Компенсация температурных влияний окружающей среды в оптической системе тепловизионного прибора

УДК 535.317.2

КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЛИЯНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЕПЛОВИЗИОННОГО

ПРИБОРА

© 2009 Е.О. Ульянова, К.П. Шатунов

Новосибирский филиал Института физики полупроводников СО РАН

им. А.В. Ржанова

Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники

Поступила в редакцию 16.11.2009

Оптико-электронные системы (ОЭС) используются в условиях широкого диапазона температур окружающей среды. Вследствие этого, компенсация температурных влияний окружающей среды (термоаберраций) в современных ОЭС является одной из основных задач. Проявление термоаберраций обусловлено влиянием температуры окружающей среды на оптические компоненты и элементы конструкции ОЭС. В статье приведены различные способы компенсации термоаберраций. Представлена оптическая система тепловизионного прибора, работающая в широком диапазоне температур окружающей среды (от -50°С до +50°С). В статье приводятся основные параметры и характеристики оптической системы, рассмотрен способ компенсации термоаберраций, вызванных влиянием температуры окружающей среды, а также приведены оптическая схема и оценка качества изображения.

Ключевые слова: оптическая система, температурное влияние, термоаберрация

Оптико-электронные системы (ОЭС) используются в условиях широкого диапазона температур окружающей среды. Вследствие этого, компенсация температурных влияний окружающей среды (термоаберраций) в современных ОЭС является одной из основных задач. Проявление термоаберраций обусловлено влиянием температуры окружающей среды на оптические компоненты и элементы конструкции ОЭС. Компенсация термоаберраций достигается различными способами:

1. выбором комбинации различных типов материалов для изготовления оптических компонентов;

2. использованием специальных материалов оправ оптических компонентов;

3. стабилизацией температуры оптического тракта при выбранном значении;

4. подвижками оптических компонентов.

С целью использования в широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 50°С до +50°С) в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ» была разработана и изготовлена оптическая система объектива теп-ловизионного прибора с фокусным расстоянием 250 мм для спектрального диапазона 7,7^10,3 мкм, формирующая изображение в плоскости матричного фотоприемного устройства (ФПУ) с форматом кадра 320х256

Ульянова Елена Олеговна, младший научный сотрудник. Email: helen@oesd.ru

Шатунов Константин Павлович, заведующий сектором тепловидения отдела тепловидения и телевидения. E-mail: sconst@oesd.ru

элементов и шагом между чувствительными элементами 30 мкм (рис. 1).

Автоматизированная компенсация расфокусировки в условиях эксплуатации в диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до плюс 50°С обеспечена введением подвижек оптических компонентов. Для оптимизации фоновой нагрузки на матричное ФПУ в конструкции криостата предусмотрена охлаждаемая диафрагма. При данной конструкции оптимальной оптической системой для ФПУ будет система, состоящая из входного объектива и проекционной системы, у которой выходным зрачком является охлаждаемая диафрагма криостата, а входной зрачок расположен вблизи фронтальной поверхности 1-ой линзы объектива. При этом на матричное ФПУ не будут попадать фоновые потоки от элементов конструкции оптической системы. Для реализации данного принципа построения необходимо проведение совместного аберрационного расчета входного объектива и проекционной системы в целях взаимной коррекции остаточных аберраций входного объектива и проекционной системы.

Оптический тракт строится по следующему принципу: входной объектив оптической системы (поз. 1, 2) формирует промежуточное изображение, а проекционная система (поз.3, 4, 5, 6) проецирует данное изображение в плоскость фоточувствительных элементов матричного ФПУ, и, кроме того, компенсирует остаточные аберрации входного объектива. При этом выходной зрачок оптической систе-

мы совпадает с охлаждаемой диафрагмой ФПУ для устранения фонового излучения от элементов конструкции. Изменение фокусного расстояния оптического тракта осуществляется заменой входного объектива, либо введением или изменением компонентов во входном объективе, при этом проекционная система остается неизменной. Оптическая

1

2

схема входного объектива включает в себя два одиночных линзовых компонента, выполненных из германия и селенида цинка. Проекционная система состоит из четырех оптических компонентов, выполненных из селенида цинка и германия. Все компоненты оптической системы выполнены со сферическими поверхностями.

10

Рис. 1. Оптическая система объектива для матричного ФПУ ИК-диапазона спектра 1-2 - входной объектив; 3-6 - проекционная система; 7 - входное окно криостата; 8 - охлаждаемая диафрагма; 9 - охлаждаемый фильтр; 10 - плоскость фоточувствительных элементов матричного ФПУ

Для коррекции температурного влияния окружающей среды рассчитаны подвижки одиночного линзового компонента поз. 2 и блока, включающего в себя линзы поз. 3 и 4. Расчет подвижек выполнен через 5 градусов в диапазоне температур от -50°С до + 50°С. Диапазон величин подвижек линзового компонента поз.2 составляет от 2,28 мм до -1,3 мм, а блока с линзами поз.3 и 4 - от -2,64 до 0,8 мм. Перемещение линзового компонента поз. 2 вдоль оптической оси осуществляется в соответствии с графиком, представленным на рис. 2, а перемещение блока линз поз. 3-4 - в соответствии с графиком, представленным на рис. 3. Необходимое перемещение указанных оптических компонентов с заданной точностью обеспечивается электромеханическими приводами.

