eng
Выпуск #2/2021
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Термостабилизированные тепловизионные объективы
Термостабилизированные тепловизионные объективы
Просмотры: 2779
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.2.154.159
Термостабилизированные тепловизионные объективы
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция термостабилизированных объективов, работающих в ИК-области спектра 8–12 мкм. Применение в конструкции дифракционных и асферических элементов при определенной комбинации марок стекол обеспечивает стабилизацию плоскости изображения и высокое разрешение. Дано описание 2- и 3‑линзового объектива с фиксированным фокусным расстоянием 35 мм и 4‑линзового объектива с переменным фокусным расстоянием 30–75 мм.
Ключевые слова: тепловизионные объективы, киноформные и асферические элементы, ахроматизация, термостабилизация
Статья получена: 15.02.2020
Статья принята к публикации: 29.03.2020
Введение
Современные приборы работают в широком диапазоне температур от –50 °C до 50 °C. Колебания температурных условий эксплуатации объективов приводит к изменению длины оправ, воздушных промежутков и оптических сил линз. А это, в свою очередь, ведет к смещению плоскости изображения. Поэтому задача одновременного выполнения условий термостабилизации и высокого разрешения актуальна для объективов тепловизоров.
Температурная стабилизация
Существует два метода термостабилизации объективов. Первый – пассивная стабилизация, когда в конструкции объектива применяется комбинация оптических материалов, обладающих различными коэффициентами температурного расширения. Благодаря методу пассивной стабилизации при изменении температуры расфокусировка изображения не превышает нескольких микрометров. Второй метод подразумевает подвижку определенной группы линз для стабилизации плоскости изображения. Этот метод требует применения более сложной конструкции из-за необходимости термостабилизации большего числа линз и создания механизма фокусировки.
Разрешение
Эффективным методом повышения разрешения в объективе является его ахроматизация. Ахроматизация заключается в подборе комбинации стекол, имеющих различные коэффициенты дисперсии. С помощью ахроматизации можно существенно уменьшить хроматические аберрации и обеспечить требуемое качество изображения. Несмотря на то, что перечень оптических материалов, прозрачных в области спектра 8–12 мкм, весьма ограничен, а самым распространенным материалом является германий, можно подобрать марку материала с более низким показателем преломления. Такое стекло в паре с германием позволит ахроматизировать объектив. Если на одну из линз объектива нанести дифракционную микроструктуру (киноформ), а другой линзе придать асферический профиль, можно добиться термостабилизации плоскости изображения. В работе [1] было предложено использовать для одновременного выполнения требований коррекции хроматических и монохроматических аберраций дифракционные оптические элементы, нанесенные на одну из поверхностей линзы объектива для двойного ИК-диапазона. При этом авторы опирались на работы [2, 3], результаты которых доказывали, что уникальные аберрационные свойства дифракционных оптических структур дают наибольший эффект в ИК-диапазоне. А с учетом строгих требований к коэффициенту пропускания тепловизионных объективов наиболее оптимальную систему представляет собой конструкция из 2–4‑х линз [4, 5].
Конструкция объективов с пассивной стабилизацией
Основные параметры 2- и 3‑линзового объектива с пассивной стабилизацией плоскости изображения, полученные после габаритного и абберационного расчета, приведены в табл. 1. Схемы этих объективов и графики оптической передаточной функции для рабочего диапазона температур представлены на рис. 1.
Объектив с переменным фокусным расстоянием
На рис. 2 представлены вид и графики оптической передаточной функции ахроматизированного объектива с переменным фокусным расстоянием 30–75 мм, относительным отверстием F / 1. Термокомпенсация в объективе совмещена с функцией зум, которая осуществляется благодаря подвижке 2‑й и 3‑й линз. Диапазон изменения фокусных расстояний в объективе составляет 2,5x и обусловлен следующими ограничениями:
Основные параметры расчитанной конструкции тепловизионного объектива приведены в табл. 2. Все линзы в объективе сферические. В первом варианте исполнения вторая линза выполнена из германия с дифракционным профилем, во втором варианте конструкции вторая линза сделана из оптического кристалла.
