °C.
По результатам численного эксперимента были вычислены суммарные величины внутреннего потока от линз и конструкции оправ, оценка которых определялась значением математического ожидания M[ΦOS]. Согласно алгоритму вычислений каждый из трех блоков расчетных конфигураций упорядочивался по возрастанию значения M[ΦOS]. Таким образом, результаты выстраивались в ряд Mi[ΦOS], где i – номер значения в ряду. Оптимальной, с точки зрения минимизации внутреннего фонового потока, являются конфигурация оправ с меньшим порядковым номером i в ряду, так как именно она создавала в оптико-электронной системе паразитный поток меньшего значения.
Анализ результатов
Результаты были проанализированы, определены зависимости собственного фонового потока в виде функции координат. Анализ показал, что доля величины внутреннего фонового потока от линз незначительна и мало меняется при варьировании вида конструкции, а основной вклад вносят оправы. Для анализа была использована нормированная величина потока Φ’OS (Φ’OS – нормированный на максимальную величину (max(M[Φ’OS]) = 5,3 × 10–3 Вт) фоновый поток от объектива). На рис. 2 приведены график изменения M[Φ’OS] для каждой из расчетных конфигураций. По оси абсцисс отложены номера конфигураций. Анализ рис. 2 показывает, что величина внутреннего фонового потока, приходящего на приемник, действительно зависит и от формы оправ. Фоновый поток для случая объектива с «типовой» оправой в 1,42 раза больше значения для наилучшего среди рассмотренных вариантов.
Изменяемые части оправ по росту их вклада в общий фоновый поток располагаются следующим образом: C, B, A (см. рис. 1). То есть чем ближе оправа расположена к чувствительной плоскости фотоприемного устройства, тем больший вклад она вносит. Но если расположить оправы по величине изменения фонового потока, вносимого ими, то среди рассмотренных вариантов порядок будет другим: A, B и C. Причем обнаружено, что изменение формы оправы A влияет на вклад теплового потока гораздо сильнее прочих в рассмотренной схеме конструкции оптико-электронной системы.
При анализе рис. 2 можно выделить три области с существенно отличающимся уровнем фонового потока. Первая область соответствует минимальному потоку: проявляется в случае, когда в конструкции оправы отклонения радиусов оправ от световых высот минимальны (набор значений получен варьированием формы второй оправы).
Конструкция с «типовой» оправой лежит по уровню потока в области 3 (на графике значение выделено белой точкой), что доказывает неоптимальность ее формы по сравнению с другими вариантами. На рис. 1 приведены три варианта оправы, соответствующие конструкциям с минимальным значением потока в трех диапазонах, указанных на рис. 2 для третьего диапазона приведена конструкция «типичного» объектива.
Для данных вариантов был рассмотрен паразитный поток от внешнего протяженного источника. На рис. 3 приведено нормированное изменение внешнего потока в зависимости от формы оправ. Для сравнения величины внешнего потока отсортированы в соответствии с увеличением собственного фонового потока ОС, аналогично рис. 2 (конфигурации с минимумом собственного потока имеют меньший номер). Из сравнения рисунков 2 и 3 видно, что среди рассмотренных конфигураций варианты с минимальным внутренним фоновым потоком также обеспечивает минимальный уровень фона от рассмотренного внешнего источника. Были рассмотрены геометрические параметры оправ с точки зрения минимизации потока от внешнего протяженного источника и определены их формы, отрицательно сказывающиеся на функционале оптико-электронной системы. Это происходило за счет увеличения потока от внешнего источника (иногда они приводили к росту засветки от внешнего фонового излучения более чем в 4,3 раза).
Для оценки выигрыша от применения решений было проведено сравнение внутреннего фонового потока с внешним фоновым потоком, рассчитанным на основе данных [5–7]. За характеристический коэффициент мы приняли отношение фонового потока от внешнего источника к фоновому потоку от неба – ΦOS / ΦB0. Оказалось, что для подобранной конструкции с оптимальной конфигурацией параметров оправ этот коэффициент был равен 19,0. А вот для типичной конструкции величина оказалась гораздо выше и составила 27,1.
Это подтвердило наши предположения о том, что типовая конструкция оправ объектива вносит дополнительный паразитный тепловой поток, попадающий на приемную площадку измерительной ИК‑матрицы и тем самым снижает эффективность всего оптико-электронного комплекса. Если в качестве фонового внешнего источника взять не излучение неба, а излучение для подстилающей поверхности Земли при температуре 20 °C, то эти коэффициенты составляют соответственно 0,98 и 1,4. Из этих данных следует, что потенциальная чувствительность ИК‑системы (для случая приемника, функционирующего в режиме ограничения чувствительности фоном) также возрастает при оптимизации конструкции оправ оптического тракта за счет минимизации ее собственного внутреннего фонового излучения.
Стабилизация температуры оправы
Анализ полученных данных показал, что самый большой вклад в суммарный внутренний фоновый поток дает оправа C. Поэтому, если рассматривать охлаждение как способ уменьшение собственного фонового излучения, именно ее следует охлаждать в первую очередь. Охлаждение оправы С на 10 градусов позволит снизить тепловой фоновый поток, идущий от нее, на 8%, а при снижении температуры на 40 градусов выигрыш составит почти 20%.
Величина собственного фонового потока данной оптической системы после оптимизации конструкции оправ и охлаждения зоны С составит 64% по сравнению с неоптимизированным вариантом.
