ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

Изобретение относится к оптике, в частности, к оптическим системам, и может быть использовано в оптико-электронных системах (ОЭС) для решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения по тепловому излучению.
Известна оптическая система тепловизионных приборов (патент РФ №2244949 на изобретение), содержащая объектив, строящий действительное промежуточное изображение, в составе фронтального мениска, обращенного выпуклостью к предмету, и афокального мениска, обращенного выпуклостью к изображению и расположенного вблизи плоскости промежуточного изображения объектива, входной зрачок, расположенный в передней фокальной плоскости фронтального мениска.
К недостаткам приведенного технического решения относится отсутствие согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника и адаптивности оптической системы; довольно узкий рабочий температурный диапазон; при стремлении расширить последний - низкое качество изображения, неприемлемое для работы с современными матричными приемниками инфракрасного (ИК) излучения.
Причины недостатков заключаются в том, что термокомпенсация, оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения, позволяющее минимизировать величины остаточных аберраций до значений, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером дифракционного пятна и размером пиксела приемников излучения, рассчитаны для одной конкретной температуры, принимаемой за рабочую температуру оптической системы.
Для большинства оптических систем (как и в рассматриваемом случае) оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположения рассчитано для температуры окружающей среды +20°С. При указанном сочетании оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела фотоприемного устройства (ФПУ). Если происходит изменение температуры, меняются оптические силы линз (фокусные расстояния линз в том числе, так как они обратно пропорциональны оптическим силам), форма линз (за счет изменения радиусов), а также расстояния между линзами (хоть и незначительно, но тоже меняются). В связи с этим для конкретной температуры окружающей среды, отличающейся от температуры, для которой были определены оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположение, в частности, отличающейся от +20°С, первоначальное сочетание, соответствующее +20°С, оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не будет оптимальным. Эти изменения возникают вследствие зависимости показателя преломления и коэффициента линейного расширения материала линз от температуры окружающей среды. В результате при изменении температуры ИК излучение при регистрации фокусируются уже не в плоскости приемника, а в плоскости, расположенной перед плоскостью приемника или за ней.
Средства же, которыми осуществляется термокомпенсация или так называемая «подфокусировка», что приводило бы снова к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, отсутствуют.
В рассматриваемом случае можно осуществить термокомпенсацию перемещением самого приемника, однако для охлаждаемых фотоприемников это невозможно из-за наличия криостата. Кроме того, при такой термокомпенсации, хотя и приводящей к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, не удается скорригировать все аберрации, чтобы размер пятна рассеяния соответствовал размеру при +20°С (особенно в области температур ниже нуля, в частности, ниже -20°С).
С другой стороны, при наблюдаемом в настоящее время стремлении к минимизации размеров фоточувствительных элементов (пикселов) отсутствие специальных средств в оптической системе, обеспечивающих размер пятна рассеяния, соизмеримый или сопоставимый с размером чувствительного элемента приемника излучения, обуславливает невозможность согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника, отсутствие адаптивности оптической системы к фоточувствительной матрице. В требуемом диапазоне температур получаемое пятно рассеяния должно быть соизмеримым с размером пиксела приемника, иначе приемник «ничего не увидит» или «увидит», но с очень плохим контрастом изображения, неприемлемым для работы. Пятно рассеяния может быть больше размера пиксела приемника, однако при этом основная часть энергии излучения (от 65 до 80% в зависимости от дифракционного предела) относительно данного пятна должна быть сфокусирована на пикселе.
В качестве наиболее близкого аналога выбрана оптическая система тепловизионных приборов (патент РФ №2338227 на изобретение, см. п.4 формулы), содержащая последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив и действительный вынесенный выходной зрачок. Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, выполнен с возможностью формирования промежуточного изображения в плоскости, расположенной между двумя указанными объективами, и реализован в составе последовательно расположенных по ходу лучей положительной линзы, отрицательной линзы, обращенной вогнутой поверхностью к пространству предметов, и линзы, выполненной в форме положительного мениска, обращенного вогнутостью к изображению. Проекционный объектив содержит три положительные и одну отрицательную линзы, по ходу лучей первым двум линзам свойственна общая положительная оптическая сила, третья линза - положительная, четвертая линза положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, причем в проекционном объективе первая по ходу лучей линза - отрицательная с вогнутой поверхностью, обращенной к изображению, вторая линза - положительная с выпуклой поверхностью, обращенной к изображению.