Заключение
Анализ оптической передаточной функции показал, что применение киноформных, асферических элементов и комбинация оптических материалов позволяет создать тепловизионные объективы, работающие в ИК-диапазоне, с высоким разрешением и термостабилизацией плоскости изображения.
REFERENCES
Greysukh G. I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Antonov A. I., Usievich B. A. Diffractive Elements in Optical Systems of Middle and Double IR Range. Photonics Russia. 2020; 14(2):184–191. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.184.191.
Грейсух Г. И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Антонов А. И., Усиевич Б. А. Дифракционные элементы в оптических системах среднего и двойного ИК-диапазона. Фотоника. 2020; 14(2):184–191. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.184.191.
Wang Hu, Bai Yu, Luo Jianjun. Hybrid refractive / diffractive optical system design for light and compact uncooled longwave infrared imager. Proc. of SPIE.2012; 8416:84162N‑1. DOI: 10.1117/12.975749-7296.
Patent RU 2621366. Kompaktnyj obektiv srednego IK-diapazona / Bezdid’ko S.N., Tarasishin A. V. [in Russ].
Патент РФ 2621366. Компактный объектив среднего ИК-диапазона / Бездидько С. Н., Тарасишин А. В.
SHishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized IR-Lenses. Priborostroenie‑2019: Proc.XII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, 13–15 noyabrya 2019 goda, Minsk, Respublika Belarus’ / redkol.: O. K. Gusev. –Minsk: BNTU, 2019; 5–6.[in Russ]
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные ИК-объективы. Материалы 12‑й Международной научно-технической конференции, «Приборостроение‑2019», 13–15 ноября 2019. Минск, Республика Беларусь/редкол.: О. К. Гусев. – Минск: БНТУ, 2019; 5–6.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized Lenses of Thermal Imagers. Photonics Russia. 2020; 14(4): 360–367. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.360.367.
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные объективы тепловизоров. Фотоника. 2020; 14(4): 360–367. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.360.367.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО Минск, Республика Беларусь
Представлена конструкция термостабилизированных объективов, работающих в ИК-области спектра 8–12 мкм. Применение в конструкции дифракционных и асферических элементов при определенной комбинации марок стекол обеспечивает стабилизацию плоскости изображения и высокое разрешение. Дано описание 2- и 3‑линзового объектива с фиксированным фокусным расстоянием 35 мм и 4‑линзового объектива с переменным фокусным расстоянием 30–75 мм.
Ключевые слова: тепловизионные объективы, киноформные и асферические элементы, ахроматизация, термостабилизация
Статья получена: 15.02.2020
Статья принята к публикации: 29.03.2020
Введение
Современные приборы работают в широком диапазоне температур от –50 °C до 50 °C. Колебания температурных условий эксплуатации объективов приводит к изменению длины оправ, воздушных промежутков и оптических сил линз. А это, в свою очередь, ведет к смещению плоскости изображения. Поэтому задача одновременного выполнения условий термостабилизации и высокого разрешения актуальна для объективов тепловизоров.
Температурная стабилизация
Существует два метода термостабилизации объективов. Первый – пассивная стабилизация, когда в конструкции объектива применяется комбинация оптических материалов, обладающих различными коэффициентами температурного расширения. Благодаря методу пассивной стабилизации при изменении температуры расфокусировка изображения не превышает нескольких микрометров. Второй метод подразумевает подвижку определенной группы линз для стабилизации плоскости изображения. Этот метод требует применения более сложной конструкции из-за необходимости термостабилизации большего числа линз и создания механизма фокусировки.
