Разработка и исследование линзовых объективов для тепловизионных приборов

На правах рукописи

ЧАН КУОК ТУАН РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 2008 1

Работа выполнена на кафедре Прикладной и компьютерной оптики факультета Оптико-информационных систем и технологий Санкт Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Грамматин Александр Пантелеймонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сокольский Михаил Наумович кандидат технических наук, доцент Лифшиц Ирина Леонидовна

Ведущая организация: НПК ГОИ им. С.И. Вавилова

Защита состоится 3 июня 2008 года в 15. 30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу:

Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.

Отзывы и замечания (в двух экземплярах) по автореферату направлять по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49, секретарю диссертационного совета Д.212.227.

Автореферат разослан мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227. Кандидат технических наук, доцент ь Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Тема работы является актуальной, поскольку использование матричных многоэлементных приемников для тепловизоров требует создания объективов с большими угловыми полями. Применение разработанных ранее для этой цели зеркальных и зеркально-линзовых объективов исключено, а 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, существенно отличающимися от таковых у материалов, используемых в видимой части спектра.

Известные по патентам и публикациям объективы для тепловизоров содержат, в большинстве своем, менисковые линзы с толщинами, соизмеримыми с радиусами кривизны, что приводит к технологическим трудностям, вызванным жесткими допусками. Разработанный в диссертации метод построения исходных систем объективов базируется исключительно на использовании линз малой толщины с относительно пологими радиусами, что обеспечивает высокую технологичность.

Данная работа служит для решения указанных проблем путем анализа особенностей оптических систем для дальней ИК области и возможности использования традиционных методов при расчете оптических систем для разработки линзовых тепловизионных объективов. На основе их разработана эффективная методика, ориентированная специально на расчет линзовых объективов для дальней ИК области спектра.

Цель работы:

Целью настоящей работы являются разработка оригинальной методики синтеза исходных оптических систем для расчета линзовых объективов тепловизионных приборов последнего поколения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) Выполнение обзора поколений ТВП и типов соответствующих им объективов, 2) Исследование типов и характеристик матричных приёмников ИК излучения, 3) Разработка методики для 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:

• Анализ типов объективов, соответствующих разным поколениям тепловизоров.

• Исследование возможности использования традиционных методов в расчете оптических систем для разработки тепловизионных объективов.

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

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

• Разработана новая оптическая схема спектроделения для ИК области спектра.

Достоверность результатов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, использованием обоснованных методов анализа и расчета, внутренней непротиворечивостью результатов исследования, а также численными экспериментами по практическому применению методики.

Практическая ценность работы:

• Определен тип объективов для тепловизора третьего поколения – линзовые объективы.

• Определены диапазоны распределения размеров пикселей и размеров чувствительных площадок современных матричных приемников.

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

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%.

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

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

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 Апробация основных результатов Материалы диссертации докладывались на следующих 4 международных и российских конференциях, совещаниях и симпозиумах: V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2007» (2007 г., Санкт Петербург);

IV Межвузовской конференции молодых учёных СПбГУ ИТМО 2007;

XXXVI научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО в 2007;

XXXVII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО в 2008.

Публикации Основные результаты диссертации изложены в 2 заявках на патенты и статьях в российских научных журналах и сборниках, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 50 наименований. Общий объем работы составляет 114 страниц, включая 50 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обзор литературы, обосновывается актуальность избранной темы, формулируются цель работы, ее задачи, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость, описывается структура диссертации.

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

Тепловизионные приборы (ТВП) классифицируются по поколениям:

первое, второе и третье.

ТВП первого поколения работают с одноэлементными приемниками или с приемниками в виде линейки с небольшим количеством элементов. Просмотр поля осуществляется за счет двухкоординатного сканирования. Поэтому у соответствующих объективов мгновенное поле – небольшое. Используются преимущественно зеркальные и зеркально- линзовые объективы.

ТВП второго поколения работают с приемниками в виде многоэлементных линеек, где число элементов достигает тысячи. Просмотр поля осуществляется за счет однокоординатного сканирования. Мгновенное поле объективов возрастает, но еще не достигает пределов, при которых применение зеркальных и зеркально- линзовых объективов исключено.

ТВП третьего поколения работают с матричными приемниками, обладающими числом пикселей до десяти тысяч. При этом в применении сканирования отпадает необходимость, но возникает необходимость использования объективов с существенно большими угловыми полями.