К недостаткам приведенного технического решения относится отсутствие согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника и адаптивности оптической системы; довольно узкий рабочий температурный диапазон; при стремлении расширить последний - низкое качество изображения, неприемлемое для работы с современными матричными приемниками ИК излучения.
Причины недостатков заключаются в том, что термокомпенсация, оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения, позволяющее минимизировать величины остаточных аберраций до значений, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером дифракционного пятна и размером пиксела приемников излучения, рассчитаны для одной конкретной температуры, принимаемою за рабочую температуру оптической системы, и конкретный размер пиксела.
Для большинства оптических систем (как и в рассматриваемом случае) оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположения рассчитано для температуры окружающей среды +20°С. При указанном сочетании оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела ФПУ. Если происходит изменение температуры, меняются оптические силы линз (фокусные расстояния линз в том числе, так как они обратно пропорциональны оптическим силам), форма линз (за счет изменения радиусов), а также расстояния между линзами (хоть и незначительно, но тоже меняются). В связи с этим для конкретной температуры окружающей среды, отличающейся от температуры, для которой были определены оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимное расположение, в частности, отличающейся от +20°С, первоначальное сочетание, соответствующее +20°С, оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не будет оптимальным. Эти изменения возникают вследствие зависимости показателя преломления и коэффициента линейного расширения материала линз от температуры окружающей среды. В результате при изменении температуры ИК излучение при регистрации фокусируются уже не в плоскости приемника, а в плоскости, расположенной перед плоскостью приемника или за ней.
Средства же, которыми осуществляется термокомпенсация или так называемая «подфокусировка», что приводило бы снова к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, отсутствуют.
В рассматриваемом случае можно осуществить термокомпенсацию перемещением самого приемника, однако для охлаждаемых фотоприемников это невозможно из-за наличия криостата. Кроме того, при такой термокомпенсации, хотя и приводящей к фокусированию ИК-излучения в плоскости приемника, не удается скорригировать все аберрации, чтобы размер пятна рассеяния соответствовал размеру при +20°С (особенно в области температур ниже нуля, в частности, ниже -20°С).
С другой стороны, при наблюдаемом в настоящее время стремлении к минимизации размеров фоточувствительных элементов (пикселов) отсутствие специальных средств в оптической системе, обеспечивающих размер пятна рассеяния, соизмеримый или сопоставимый с размером чувствительного элемента приемника излучения, обуславливает невозможность согласования качества изображения с размером пиксела фотоприемника, отсутствие адаптивности оптической системы к фоточувствительной матрице. В требуемом диапазоне температур получаемое пятно рассеяния должно быть соизмеримым с размером пиксела приемника, иначе приемник «ничего не увидит» или «увидит», но с очень плохим контрастом изображения, неприемлемым для работы. Пятно рассеяния может быть больше размера пиксела приемника, однако при этом основная часть энергии излучения (от 65 до 80% в зависимости от дифракционного предела) относительно данного пятна должна быть сфокусирована на пикселе.
Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов позволяет решить задачу достижения более высоких технических характеристик.
Техническим результатом изобретения является:
- согласование качества изображения с размером пиксела фотоприемника, повышение адаптивности оптической системы;
- расширение рабочего температурного диапазона;
- повышение качества изображения.
Технический результат достигается в оптической системе тепловизионных приборов, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив, при этом линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.
В оптической системе объектив, строящий действительное промежуточное изображение, реализован в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси; проекционный объектив реализован в составе линзового компонента, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз -соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.
В оптической системе линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе, а именно, относительные оптические силы линз - в объективе, строящем действительное промежуточное изображение: первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59); в проекционном объективе: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, (10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81); расстояние между линзами в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между второй и третьей линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.
В оптической системе в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, второй отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, выполненный с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, и в проекционном объективе линзовый компонент, выполненный с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз - соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, снабжены электромеханическими приводами.
