Пассивная атермализация малогабаритных оптических систем в дальнем ИК-диапазоне

ВООРУЖЕНИЕ И ВОЕННАЯ ТЕХНИКА

УДК 623.4

ПАССИВНАЯ АТЕРМАЛИЗАЦИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ДАЛЬНЕМ ИК-ДИАПАЗОНЕ

С.Л. Погорельский, А.А. Шилин

Проведен анализ влияния изменения температуры на характеристики триплета для приведенных композиций материалов и рассмотрены условия, при выполнении которых упрощается задача оптимизации оптической системы. В случае однородного распределения температуры в системе предлагаются рекомендуемые материалы для проектирования многоэлементных атермализованных оптических систем.

Ключевые слова: пассивнаяатермализация, термическая расфокусировка, атермализованный триплет, ИК-диапазон.

Оптические системы (ОС) часто работают в широком диапазоне температур окружающей среды, который может достигать ±50 °С и более. Вследствие этого компенсация термических аберраций в современных оптических системах является одной из основных задач. Проявление термических аберраций обусловлено влиянием температуры окружающей среды на оптические компоненты и элементы конструкции ОС. При повышении температуры показатель преломления оптических сред изменятся, а вместе с ним и линейные размеры всей системы, и радиусы кривизны, и толщины оптических элементов. В результате перечисленных изменений перемещается плоскость изображения оптической системы, меняются фокусное расстояние и ход лучей в оптическом приборе.

На данный момент известны три основных способа атермализаци оптических систем:

- управляемое перемещение элементов вдоль оптической оси;

- компенсация перемещения фокальной плоскости подбором материалов линз, оправ и корпуса ОС;

- применение дифракционных элементов.

Два последних способа являются пассивными и отличаются тем,

196

что проблема компенсации термических аберраций не потребует введения в состав прибора управляющей системы или дополнительных усилий со стороны оператора. Однако использование дифракционных элементов обладает рядом недостатков, среди которых можно выделить, как наиболее значимый, снижение передаваемой энергии за счет потерь на краях дифракционных элементов [1]. Компенсация перемещения фокальной плоскости подбором материалов линз, оправ и корпуса ОС подобных потерь не имеет и является, по мнению авторов, наилучшим вариантомустранения температурного влияния.

Условием атермализации оптической системы с фокусным расстоянием /ос, состоящей из п элементов, является выполнение соотношения

д/

где

¿/'та - , л 1, .

Здесь (3 - температурный коэффициент показателя преломления п;

а - температурный коэффициент линейного расширения материала

(ТКЛР).

Идеальным был бы случай, при котором значение фокусного расстояния каждого элемента под влиянием температуры менялось незначительно, в пределах нескольких микрометров. Тогда, задача атермализации сведется к выбору материала оправ и корпуса оптической системы, близкого по показателю коэффициента температурного линейного расширения к материалу линз. Однако, помимо атермализации, ОС должна обеспечивать и заданное качество изображения, что подразумевает сохранение постоянной оптической силы Ф всей системы и выполнение условия ахрома-тизации [2]

ЕГ=1 ф, = ф ,

3=4 = 0,

где v¿- число Аббе, рассчитанное для материала i-ro элемента ОС.

На практике соотношения (1) и (4) редко удается выполнить, поэтому обычно атермализованными считают оптические системы, в которых значение Д/ (Г)ос и пренебрежимо мало или ведет к допусти-

мому ухудшению характеристик ОС.

С помощью программ оптического моделирования (ZEMAX, OPAL, CODEV) существует возможность оценивать температурное влияние на оптические характеристики ОС, работающих в непостоянных температурных условиях, сохраняя при этом заданное качество воспроизведения изображения. Для этого необходимо задаться некоторым набором исходных данных, который будет воспринят программой как аксиома, и не изменится в процессе оптимизации. К ним относятся фокусное расстояние системы, материалы элементов и порядок их следования, а также материал оп-

197

рав и корпуса ОС.

Табл. 1 включает в себя перечень оптических и термооптических параметров наиболее типичных материалов для построения систем, работающих в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн. В табл. 2 приведены характеристики материалов для крепления линз и изготовления корпуса ОС.

Таблица 1

Перечень оптических и термооптических параметров материалов

Оптический материал Показатель преломления для Я=10мкм Температурный коэфф. показателя преломления ß*10"6, град'1 TKJIP а-10'6, град'1 Коэфф. дисперсии Аббе, и Термооптическая постоянная, У*10'6, град'1

Г ер маний (Ое) 4,004 396 5,7 860 126,2

Сульфид цинка(2п8) 2,200 39 6,6 23 25,9

Селенид цинка (гпБе) 2,406 61 7Д 58 36,3

Арсенид галлия (ОаАз) 3,278 185 5 110 76,2

КЯБб 2,371 -236,3 61 164,7 -233,2

Йодистый цезий (Се!) 1,740 -91,7 50 236,2 -170,3

Таблица 2

Характеристики материалов для крепления линз

Материал ТКЛР а*10'6, град 1 2 Плотность, кг/м

Алюминий 24 2700

Инвар 1,2 8130

Сталь 16,6 7860

Титан 8,3 4540

С целью уменьшения времени на расчет оптической системы с помощью программ оптического моделирования уже на этапе ввода исходных данных можно заложить их таким образом, чтобы облегчить выполнение условия (1). Этого можно достичь, выбирая материалы линз с разными по знаку термооптическими постоянными, что позволит компенсировать изменения фокусного расстояния ОС за счет разных знаков прира-

щений. Рассмотрим этот вариант на примере линзового триплета с фокусным расстоянием 50 мм, обеспечивающего угол поля зрения ±3,45° с матричным приемником излучения формата 240х240 и размером пикселя 25 мкм.В табл. 3 приведены характеристики объектива из германия и селенида цинка с оправами из титана, удовлетворяющего перечисленным условиям. Дальнейший расчет будет проводиться в среде оптического моделирования 7ешах.