Требуемое угловое поле объектива тепловизора 2 достигает 250 и более, что определяется фокусным расстоянием и размером чувствительной площадки, диагональ которой, как правило, не превышает 25мм. Поэтому в ТВП третьего поколения применение зеркальных и зеркально-линзовых объективов, угловые поля которых 2 6о, исключено. Кроме того, в большинстве таких объективов имеет место центральное экранирование, сопровождающее падение КПК при средних пространственных частотах.

Во второй главе рассмотрены основы приема ИК излучения и основные характеристики приемников.

Каждый объект, имеющий температуру больше абсолютного нуля градуса, испускает излучение, которое называется тепловым. Энергия и характеристика спектра излучения зависят от температуры излучающего объекта. На рис.1 показан спектр теплового излучения абсолютно черного тела и нормального тела при температуре 2540°С. Отсюда видно, что объект испускает тепловое излучение с очень широким диапазоном спектра, от 0 мкм до более 50 мкм.

Рис.1. Спектр теплового излучения объекта Из закона смещения Вина следует, что длина волны, при которой имеет место максимум температурного излучения объекта max, обратно пропорционален температуре объекта.

max = ( мкм) (1), T где: Т – абсолютная температура объекта, измеряемая в кельвинах.

Следовательно, объект при температуре окружающей среды Т 290 К имеет максимум спектральной плотности потока излучения при макс 10 мкм.

На рис.2. показано спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников.

Рис.2. Спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников. 1 Излучение солнца, Т= 6000К;

2 Излучение черного тела при температуре окружающей среды Т = 290 К;

3- излучение черного тела при температуре Т = 77 К На рис.3. представлен спектральный коэффициент пропускания атмосферы для двух окон прозрачности атмосферы в ИК области спектра.

Рис 3. Спектральный коэффициент пропускания атмосферы Дальше в таб.1 и 2 показаны основные характеристики приемников ИК излучения: рабочий спектр, размеры элементов и размеры чувствительных площадей.

Таб.1. Некоторые современные приемники Наименова- Число Спектральный Чувствитель Компания Тип приемника ние прибора элементов диапазон ность Микроболометричес ООО Лучше 0.1оС IR510 и IR512 кая неохлаждаемая 320 х 240 8- 14 мкм "Прибор" матрица Фотодетектор на 20 мК при ThermaCAM 320 х 240 8 - 9 мкм основе GaAs SC3000 30°С ПЕРГАМ неохлаждаемый 0,08 °С при ThermoVision 320 х 240 7,5 – 13 мкм микроболометр A40-M 30 °С Фокальная матрица 0,12°С при FLIR ThermoVision (FPA), 7,5 – 13 мкм 160 x неохлаждаемый З0°С Systems A микроболометр Матрица в фокальной 80 мК при ThermaCAM плоскости (FPA), на 320 х 240 3 - 5 мкм GasFindIR 30°C основе антимонида индия InSb неохлаждаемой MIRICLE матрицей 640 х 480 7- 14 мкм 86 мК 307K Infrared Thermotek Cameras «MIRICLE 307K», nix неохлаждаемый MIRICLE 7- 14 мкм 384 x 288 50mK микроболометр 110K Sierra 0.1°C при Pacific PtSi: Platinum Silicide 3.6 - 5 мкм PD300 System 320 x Innovation hybrid silicon FPA 30°C s (США) Таб.2. Размеры пикселей и чувствительных площадей нескольких приемнов Размеры Размеры Наименование чувствительной Компания пикселей, прибора площади;

мм диагональ (мм) ООО IR510 и IR512 0.05 х 0.05 16 x 12;

"Прибор" Thermo Vision ПЕРГАМ 0.045 x 0.045 14.4 x 10.8;

A40-M 0.066 х 0. RAYTHEON Thermal Camera 21 x 16;

26. Thermo Vision FLIR Systems 0.045 x 0.045 7.2 x 5.4;

A MIRICLE 307K Thermoteknix 0.025 x 0.025 16 x 12;

Infrared Cameras MIRICLE 110K 0.025 x 0.025 9.6 x 7.2;

Sierra Pacific PD300 System 0.025 x 0.025 8 x 6.1;

Innovations (США) Для разработчиков оптических систем представляют интерес, в основном, три характеристики: первая - спектральный диапазон, вторая - диагональ кадра, определяющая линейное поле изображения и третья – размер пикселя а, ограничивающий пространственную частоту дискретизации fн (частоту Найквиста) по формуле (2):

(2) fH = 2a где: fH - пространственная частота (мм-1). Из таб.2 следует, что диапазон частот Найквиста находится в пределах от 8 мм-1 до 20 мм-1.