В оптической системе выполнен действительный вынесенный зрачок.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг.1 схематически представлена оптическая система тепловизионных приборов, приведены элементы криостата и плоскость изображения, где 1 - мениск (положительный мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения); 2 - мениск (отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к пространству предметов); 3 - мениск (отрицательная линза - мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения); 4 - мениск (положительная линза - мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения); 5 - двояковыпуклая линза; 6 - мениск (положительная линза - мениск, обращенный вогнутостью к плоскости изображения); 7 - входное окно криостата; 8 - охлаждаемая диафрагма; 9 - охлаждаемый фильтр; 10 - плоскость изображения (плоскость фоточувствительных элементов матрицы).
На Фиг.2 представлена Таблица 1, в которой приведены конструктивные параметры оптической системы тепловизионных приборов с компенсацией термоаберраций.
На Фиг.3 представлен график зависимости перемещений вдоль оптической оси отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к пространству предметов, являющегося конструктивным элементом объектива, от температуры окружающей среды, необходимых для осуществления компенсации термоаберраций.
На Фиг.4 представлен график зависимости перемещений вдоль оптической оси подвижного линзового компонента, в составе отрицательной линзы - мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и положительной линзы - мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, являющихся конструктивными элементами проекционного объектива, от температуры окружающей среды необходимых для осуществления компенсации термоаберраций.
На Фиг.5 представлена Таблица 2, иллюстрирующая диапазон изменения величины фокусного расстояния при изменении температуры окружающей среды.
На Фиг.6 приведен график зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от температуры окружающей среды.
На Фиг.7 представлена Таблица 3, в которой приведены для сравнения значения частотно-контрастной характеристики предлагаемой оптической системы и дифракционно-ограниченной системы.
На Фиг.8 представлена частотно-контрастная характеристика (ЧКХ).
На Фиг.9 представлена функция рассеяния точки (ФРТ).
На Фиг.10 представлена функция концентрации энергии (ФКЭ).
Для создания тепловизионных приборов, обладающих высокими техническими характеристиками, необходимы оптические системы, обеспечивающие высокое качество изображения, также согласованное с размером пикселя современных матричных приемников излучения. В таких оптических системах размер пятна рассеяния соответствует размеру пикселя. Кроме того, при сохранении высокого качества изображения, приемлемого для работы с современными матричными приемниками инфракрасного излучения, должен быть достаточно широким рабочий температурный диапазон.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов реализуется оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз, и расположения линз, за счет чего корригируются первичные аберрации широких пучков лучей (сферическая, кома), полевые аберрации (астигматизм, кривизна изображения, дисторсия), хроматические аберрации до величин, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримый с размером пиксела приемника излучения, не для отдельно взятого значения температуры окружающей среды, а для диапазона температур, представляющего практический интерес.
Как отмечено выше для большинства оптических систем оптимальное сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения обычно рассчитывается для температуры окружающей среды +20°С. При этом в отношении указанной температуры, принимаемой за рабочую, в оптической системе осуществляется такое корригирование аберраций (искажений), которое обеспечивает пятно рассеяния в плоскости приемника, сопоставимое с размером дифракционного пятна (идеального пятна) и размером пиксела современных ФПУ. Однако если такую оптическую систему начинают использовать при температуре окружающей среды, отличающейся от указанной, оптические силы линз и, как следствие, фокусные расстояния линз, поскольку они обратно пропорциональны оптическим силам, форма линз, в частности, их радиусы, меняются. Кроме того, расстояния между линзами тоже, хоть и незначительно, но все-таки меняются. Рассчитанное для рабочей температуры +20°С сочетание оптических сил линз, формы линз и их взаимного расположения в оптической системе уже не является оптимальным. В результате, во-первых, происходит смещение плоскости, в которой фокусируется ИК излучение при его регистрации, относительно плоскости фотоприемника, во-вторых, меры термокомпенсации, рассчитанные для температуры +20°С, не способны скорригировать все аберрации (при температуре ниже нуля, в особенности ниже -20°С), чтобы размер пятна рассеяния соответствовал прежнему, при +20°С, размеру. Таким образом, при изменении температуры окружающей среды, в частности, связанном с переходом к другому значению рабочей температуры, при которой используют какую-либо из известных оптических систем, для получения высокого качества изображения следовало бы заново делать расчет оптической системы, пересчитывать все радиусы линз и расстояния между ними для каждой отдельно взятой температуры.