-10 0 10 температура, град

-20 -10 0 10 температура, град

Рис. 2. График зависимости величины перемещения линзового компонента поз. 2 вдоль оптической оси от температуры окружающей среды

Рис. 3. График зависимости величины перемещения блока линз поз. 3-4 вдоль оптической оси от температуры окружающей среды

Диапазон величины изменения фокусного расстояния при изменении температуры окружающей среды находится в пределах от -2,26 мм до 0,65 мм. Величина относительной погрешности фокусного расстояния составляет от -0,9% до 0,3% для диапазона температур от -50°С до +50°С от номинального значения, рассчитанного при температуре +20°С. Диапазон величины изменения фокусного расстояния представлен в табл. 1, график зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от изменения температуры окружающей среды (рис. 4). Все полученные зависимости (рис. 2, 3 и 4) близки к линейным.

9

Табл. 1. Диапазон величины изменения фокусного расстояния при изменении

температуры окружающей среды

1,°С -50 -40 -30 -20 -10 0

ДГ, мм -2,26 -2,03 -1,71 -1,36 -0,97 -0,59

се 0 10 20 30 40 50

ДГ, мм -0,59 -0,28 0 0,3 0,46 0,65

0.25 0.1 -0.05 -0.2 ^-0.35 -0.5 -0.65 -0.8

0.19 г0_2 6

0.12

-0.11 0

-0.24

-0.39

-0.55

-0.69

-0.82

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

температура, градус

20

30

40

50

Рис. 4. График зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от температуры окружающей среды

Табл. 2. Частотно-контрастная характеристика

2ю'° Контраст при разрешении N л/мм

10 15 20 25 30

0 0,70 0,54 0,42 0,34 0,29

2,2 0,71 0,55 0,44 0,36 0,29

2,77 0,69 0,53 0,41 0,32 0,24

Идеальная ЧКХ

0 0,78 0,67 0,56 0,46 0,36

рп| угнепмрттг птрреяпттпы мтр

Рис. 5. Частотно-контрастная Характеристика

Оптическая система обеспечивает хорошее качество изображения в диапазоне температур окружающей среды от -50°С до +50°С в спектральном диапазоне 7,7^10,3 мкм, имеет относительное отверстие 1:1.92, поле зрения 2,77° и длину по оси порядка 350 мм. Расчетная масса всех оптических компонентов составляет около 900 г. Оценка качества изображения разработанного оптического тракта при температуре окружающей среды +20°С приведена в табл. 2, частотно-контрастная характеристика показана на рис. 5, размеры пятен рассеяния точки представлены на рис. 6.

Выводы: приведенные данные показывают хорошее качество разработанной оптической системы. Геометрический радиус пятна рассеяния точки не превышает 19.0 мкм в центре поля зрения и 23 мкм на краю поля зрения. В целом оптическая система обладает разрешающей способностью, позволяющей использовать ее в ОЭС сопровождения и дальнометрирования.

* 9.0000

7.7000

• 10.3000

IHR: Н.884 ИИ

SURFACE: IHR

IMR! 6.189 MM

SPOT DIAGRAM

LENS HRS N0 TITLE. TUE JUN 27 2006 UNITS RRE FIELD : 1

RMS RRDIUS : 10.616

GEO RRDIUS : 18.601

AIRY DIRM : 42.27

2 3

10.267 10,672 22.814 22,767

REFERENCE : CHIEF RflY

Рис. 6. Точечная диаграмма

COMPENSATION OF THE TEMPERATURE ENVIRONMENTAL INFLUENCE IN AN OPTICAL SYSTEM OF THERMAL IMAGING

DEVICE

© 2009 E.O. Ulyanova, C.P. Shatunov

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, SB RAS, "Technological Design Institute of Applied Microelectronics"

Optical-electronic systems (OES) are used under conditions of wide range of environment temperatures. Consequently, compensation of the temperature influence of environment (thermal aberrations) in modern OES is one of the main tasks. Appearance of the thermal aberrations is caused by the temperature influence of environment on optical components and elements of construction of OES. Different methods of compensation of the thermal aberrations are considered in this paper. Optical system of a thermal imaging device is presented in the paper. The optical system developed at the Novosibirsk Branch of ISP SB RAS "TDIAM" operates in a wide range of environment temperatures (from -50°С up to +50°С). The optical system of the thermal imaging device, its main parameters and technical characteristics are given in the paper as well as evaluation of its image quality. The method of compensation of the thermal aberrations caused by the temperature influence of environment is considered in the article. Key words: optical system, temperature influence, thermoaberration

Elena Ulyanova, Minor Research Fellow. E-mail: helen@oesd.ru Konstantin Shatunov, Chief of Thermovision Sector in the Department ofThermovision and TV. E-mail: sconst@oesd.ru