Разработка и исследование линзовых объективов для тепловизионных приборов

Развитие технологии тонкопленочных транзисторов и полупроводниковой технологии позволяет создать приемники теплового излучения нового поколения, имеющие тип матричных многоэлементных приемников. Количество элементов этих приемников достигает до ста тысяч пикселей и размеры чувствительных площадей до и даже более 25 мм. При этом требуется создание новых оптических систем с большими линейными и соответственно увеличенными до 25- 30 градусов угловыми полями.

Применение разработанных ранее для тепловизионных приборов зеркальных и зеркально-линзовых объективов исключено из-за того, что они не могут работать при угловых полях, превышающих порядка 6°. Такие объективы, описаны в следующих многографиях [1], [2] и [3]:

В справочнике [4] исследованы коррекционные возможности однои двух линзовых оптических систем для ИК области спектра, которые могут использоваться с одноэлементами или линейчатыми.

В многографии [5] представлены некоторые зеркальные и зеркально-линзовые объективы для ИК области спектра. В соответствии с приемниками 80-х годов 20-го века эти объективы работают при малых линейных угловых полях. Например, зеркальный телескоп Кассегрена с фокусным расстоянием f' = 300 мм, диаметром входного зрачка ?) = 175 мм, угловым полем 2у = 1,15 градусазеркально-линзовый телескоп Шмидта с фокусным расстоянием /' -100мм, относительным отверстием 1:2 и таким же угловым полеми.т.д.

Оптические схемы объективов для видимой области спектра не могут служить прототипами для тепловизионных объективов, поскольку материалы, прозрачные в дальней ИК области спектра, обладают оптическими константами (показателями преломления и дисперсиями) существенно отличающимися от таковых у материалов, используемых в видимой части спектра.

Известные по патентам и публикациям объективы для тепловизоров нового поколения, либо ещё не достигают необходимого качества изображения, угловых полей и относительных отверстий, либо содержат, в большинстве своем, менисковые линзы с толщинами, соизмеримыми с радиусами кривизны, что, объясняется необходимостью коррекции кривизны поверхности изображения и приводит к технологическим трудностям, вызванным жесткими допусками.

Таким образом все вышеперечисленные проблемы определяют актуальность работы настоящей диссертационной работы.

Цель работы:

Целью настоящей работы являются создание оригинальной и эффективной методики синтеза исходных оптических систем для расчета технологичных линзовых объективов тепловизионных приборов последнего' поколения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Обзор поколений тепловизионных приборов (ТВП) и типов соответствующих им объективов,.

2. Систематизация характеристик матричных приёмников ИК излучения,.

3. Разработка методики расчета линзовых объективов, работающих с выше перечисленными матричными приёмниками,.

4. Численный эксперимент: использование предлагаемой методики для расчета линзовых объективов с высоким качеством изображения,.

5. Оценка возможности изготовления полученных систем путем* анализа технологичности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследование возможности использования традиционных методов при расчете оптических систем для разработки тепловизионных объективов.

2. Разработка оригинальной и эффективной методики синтеза исходных систем для расчета линзовых объективов тепловизоров.

3. Впервые получены эмпирические формулы расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной плоскопараллельной пластиной.

4. Разработана новая оптическая схема спектроделения для ИК области спектра.

Практическая ценность работы:

1. Определен тип объективов для тепловизора третьего поколения — линзовые объективы с тонкими линзами.

2. Систематизированы диапазоны распределения размеров пикселей и размеров чувствительных площадок современных матричных приемников.

3. Разработана эффективная методика синтеза исходных систем для расчета линзовых объективов тепловизоров.

4. Выполнена оценка погрешности формул Г. Г. Слюсарева для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под углом 45° плоскопараллельной пластиной. Выведены эмпирические формулы расчета этих аберраций с погрешностью не более 5%.

5. Разработана новая спектроделительная оптическая схема для ИК области спектра и выполнен расчет компенсатора аберраций децентрировки.

6. Выполнены численные расчеты нескольких типовых линзовых объективов по предлагаемой методике.

7. Определены чувствительности полученных систем к малым изменениям конструктивных параметров (допускам).

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Эффективная методика для расчета тепловизионных линзовых объективов.

2. Эмпирические формулы для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под угол 45° плоскопараллельной пластиной.

3. Спектроделительная оптическая схема для дальней ИК области спектра и расчет компенсатор аберраций децентрировки.

4. Результаты практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров.

5. Численные результаты расчетов чувствительности полученных систем к малым изменениям конструктивных параметров, подтверждающие их высокую технологичность.

Структурно диссертационная работа состоит из четырех глав, вводного и заключительного раздела, а так же списка использованной литературы.

В первой главе представлен обзор поколений тепловизоров и типов соответствующих им объективов, а также перечислены работы, анализирующие расчет объективов для тепловизоров, и выбор типа объективов для ТВП последнего поколения.

Во второй главе рассмотрены: излучение температурных объектов, пропускание атмосферы для ИК лучей света, оптические материалы для работы в ИК области спектра, а также основы приема ИК излучения, основные характеристики приемников и критерий оценки качества тепловизионных объективов по характеристикам матричных приемников.

Третья глава посвящена анализу возможности использования традиционных оптических систем и методов их расчета для разработки тепловизионных объективов. На основе этого анализа разработана оригинальная эффективнаяметодика синтеза исходных систем для расчета линзовых тепловизионных объективов, базирующаяся на применении фундаментальных основ теории аберраций третьего порядка. В той же главе представлена спекроделительная оптическая система, предназначенная для тепловизоров, работающих одновременно в двух участках ИК спектра с различными приемниками.

Четвертая глава посвящена результатам практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров и их чувствительности к малым изменениям конструктивных параметров, подтверждающим их высокую технологичность.

Основные результаты и перспективы развития данной работы:

1. Разработана эффективная методика синтеза исходных линзовых ИК объективов, основанная на использовании усовершенствованного метода Г. Г. Слюсарева построения оптических систем из бесконечно тонких компонентов без асферических поверхностей для последующей оптимизации.

2. На примерах расчета семи объективов подтверждена эффективная разработанная методика.

3. Путем сравнения результатов расчетов чувствительности разработанных по предлагаемой и традиционной методиками показана, что разработанная методика обеспечивает получение оптических систем более устойчивых к погрешности изготовления.

4. Получены эмпирические формулы с достаточной точностью для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под угол 45° плоскопараллельной пластиной.

5. Предложена новая спектроделительная оптическая схема для дальней ИК области спектра и расчет компенсатор аберраций децентрировки.

6. Показаны результаты практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров и их чувствительности к малым изменениям конструктивных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.