Предлагаемая оптическая система избавляет от необходимости такого пересчета, поскольку позволяет осуществлять термокомпенсацию или так называемую «подфокусировку», за счет выполнения линз с возможностью перемещения. Так, выполнение мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента в составе менисков 3 и 4 в проекционном объективе (см. Фиг.1) подвижными приводит к тому, что ИК излучение при регистрации снова фокусируется в плоскости фотоприемника. Кроме того, во всем требуемом (рабочем) диапазоне температур при такой термокомпенсации получаемое пятно рассеяния соизмеримо с размером пиксела приемника. Приемник излучения «видит» с хорошим контрастом изображения, приемлемым для работы. Таким образом, при использовании на практике предлагаемой оптической системы достигается расширение рабочего температурного диапазона и повышение при этом качества изображения.
С другой стороны, в современных матричных приемниках излучения, например, дальнего инфракрасного диапазона (8-14 мкм) размеры пикселов значительно меньше, чем в ФПУ ранних поколений, в которых размер пикселов составлял от 40 до 50 мкм и более. Соответственно для этих приемников применялись оптические системы, характеризующиеся пятном рассеяния, размер которого соизмерим с указанными размерами пикселов. Поскольку фотоприемные устройства, регистрирующие излучение, в частности, в спектральном диапазоне 8÷14 мкм, в связи со стремлением к миниатюризации имеют ограниченные размеры чувствительных элементов (пикселов) то, это обуславливает необходимость разработки оптической системы, обеспечивающей качество изображения, согласованное с размером пиксела приемника излучения. То есть, оптическая система должна обеспечить размер пятна рассеяния, соизмеримый с размером чувствительного элемента приемника излучения. В предлагаемой оптической системе это достигается также за счет выполнения линз с возможностью перемещения, в частности, выполнения с возможностью перемещения мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента в составе менисков 3 и 4 в проекционном объективе (см. Фиг.1) подвижными. Отметим, что пятно рассеяния может быть больше размера пиксела приемника, но основная часть световой энергии (от 65 до 80% в зависимости от конкретного дифракционного предела) этого пятна должна быть сфокусирована на пикселе.
Новизна и фактор, влияющий на указанный технический результат, в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов по сравнению с прототипом заключаются в том, что линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.
В частности оптическая система характеризуется (см. Фиг.1):
- наличием объектива, строящего действительное промежуточное изображение, выполненного в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2;
- наличием первой и второй по ходу лучей линз проекционного объектива, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, образующих линзовый компонент;
- наличием третьей по ходу лучей линзы проекционного объектива, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5;
выполнения в объективе второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2 с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси;
- выполнением в проекционном объективе линзового компонента в составе первой и второй по ходу лучей линз, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, то есть менисков 3 и 4, с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси;
- наличием линз, для которых относительные оптические силы: в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59); в проекционном объективе: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, -(10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81); расстояние между линзами в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы; расстояние между второй и третьей линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.
В тепловизионных приборах для оптимизации фоновой нагрузки на охлаждаемый матричный фотоприемник в конструкции криостата используют охлаждаемую диафрагму (Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с., См. с.с.94-95). При этом наиболее оптимальной оптической системой для тепловизионного прибора является система, состоящая из объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, причем выходным зрачком является охлаждаемая диафрагма криостата. На фоточувствительную матрицу не попадают фоновые потоки от элементов конструкции оптической системы, что позволяет повысить температурную чувствительность тепловизионного прибора.
Реализация по данному принципу построения оптической системы тепловизионных приборов требует проведения совместного аберрационного расчета объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, с целью взаимной коррекции остаточных аберраций.
Кроме того, при использовании тепловизионных приборов в широком диапазоне температур окружающей среды возникает проблема компенсации термоаберраций в оптической системе, то есть компенсации влияния температурных воздействий на выходные характеристики фокусирующего узла. К таким характеристикам в первую очередь относятся фокусное расстояние и параметры кружка рассеяния. Известно, что показатели преломления большинства используемых в тепловидении преломляющих оптических материалов существенно меняются с изменением температуры в диапазоне земных температур (Ллойд Дж. Системы тепловидения. - М.: Мир, 1978 г., с.с.241-243). Многие тепловизионные системы работают в диапазоне температур от -40°С до +40°С, а в некоторых областях их применения пределы температур могут быть еще шире. В связи с этим возникает необходимость компенсации негативного влияния температурных воздействий на параметры элементов оптической системы тепловизионных приборов, обусловленного зависимостью показателя преломления и коэффициента линейного расширения от температуры.