Практически установлено, что удовлетворительное качество изображения имеет место, когда коэффициент передачи контраста объектива тепловизора на частоте Найквиста fH больше или равен 0.5.

Третья глава посвящена анализу возможности использования традиционных оптических систем и методов их расчета для разработки тепловизионных объективов. На основе этого анализа разработана оригинальная методика 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 приборов, работающих в двух участках ИК спектра с различными приемниками..

В разделе 3.1 показан расчет энергии и габаритов оптических систем в тепловизионных приборах.

В разделе 3.2 представлен анализ возможностей использования метода Г.Г. Слюсарева и принципа Кириченко в расчете оптических систем для разработки тепловизионных объективов. На этой основе разработана методика синтеза исходных систем для расчета линзовых тепловизионных объективов.

Принцип Кириченко состоит в следующем:

Исходная система состоит из k тонких компонентов.

Габаритный расчет исходной системы производится таким образом, чтобы четвертая сумма Зейделя была равна нулю, i n = 0, (3) i i - оптическая сила компонента i- го, ni - показатель преломления.

Для каждого компонента выполняется исправление сферической аберрации и комы третьего порядка, Pi =, (4) Wi = Pi, Wi - внутренние параметры компонента i- го. Тогда оказывается, что кроме очевидных условий SI = SII = SIV = 0, и SIII = 0. При этом нет необходимости в составлении и решении уравнений, связывающих суммы Зейделя с конструктивными параметрами оптической системы.

Этот метод формирования исходной оптической системы был использован для расчета объективов микроскопа, работающих в видимой области спектра, где простейший компонент, обладающий свойствами (4), может быть реализован в виде склеенных линз. Для ИК области спектра использование таких компонентов недопустимо. Наиболее простым компонентом, где реализуется условие (4) в этом случае, как это следует из теории аберраций третьего порядка, может служить одиночная линза с одной асферической поверхностью второго порядка.

Однако проведенный численный эксперимент по расчету объективов для ИК области спектра показал, что деформация асферической поверхности при условии (4) оказывается, как правило, весьма малой.

Поэтому было выполнено исследование с целью определения зависимости величины P0 от линейного увеличения V для одиночных линз с одной асферической поверхностью при условии (4).

Результаты исследования представлены в таб.3.

Таб.3. Зависимость Ро от V для одиночных линз с одной асферической поверхностью Р Увеличение № ИКС V Ge Si ZnSe 1* 0 0.28 0.34 0.6 0. 1 -20 0.12 -0 0.03 0. 2 -10 0.05 -0.05 0.17 0. 3 -5 -0.04 -0.1 -0.03 -0. 4 -2 -0.13 -0.13 -0.09 -0. 5 -1 -0.16 -0.15 -0.18 -0. 6 -0.5 -0.11 -0.12 -0.13 -0. 7 0.25 0.28 0.27 0.24 0. 8 0.3 0.41 0.4 0.39 0. 9 0.4 0.68 0.65 0.55 0. 10 0.5 1.3 1.14 0.96 1. 11 0.75 6.1 5.47 4.79 5. 12 1.25 20.38 19.3 17.76 17. 13 1.5 5.42 4.97 4.48 4. 14 2 1.64 1.63 1.55 1. 15 2.5 1.02 0.91 0.83 0. 16 3.5 0.6 0.44 0.43 0. 17 4.5 0.31 0.31 0.31 0. 18 5 0.31 0.27 0.27 0. 19 10 0.17 0.09 0.11 0. 21 20 0.09 0.12 0.08 0. (В строке 1* - значения Р0 одиночных линз без асферических) Из таб.3 видно, что существуют некоторые диапазоны значений линейного увеличения V, где для выполнения условия (4) можно использовать линзы без асферической поверхности, так как в пределах этих интервалов значений V величины Pi и Wi одиночной линзы практически равны нулю.

Например, для линзы из германия при увеличениях от - 20 до 0.25, а так же в диапазоне от 4.5 до 20 соблюдается условие (4).