Следует отметить, что наличие градиента температуры может повлиять на оптические свойства объектива, так что охлаждение всей системы может оказаться более выгодным с точки зрения конструирования итоговой конструкции.
Выводы
По результатам проведенной работы были сформулированы выводы для конструирования ИК‑объектива в диапазоне длин волн 8–14 мкм, действительные для эксплуатации оптико-электронного комплекса:
Конструкция оправ элементов оптической системы влияет на общий уровень суммарного фонового излучения, попадающего на измерительную матрицу. Потенциальная чувствительность ИК‑системы (при функционировании в режиме ограничения чувствительности фоном) существенно возрастает при оптимизации конструкции оправ оптической системы за счет минимизации его суммарного фонового излучения.
Использование оптимальной конструкции оправ по отношению к типичной конструкции объектива поможет уменьшить собственный фоновый поток объектива в 1,42 раза.
Неоптимальная конструкция оправ, наоборот, может увеличить внешний поток в 4,3 раза.
Использованная методика позволяет определить вклад каждой из частей конструкции в общий поток, а значит на ее основе нужно формулировать технические требования к параметрам систем охлаждения отдельных элементов. Это будет способствовать дополнительному снижению суммарного фонового потока.
Минимальный поток при использовании данного ИК‑объектива соответствует конструкции, в которой оправы расположены наиболее близко к диаметру светового пучка. Однако данный результат вступает в противоречие с рекомендацией по уменьшению внешнего фонового излучения, опубликованной в работе [8], которая с этой целью предлагает, наоборот, увеличивать внутренние диаметры по сравнению с диаметрами световых пучков.
Рекомендуется использовать данный подход при конструировании оптических систем для диапазона 8–14 мкм.
В дальнейшем планируется расширить исследования по данному направлению на объединение результатов, полученных в [3] (совместное варьирование у оправ и формы, и оптических свойств), а также провести дополнительную оптимизацию формы оправ. Планируется расширить количество исследованных оптических систем для последующего формирования обобщенных рекомендаций к конструированию.
Благодарность
Автор благодарит Андрея Викторовича Макаренко за полезные обсуждения в процессе подготовки и написания работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Макаренко А. В., Правдивцев А. В., Юдин А. Н. Метод оценивания внутреннего паразитного излучения оптических трактов инфракрасных систем. Электромагнитные волны и электронные системы. 2009; 12: 28–37.
Pravdivtsev A. V., Akram M. N. Simulation and assessment of stray light effects in infrared cameras using non-sequential ray tracing. Infrared Physics & Technology. 2013; 60(September): 306–311.
Правдивцев А. В. Анализ влияния конструкции оправ на величину теплового излучения оптических систем. Сборник докладов Международной конференции «Прикладная Оптика‑2012», Санкт-Петербург. 2012; 1: 230–234.
Гайнутдинов И. С., Шувалов Н. Ю., Сабиров Р. С., Иванов В. А., Гареев Р. Р., Мирханов Н. Г. Просветляющие покрытия на подложках из германия и кремния в окнах прозрачности ИК области спектра 3–5 и 8–12 мкм. Оптический журнал. 2009; 76(5); 68–72.
Кузнечик О. П., Захарич М. П. Статистические характеристики яркости неба в области 0,5–12 мкм. Архив ВИНИТИ, № . 1980; 2495: 47.
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook. Volume 1. Sources of Radiation / Ed. by G. J. Zissis; The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers – Bellingham, 1993.
Mahulikar S. P., Potnuru S. K., Rao G. A. Study of sunshine, skyshine, and earthshine for aircraft infrared detection. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2009; 11: 045703.
Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Андреев А. Л., Польщиков Г. В. Источники и приемники излучения. – С-Пб.: Политехника. 1991.
REFERENCE
Makarenko A. V., Pravdivcev A. V., Yudin A. N. Metod ocenivaniya vnutrennego parazitnogo izlucheniya opticheskih traktov infrakrasnyh sistem. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy. 2009; 12: 28–37.
Pravdivtsev A. V., Akram M. N. Simulation and assessment of stray light effects in infrared cameras using non-sequential ray tracing. Infrared Physics & Technology. 2013; 60(September): 306–311.
Pravdivtsev A. V. Analiz vliyaniya konstrukcii oprav na velichinu teplovogo izlucheniya opticheskih sistem. Sbornik dokladov Mezhdunarodnoj konferencii «Prikladnaya Optika‑2012», Sankt-Peterburg. 2012; 1: 230–234.
Gajnutdinov I. S., Shuvalov N. YU., Sabirov R. S., Ivanov V. A., Gareev R. R.,
Mirhanov N. G. Prosvetlyayushchie pokrytiya na podlozhkah iz germaniya i kremniya v oknah prozrachnosti IK oblasti spektra 3–5 i 8–12 mkm. Opticheskij zhurnal. 2009; 76(5); 68–72.
Kuznechik O. P., Zaharich M. P. Statisticheskie harakteristiki yarkosti neba v oblasti 0,5–12 mkm. Arhiv VINITI, № . 1980; 2495: 47.
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook. Volume 1. Sources of Radiation / Ed. by G. J. Zissis; The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers – Bellingham, 1993.
Mahulikar S. P., Potnuru S. K., Rao G. A. Study of sunshine, skyshine, and earthshine for aircraft infrared detection. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2009; 11: 045703.
Ishanin G. G., Pankov E. D., Andreev A. L., Pol’shchikov G. V. Istochniki i priemniki izlucheniya. – S-Pb.: Politekhnika. 1991.
Отзывы читателей