Реализация оптимального сочетания оптических сил линз, формы линз и расположения их в оптической системе в результате обеспечивает в требуемом диапазоне температур окружающей среды достижение размера пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмеримого с размером пиксела приемника излучения. Реализация компенсации термоаберраций в оптической системе обеспечивает высокое качество изображения при изменении температуры окружающей среды и возможность расширения рабочего температурного диапазона.
Корригирование первичных аберраций широких пучков лучей (сферическая, кома), полевых аберраций (астигматизм, кривизна изображения, дисторсия), хроматических аберраций до величин, обеспечивающих размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, сопоставимый с размером дифракционного кружка рассеяния и размера пиксела приемника излучения, происходит, в частности, за счет выполнения объектива, строящего действительное промежуточное изображение, в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2, а также проекционного объектива в составе первой и второй по ходу лучей линз, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5, четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, обращенного вогнутостью к плоскости изображения, - мениска 6.
Термокомпенсация осуществляется, в частности, за счет выполнения в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2 подвижным и выполнения в проекционном объективе подвижного линзового компонента, состоящего из первой и второй по ходу лучей линз проекционного объектива, выполненных в виде отрицательного и положительного менисков, соответственно, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, при неподвижном фотоприемнике.
Оптическая система тепловизионных приборов (Фиг.1) в общем случае содержит последовательно расположенные по ходу лучей объектив, строящий действительное промежуточное изображение, проекционный объектив. Причем линзы объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива выполнены с возможностью перемещения до достижения взаимного расположения, при котором размер пятна рассеяния в плоскости приемника излучения, соизмерим с размером пиксела приемника излучения или сопоставим с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе.
Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, реализован в составе первого по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, - мениска 1 и второго отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, - мениска 2, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси. Проекционный объектив реализован в составе линзового компонента, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси из первой и второй по ходу лучей линз -соответственно, отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, - менисков 3 и 4, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой, - двояковыпуклой линзы 5, являющейся положительной, и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска, - мениска 6, обращенного вогнутостью к плоскости изображения.
Относительные оптические силы линз - в объективе, строящем действительное промежуточное изображение: первого по ходу лучей положительного мениска (мениск 1), обращенного выпуклостью к пространству предметов, и второго отрицательного мениска (мениск 2), обращенного выпуклостью к плоскости изображения, выполненного с возможностью осуществления перемещений вдоль оптической оси, равны, соответственно, (1,21÷1,23), -(0,57÷0,59). В проекционном объективе относительные оптические силы линз: первой и второй по ходу лучей линз, соответственно, отрицательного (мениск 3) и положительного (мениск 4) менисков, обращенных выпуклостями к плоскости изображения, третьей по ходу лучей линзы, выполненной двояковыпуклой (двояковыпуклая линза 5), и четвертой по ходу лучей положительной линзы, выполненной в виде мениска (мениск 6), обращенного вогнутостью к плоскости изображения, равны, соответственно, -(10,1÷10,14), (9,76÷9,92), (4,73÷4,8), (4,74÷4,81). Расстояние между линзами (мениском 1 и мениском 2) в объективе, строящем действительное промежуточное изображение, максимально равно 0,44 фокусного расстояния оптической системы. Расстояние между объективом, строящим действительное промежуточное изображение, и проекционным объективом (расстояние между мениском 2 и мениском 3 максимально равно 0,5 фокусного расстояния оптической системы. Расстояние между второй (мениск 4) и третьей (двояковыпуклой линзой 5) линзами проекционного объектива максимально равно 0,2 фокусного расстояния оптической системы.
Оптическая система снабжена действительным вынесенным выходным зрачком, функцию которого выполняет охлаждаемая диафрагма 8.
