Оптическая система малогабаритного неохлаждаемого тепловизионного модуля

К 681.7.015.2 Е.О. Ульянова

НФ ИФП СО РАН «КТИПМ», Новосибирск

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МАЛОГАБАРИТНОГО НЕОХЛАЖДАЕМОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО МОДУЛЯ

Рассматривается оптическая схема и технические характеристики оптической системы малогабаритного неохлаждаемого тепловизионного модуля.

E.O. Ulyanova

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian

Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDI AM») 2/1, Prosp. Akademika Lavrentieva, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

OPTICAL SYSTEM OF SMALL-SIZE UNCOOLED THERMAL IMAGING DEVICE

The optical scheme and technical characteristics of the optical system of small-size uncooled thermal imaging device are considered.

Область задач, решаемых современными неохлаждаемыми тепловизионными модулями (НТПМ), достаточно широка и включает в себя мониторинг окружающей среды, а также различных технологических комплексов и средств коммуникации, системы охраны, специальные системы для разведки, наблюдения, боевого применения и т. д.

При разработке оптических систем малогабаритных неохлаждаемых тепловизионных модулей с параметрами назначения огромную роль играют массогабаритные характеристики. Поэтому одной из основных задач, решаемых в процессе разработки оптических систем малогабаритных НТПМ, является задача получения требуемых рабочих характеристик при минимальных массогабаритных параметрах.

В Новосибирском филиале ИФП СО РАН «КТИ ПМ» разработана оптическая система малогабаритного НТПМ. Оптическая система формирует изображение в плоскости неохлаждаемого матричного фотоприемного устройства (МФПУ). В качестве фотоприёмного устройства применена неохлаждаемая болометрическая матрица фирмы ULIS (Франция), имеющая размер фоточувствительного поля 5,6 х 4,2 мм (160*120 элементов) и шаг между элементами 35 мкм. Оптическая схема оптической системы малогабаритного НТПМ представлена на рис. 1 со следующими условными обозначениями: 1-3 -

линзовые компоненты, 4 - входное окно МФПУ, 5 - плоскость

фоточувствительных элементов матричного ФПУ

В табл. 1 приведены основные характеристики разработанной оптической системы.

Оптическая схема оптической системы НТПМ включает три линзовых компонента, представляющих собой мениски, выполненные из германия и селенида цинка. Все линзовые компоненты имеют сферические поверхности.

Рис. 1. Оптическая схема оптической системы НТПМ

Таблица 1. Оптотехнические и габаритные характеристики оптической системы

Спектральный диапазон работы, мкм 8-12

Фокусное расстояние, мм 8,2

Относительное отверстие 1:1

Угол поля зрения, град 40x30

Длина, мм 22

Масса, г 7

Качество изображения разработанной оптической системы оценивается с помощью параметров кружка рассеяния, частотно-контрастной характеристики и функции концентрации энергии. Параметры ЧКХ, параметры кружка рассеяния и функции концентрации энергии представленной системы в сравнении с дифракционно-ограниченной системой приведены в табл. 2 и 3, а также показаны на рис. 2 и 3.

Пространств. частота ( мм-1) Контрастность, отн. ед.

ю=0° ю=14,14°х10,6° ю=20°х15° Дифракционно- ограниченная система

10 0,86 0,82 0,78 0,86

20 0,71 0,62 0,52 0,73

30 0,57 0,43 0,30 0,60

40 0,45 0,27 0,16 0,47

50 0,33 0,16 0,10 0,35

Таблица 3. Функция концентрации энергии в пятне

Радиус пятна (мкм) Энергия, отн. ед.

ю=0° ш=14,14°х10,6° ш=20°х15° Дифракционно- ограниченная система

10 0,78 0,70 0,58 0,82

12,5 0,82 0,79 0,67 0,84

15 0,85 0,83 0,73 0,86

17,5 0,88 0,86 0,80 0,88

ШТ. НИГГ 30,00, 1Б.00 ПЕС

В.ВВ. 0.0В ОВС 1Н.1Ч, Ю,і(3 ПЕС

0,000 8.7Б0 17.Е00

Рйпіиз ррам СЕГггаоп] ін т

Рис. 2. График функции концентрации энергии

В табл. 2 приведены значения ЧКХ оптической системы для различных позиций поля зрения. Из приведенных выше данных видно, что коэффициенты

передачи контраста на краю поля зрения для пространственной частоты 30 мм-1 составляют 0,30, а для центра поля зрения - 0,57.

В табл. 3 приведены значения функции концентрации энергии (ФКЭ), а на рисунке 2 - график ФКЭ оптической системы. Значения ФКЭ в пятне радиусом 17,5 мкм для углов поля зрения, равными 0*0; 14,14*10,60 и 20*15 град, составляют соответственно 0,88; 0,86 и 0,80, т.е. близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,88, что подтверждает хорошее качество изображения, даваемое оптической системой, приемлемое для работы с современными матричными инфракрасными приемниками излучения.

На рис. 3 приведена диаграмма пятен рассеяния оптической системы для различных точек поля зрения. Геометрический радиус кружка рассеяния точки не превышает величину 4,2 мкм в центре поля зрения и 27 мкм на краю поля зрения.

Рис. 3. Пятно рассеяния

Разработанная оптическая система обладает необходимыми массогабаритными характеристиками, а также имеет разрешающую способность, позволяющую использовать ее в малоразмерных неохлаждаемых тепловизионных модулях для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения.

© Е.О. Ульянова, 2011