Таблица 3

Характеристики объектива из германия и селенида цинка

Материал линз Относи- тельное отверстие ввх/ Г Толщина (длина между линзами), мм Радиус кривизны Фокусное расстояние, мм Концентрация энергии в кружке рассеяния 25мкм, % Термическая расфокусировка при АТ=5°, мкм

Г ерманий 1 : 1 8 65,425 77,265 84 24,5

(10) 82,741

Селенид цинка 8 -104,387 -1278,358

(40,57) -115,701

Г ерманий 8 29,068 51,181

(10,345) 28,441

В приведенном триплете минимизировано влияние аберраций при построении изображения, отсутствуют асферические поверхности, он отличается простотой изготовления, сборки и юстировки, а значения модуля передаточной функции и концентрации передаваемой энергии близки к дифракционному максиму. Однако, существенным недостатком такой ОС является температурная неустойчивость, т.к. при изменении температуры уже на 15 °С качество изображения упадет настолько, что невозможно будет выделить полезный сигнал.

С целью снижения температурной неустойчивости объектива, материал третьего элемента ОС с положительной оптической силой заменим на КЯБ5 и оптимизируем систему. Результаты оптимизации приведены в табл. 4.

Полученный вариант объектива обладает рядом преимуществ по сравнению с предыдущим:

уменьшилась толщина, а, следовательно, и масса элементов ОС; при незначительном падении концентрации энергии обеспечивается работоспособность триплета в широком диапазоне температур ±40 °С.

К недостаткам предложенной ОС можно отнести токсичность КЯБ5 и необходимость его обработки в специализированных лабораториях, а также ограничение на предельный диаметр заготовки из КЯБ5 для оптиче-

ского элемента (~54 мм).

Таблица 4

Результаты оптимизации объектива_________________

Материал линз Относительное отверстие Бвх/ Г’ Толщина (длина между линзами), мм Радиус кривиз- ны Фокусное расстояние, мм Концен-тра-ция энергии в кружке рассеяния 25мкм, % Термическая расфокусировка-приАТ=5°, мкм

Г ерма-ний 1 : 1 4 110,808 84,015 80 (до 3°) - 3

(10) 192,161

Селенид цинка 5 -101,385 -295,347

(38,427) -137,949

КЯБ5 4 45,108 46,587

(23,75) 145,651

При проектировании оптических систем, предназначенных для работы в сложных температурных условиях, необходимо решать задачу их атермализации, так как термическаярасфокусировка в диапазоне температур -50...+50 °С может достигать от десятков до сотен микрометров, в зависимости от фокусного расстояния оптической системы и выбранных материалов оптических элементов. Несмотря на ограниченный набор оптических материалов, применяемых для создания ОС в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн, задача атермализации может быть решена и здесь. Проведенный анализ показал, что при создании соответствующих композиций, термическая расфокусировка может быть уменьшена при незначительном ухудшении характеристик системы. Одним из вариантов является изготовление линз ОС из материалов, имеющих значения термооптической постоянной разного знака, например, применение германия в сочетании с КЯБ5 позволило уменьшить термическую расфокусировку более чем 8 раз для линзового триплета.

Эта комбинация материалов применима и для оптических систем с большим количеством элементов, где расчеты изменения положения плоскости изображения не имеют смысла, т.к. в них используются излишне сложные и громоздкие формулы с учетом толщин линз, а результаты носят лишь приближенный характер, требующие дополнительной оптимизации системы в программах оптического моделирования. В этом случае целесообразно закладывать исходные данные в программу для облегчения выполнения условия (1) в соответствии с приведенным примером без проведения предварительных расчетов по атермализации ОС.

Выводы

В статье была показана возможность уменьшения термических

аберраций линзового триплета при помощи метода пассивной атермализа-ции, основанного на компенсации перемещения фокальной плоскости подбором материалов линз, оправ и корпуса ОС. Приведена композиция материалов, рабочих в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн, для осуществления оптимизации многоэлементных ОС в среде оптического моделирования с меньшими временными затратами.

Список литературы

1. Riedl M. Optical Design Fundamentals for Infrared Systems, tutorial texts in optical engineering / M. Riedl. SPIE, v.TT84.

2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. / Ю.Г. Якушенков. М.: Логос, 1999. 480 с.

3. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем / Г.Г. Слюса-рев. Л.: Машиностроение, 1969. 672 с.

4. Тарасов В.В. Инфракрасные системы «смотрящего» типа / В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков. М. Логос, 2004. 444 с.

5. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах / С.М. Латыев. Л.: Машиностроение, 1985. 248 с.

Погорельский Семен Львович, канд. техн .наук, проф,, fenomen000@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шилин Аркадий Александрович, асп., fenomen000@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PASSIVE A THERMALIZA TION OF COMPACT OPTICAL SYSTEMS FOR LONGWA VEIR-RANGE

S.L. Pogorelskiy, A.A. Shilin

The analysis of temperature changing influence on characteristics of triplet with chosen configuration of materials is presented in the article. Also there was shown guidance conditions which could allow to reduce time costs for system optimization. In case of uniform distribution of temperature in optical system defined materials combination which leads to creation of athermalizedmultielement optical system.

Key words: passive athermalization, thermal defocusing, athermalized triplet, IRrange.

Pogorelskiy Semen Lvovich, candidate of technical sciences, professor, feno-men000@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shilin Arkadiy Aleksandrovich, postgraduate, fenomen000@mail. ru, Russia, Tula city, Tula State University