В объективе, строящем действительное промежуточное изображение, мениск 2, а в проекционном объективе линзовый компонент в составе мениска 3 и мениска 4 снабжены электромеханическими приводами. В качестве приводов используют шаговые двигатели серии MD 14 в количестве 2 шт.
⌀
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
В частном случае выполнения параметры оптической системы тепловизионных приборов с компенсацией аберраций представлены в Таблице 1 (см. Фиг.2). В верхней строке таблицы указаны: № пов. - номер поверхности; R - радиусы кривизны поверхностей; d - толщины линз и расстояния до следующего компонента по ходу лучей; O - световые диаметры поверхностей. В строках 13-17 Таблицы 1 приведены данные, относящиеся к элементам фотоприемного узла (в частности, криостата). Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, содержит два оптических элемента - мениски 1 и 2, выполненные, соответственно, из германия и селенида цинка, проекционный объектив содержит четыре оптических элемента - мениски 3 и 4, двояковыпуклая линза 5 и мениск 6; мениск 3 выполнен из селенида цинка, остальные элементы проекционного объектива- из германия (см. Фиг.2, Таблица 1). Все оптические элементы системы имеют сферические поверхности. Первый радиус кривизны мениска 1 составляет R=287,7 мм, толщина мениска 1 по оптической оси d=11 мм, второй радиус кривизны мениска 1 R=532,1 мм, величина воздушного промежутка между мениском 1 и мениском 2 по оптической оси d=104,1 мм. Первый радиус кривизны мениска 2 составляет R=-418,8 мм, толщина мениска 2 по оптической оси d=5,5 мм, второй радиус кривизны мениска 2 R=-1416 мм, величина воздушного промежутка между мениском 2 объектива и мениском 3 проекционного объектива по оптической оси d=121,31 мм. Первый радиус кривизны мениска 3 составляет R=-23,55 мм, толщина мениска 3 по оптической оси d=6 мм, второй радиус кривизны мениска 3 R=-85,174 мм, величина воздушного промежутка между мениском 3 и мениском 4 по оптической оси d=3,7 мм. Первый радиус кривизны мениска 4 составляет R=-30,827 мм, толщина мениска 4 по оптической оси d=6,1 мм, второй радиус кривизны мениска 4 R=-25,128 мм, величина воздушного промежутка между мениском 4 и двояковыпуклой линзой 5 по оптической оси d=46,95 мм. Первый радиус кривизны двояковыпуклой линзы 5 составляет R=238,812 мм, толщина двояковыпуклой линзы 5 по оптической оси d=6 мм, второй радиус кривизны двояковыпуклой линзы 5 R=-437,5 мм, величина воздушного промежутка между двояковыпуклой линзой 5 и мениском 6 по оптической оси d=2,2 мм. Первый радиус кривизны мениска 6 составляет R=26,03 мм, толщина мениска 6 по оптической оси d=2,7 мм, второй радиус кривизны мениска 6 R=28,84 мм.
12
13
14
15
14
16
17
16
15
18
17
Параметры элементов фотоприемного узла (в частности, криостата) имеют следующие значения (см. Фиг.2, Таблица I): величина воздушного промежутка между мениском 6 и входным окном криостата 7 по оптической оси составляет d=9,72 мм, радиусы кривизны первой и второй поверхностей входного окна криостата 7 составляют R=0 мм и R=o мм, толщина входного окна dia=1 мм. Входное окно криостата 7 выполнено из германия. Радиус кривизны охлаждаемой диафрагмы 8 R=0 мм, расстояние между входным окном криостата 7 и охлаждаемой диафрагмой 8 d=2,73 мм. Радиусы кривизны первой и второй поверхностей охлаждаемого фильтра 9 составляют R-0 мм и R=0 мм, толщина охлаждаемого фильтра 9 d=0,3 мм, расстояние между охлаждаемой диафрагмой 8 и охлаждаемым фильтром 9 d=19,13 мм. Охлаждаемый фильтр 9 выполнен из германия. Радиус кривизны плоскости изображения 10 R=0 мм, расстояние между охлаждаемым фильтром 9 и плоскостью изображения 10 (плоскостью фоточувствительных элементов) составляет d=0,57 мм.
Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов имеет следующие параметры:
фокусное расстояние: - 250 мм;
- относительное отверстие: 1:1,92;
- угловое поле в пространстве предметов: 2,77°;
- размер изображения (2y'): 12 мм;
- спектральный диапазон: 7,7-10,3 мкм;
длина системы вдоль оптической оси: 349,0 мм;
- расчетная масса всех компонентов, входящих в оптическую систему: 900 г.Предлагаемая оптическая система тепловизионных приборов работает следующим образом. Объектив, строящий действительное промежуточное изображение, включающий в себя положительный мениск 1 (см. Фиг.1) и отрицательный мениск 2, фокусирует инфракрасное излучение, поступающее от объекта наблюдения, и формирует действительное изображение в плоскости промежуточного изображения, а проекционный объектив, состоящий из отрицательного мениска 3, положительного мениска 4, двояковыпуклой линзы 5 и положительного мениска 6 проецирует промежуточное изображение в плоскость изображения 10 и, кроме того, компенсирует остаточные аберрации объектива, строящего действительное промежуточное изображение. При этом выходной зрачок оптической системы совпадает с охлаждаемой диафрагмой фотоприемного узла для устранения фонового излучения от элементов конструкции. Для осуществления компенсации термоаберраций при изменении температуры окружающей среды и согласования качества изображения с размером пиксела современного приемника излучения (то есть, обеспечения размера пятна рассеяния, соизмеримого с размером чувствительного элемента или сопоставимого с размером пиксела приемника излучения из расчета, что часть энергии по пятну регистрируемого излучения в зависимости от дифракционного предела, составляющая не менее от 65 до 80%, сфокусирована на пикселе) отрицательный мениск 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзовый компонент, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива, перемещаются в противоположных направлениях вдоль оптической оси, при этом фотоприемный узел остается неподвижным.
Для коррекции температурного влияния окружающей среды на элементы оптической системы тепловизионных приборов рассчитаны подвижки (см. Фиг.3 и Фиг.4) отрицательного мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и линзового компонента, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива. Расчет подвижек выполнен через 5°С в интервале температур от -50°С до +50°С. Диапазон величин подвижек отрицательного мениска 2 объектива, строящего действительное промежуточное изображение, составляет от 2,28 мм до -1,3 мм от точки номинального значения, соответствующей температурным условиям +20°С. Диапазон величин подвижек линзового компонента, в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 проекционного объектива, составляет от -2,64 мм до 0,8 мм от точки номинального значения, соответствующей температурным условиям +20°С. Перемещение отрицательного мениска 2 осуществляется в соответствии с графиком, представленным на Фиг.3, а перемещение линзового компонента в составе отрицательного мениска 3 и положительного мениска 4 - в соответствии с графиком, представленным на Фиг.4. Требуемые для компенсации термоаберраций перемещения указанных оптических элементов с заданной точностью обеспечиваются электромеханическими приводами.
Диапазон величин 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 величин изменения фокусного расстояния представлен в Таблице 2 (Фиг.5), график зависимости величины относительной погрешности фокусного расстояния от изменения температуры окружающей среды - на Фиг 6. Все полученные зависимости (Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.6) близки к линейным.
Качество изображения предлагаемой оптической системы оценивается с помощью параметров частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), функции рассеяния точки (ФРТ) и функции концентрации энергии (ФКЭ). Параметры ЧКХ, ФРТ и ФКЭ предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов в сравнении с дифракционно-ограниченной системой при температуре окружающей среды +20°С приведены на Фиг.7 -Фиг.10.
-1
-1
ЧКХ предлагаемой оптической системы в случае конструктивных параметров, указанных в Таблице 1 (см. Фиг.2), приведены на Фиг.7 и 8 для различных точек изображения. На Фиг.8 по оси ординат указаны коэффициенты передачи контраста в относительных единицах, по оси абсцисс - пространственные частоты в диапазоне от 0 до 50 мм, отнесенные к плоскости изображения оптической системы. Верхняя кривая на графике, приведенном на Фиг.8, соответствует дифракционной ЧКХ (обозначение «diff.limit»), остальные кривые - для различных точек изображения с координатами y' (0; 4,8 и 6 мм) в пределах рабочего углового поля для меридионального и сагиттального сечений (обозначение «Т» и «S», соответственно). Из приведенных кривых графиков следует, что коэффициенты передачи контраста для пространственной частоты 30 мм составляют для точки на оси 0,29, для точки изображения с координатой y'=4,8 мм - 0,29, для точки изображения с координатой y'=6 мм - 0,24 и 0,30, соответственно, для меридионального и сагиттального сечений, то есть близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,36.