Разрешение
Эффективным методом повышения разрешения в объективе является его ахроматизация. Ахроматизация заключается в подборе комбинации стекол, имеющих различные коэффициенты дисперсии. С помощью ахроматизации можно существенно уменьшить хроматические аберрации и обеспечить требуемое качество изображения. Несмотря на то, что перечень оптических материалов, прозрачных в области спектра 8–12 мкм, весьма ограничен, а самым распространенным материалом является германий, можно подобрать марку материала с более низким показателем преломления. Такое стекло в паре с германием позволит ахроматизировать объектив. Если на одну из линз объектива нанести дифракционную микроструктуру (киноформ), а другой линзе придать асферический профиль, можно добиться термостабилизации плоскости изображения. В работе [1] было предложено использовать для одновременного выполнения требований коррекции хроматических и монохроматических аберраций дифракционные оптические элементы, нанесенные на одну из поверхностей линзы объектива для двойного ИК-диапазона. При этом авторы опирались на работы [2, 3], результаты которых доказывали, что уникальные аберрационные свойства дифракционных оптических структур дают наибольший эффект в ИК-диапазоне. А с учетом строгих требований к коэффициенту пропускания тепловизионных объективов наиболее оптимальную систему представляет собой конструкция из 2–4‑х линз [4, 5].
Конструкция объективов с пассивной стабилизацией
Основные параметры 2- и 3‑линзового объектива с пассивной стабилизацией плоскости изображения, полученные после габаритного и абберационного расчета, приведены в табл. 1. Схемы этих объективов и графики оптической передаточной функции для рабочего диапазона температур представлены на рис. 1.
Объектив с переменным фокусным расстоянием
На рис. 2 представлены вид и графики оптической передаточной функции ахроматизированного объектива с переменным фокусным расстоянием 30–75 мм, относительным отверстием F / 1. Термокомпенсация в объективе совмещена с функцией зум, которая осуществляется благодаря подвижке 2‑й и 3‑й линз. Диапазон изменения фокусных расстояний в объективе составляет 2,5x и обусловлен следующими ограничениями:
- массогабаритные характеристики накладывают лимит на число линз, используемых в конструкции (принято 4 линзовых элемента);
- диаметр фронтальной линзы не должен превышать заданного значения (принято 70 мм);
- дисторсия не должна превышать 10%.
Основные параметры расчитанной конструкции тепловизионного объектива приведены в табл. 2. Все линзы в объективе сферические. В первом варианте исполнения вторая линза выполнена из германия с дифракционным профилем, во втором варианте конструкции вторая линза сделана из оптического кристалла.
Заключение
Анализ оптической передаточной функции показал, что применение киноформных, асферических элементов и комбинация оптических материалов позволяет создать тепловизионные объективы, работающие в ИК-диапазоне, с высоким разрешением и термостабилизацией плоскости изображения.
REFERENCES
Greysukh G. I., Danilov V. A., Ezhov E. G., Antonov A. I., Usievich B. A. Diffractive Elements in Optical Systems of Middle and Double IR Range. Photonics Russia. 2020; 14(2):184–191. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.184.191.
Грейсух Г. И., Данилов В. А., Ежов Е. Г., Антонов А. И., Усиевич Б. А. Дифракционные элементы в оптических системах среднего и двойного ИК-диапазона. Фотоника. 2020; 14(2):184–191. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.184.191.
Wang Hu, Bai Yu, Luo Jianjun. Hybrid refractive / diffractive optical system design for light and compact uncooled longwave infrared imager. Proc. of SPIE.2012; 8416:84162N‑1. DOI: 10.1117/12.975749-7296.
Patent RU 2621366. Kompaktnyj obektiv srednego IK-diapazona / Bezdid’ko S.N., Tarasishin A. V. [in Russ].
Патент РФ 2621366. Компактный объектив среднего ИК-диапазона / Бездидько С. Н., Тарасишин А. В.
SHishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized IR-Lenses. Priborostroenie‑2019: Proc.XII Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, 13–15 noyabrya 2019 goda, Minsk, Respublika Belarus’ / redkol.: O. K. Gusev. –Minsk: BNTU, 2019; 5–6.[in Russ]
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные ИК-объективы. Материалы 12‑й Международной научно-технической конференции, «Приборостроение‑2019», 13–15 ноября 2019. Минск, Республика Беларусь/редкол.: О. К. Гусев. – Минск: БНТУ, 2019; 5–6.
Shishkin I. P., Shkadarevich A. P. Achromatized Lenses of Thermal Imagers. Photonics Russia. 2020; 14(4): 360–367. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.360.367.
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные объективы тепловизоров. Фотоника. 2020; 14(4): 360–367. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.360.367.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Отзывы читателей