На Фиг.9 для сравнения с идеальным качеством изображения показан кружок Эйри, величина диаметра которого указана в левом нижнем углу Фиг.9. Как видно из Фиг.9 кружок рассеяния вписывается в кружок Эйри, что свидетельствует о том, что качество изображения предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов близко к дифракционному пределу, а также согласуется с размером пикселя современных матричных приемников излучения.
На Фиг.10 приведены параметры ФКЭ предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов. По оси ординат указаны значения ФКЭ в относительных единицах, по оси абсцисс - значения радиуса пятна рассеяния, для которых рассчитана ФКЭ. Верхняя кривая на графике, приведенном на Фиг.10, соответствует дифракционной ФКЭ (обозначение «diff.limit»), остальные кривые - для различных точек изображения с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм. Значения ФКЭ в пятне радиусом 0,015 мм для точек с координатами у', равными: 0; 4,8 и 6 мм, составляют, соответственно, 0,65; 0,69 и 0,67, то есть близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,79.
В диапазоне температур от +20°С до +50°С при использовании предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов также сохраняется высокое качество изображения, близкое к дифракционному пределу. Для сравнения приведем данные о качестве изображения при температуре +50°С. Кружок рассеяния вписывается в кружок Эйри, что свидетельствует о том, что качество изображения, обеспечиваемого оптической системой тепловизионных приборов, остается близким к дифракционному пределу. ЧКХ для пространственной частоты 30 линий/мм для точки на оси составляет 0,30, для точки изображения с координатой y'=4,8 мм - 0,28 и 0,30 для меридионального и сагиттального сечений соответственно, для точки изображения с координатой y' - 6 мм - 0,26 и 0,31, то есть близки к значению коэффициента передачи контраста для указанной частоты в безаберрационной системе, равному 0,36. ФКЭ в пятне радиусом 0,015 мм для точек с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм, составляют, соответственно, 0,68; 0,70 и 0,72, то есть близки к соответствующему значению ФКЭ в безаберрационной системе, равному 0,79.
В диапазоне температур от 0°С до +20°С также сохраняется высокое качество изображения по всему полю зрения. Параметры ФРТ, ЧКХ и ФКЭ имеют высокие значения для точек изображения с координатами y', равными: 0; 4,8 и 6 мм.
В диапазоне температур от -50°С до 0°С для точек изображения с координатами у', равными 0 и 4,8 мм, сохраняется хорошее качество изображения, а для точки с изображения координатой y'=6 мм параметры ФРТ, ЧКХ и ФКЭ приобретают приемлемые значения.
Расчетные интегральные характеристики качества изображения, приведенные на Фиг.7-Фиг.10, свидетельствуют о высокой степени коррекции остаточных аберраций и термоаберраций в предлагаемой оптической системе тепловизионных приборов.
Особо следует отметить дополнительные преимущества, обеспечиваемые предлагаемой оптической системой тепловизионных приборов.
Во-первых, конструктивное решение предлагаемой оптической системы тепловизионных приборов, состоящей из объектива, строящего действительное промежуточное изображение, и проекционного объектива, позволяет использовать взаимозаменяемые линзовые компоненты в объективе для смены фокусного расстояния (поля зрения) без внесения конструктивных изменений в проекционный объектив.
Во-вторых, позволяет устанавливать калибровочные устройства в месте наименьших световых диаметров, а также устанавливать оптические элементы для микросканирования.
При использовании предлагаемой оптической системы в режиме микросканирования возможно получение эффективного формата матричного ФПУ (МФПУ), в два раза превосходящего исходный, что повышает разрешающую способность системы. Режим микросканирования позволяет снизить требования к МФПУ, то есть использовать МФПУ меньшего формата с большим периодом пикселов, а в отношении оптической системы -использовать объектив с меньшим фокусным расстоянием, что важно в связи со стремлением упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики, а также стоимость как МФПУ, так и тепловизионной системы в целом.