На основе этих результатов выведен принцип построения исходной системы для расчета линзовых тепловизионных объективов:

i) исходная система состоит из k тонких одиночных линз, ii) её габаритный расчет производится таким образом, чтобы четвертая сумма Зейделя была равна нулю, iii) все линейного увеличения всех линз должны находиться в допустимых пределах значений по таб.3, iv) каждая линза исправлена в отношении сферической аберрации и комы третьего порядка.

Практика расчета показала, что исходная система, построенная по этому принципу, обладает небольшими для исходных систем значениями аберраций третьего порядка и может использоваться для следующих этапов: ввода конечных толщин и выполнения коррекции с использованием автоматизированных программ проектирования оптических систем.

В разделе 3.3 представлена так называемая дополнительная методика расчета ИК объективов, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы.

Применим принцип Кириченко для расчета объектива типа триплет, где две первых линзы образуют телескопическую систему, как показано на рис.4.

а) б) Рис.4. Исходная система с особенными оптическими схемами, a) первая схема, которая дает S’ большое б) вторая схема, которая дает S’ маленькое Выполнение формулы (5) обеспечивает сумму оптических сил всех линз, равную нулю.

Г 1 = Г 2 = Г 1 (5), = Г Здесь: Г= |f1’/f2’| - увеличение телескопической системы, f1' - Фокусное расстояние первой линзы, f 2' - Фокусное расстояние второй линзы.

При необходимом угловом поле и диафрагменном числе для достижения условия (4) в исходных системах используются линзы с одной асферической поверхностью.

Дальше, выполнив замену первой асферической поверхности сферической поверхностью, осуществляется коррекция аберраций. Затем выполняется замена второй а потом третьей асферической поверхности.

Таким образом получаем объектив типа триплет без асферических поверхностей с высоким качеством изображения.

С целью повышения характеристик тепловизоров, что необходимо для работы с двумя различными диапазонами инфракрасной области спектра, в разделе 3.4 предложена спектроделительная оптическая система.

В традиционной схеме спектроделения (см. рис.5.а) наклонная пластина располагается в параллельном пучке. В этой схеме необходимы два отдельных объектива. При этом увеличивается габаритный размер прибора и увеличивается цена.

а) Традиционная схема б) Предлагаемая схема Рис.5. Оптическая схема спектроделения В предлагаемой схеме наклонная пластина располагается в сходящемся пучке лучей в пространстве изображения объектива. Тогда требуется только один объектив, но возникают аберрации децентрировки, вносимые пластиной.

Для исправления этих аберраций используется компенсатор 2.

Чтобы рассчитать компенсатор 2 необходимо определить аберрации децентрировки. Использование формул Г.Г. Слюсарева при наклоне пластины на угол 45° приводит к большим погрешностям, т. к. при их выводе использовалось разложение в ряд и они соответствуют аберрациям третьего порядка. Поэтому в диссертации были выполнены численные эксперименты, на основе которых были получены эмпирические формулы, базирующиеся непосредственно на результатах расчета хода лучей.

- Геометрическая кома k:

k = a0 d A 2,042, (6) где: а0- коэффициент, зависящий от показателя преломления n:

a0 = 0.017 n 3 + 0.193 n 2 0.804 n + 1.415, d - толщина пластины, А- числовая апертура в пространстве, где располагается пластина.

- Кома в волновой мере Wk:

d A3., (7) Wk = a где: a1 = 5.464 10 3 n 3 + 0.062 n 2 0.257 n + 0.45, - основная длина волны.

- Астигматизм в волновой мере Wa:

d A 2,, (8) Wa = a a 2 = 5.869 10 4 n 3 + 0.012 n 2 0.083 n + 0.241.

где:

- Хроматизм увеличения Y(2-1):

d a3, (9) Y (2 1) = где a3 = 0.271 n 2 1.06 n + 0.83, - число Аббе.

Астигматизм исправлен Принцип компенсации аберраций:

использованием линзы, содержащей цилиндрическую поверхность. Кома децентрировки компенсирована децентрировкой одной линзы компенсатора.

Компенсатор сначала был выбран как одиночная линза. Эта линза была исправлена на сферическую аберрацию и кому. Дальше она была разделена плоскостью на две части 1 и 2 (см. рис. 6).

Потом плоская поверхность линзы 1 была преобразована в цилиндрическую для компенсации астигматизма. Затем вторая поверхность линзы была перемещена перпендикулярно оптической оси для создания децентрировки, компенсирующей кому пластины.

Рис.6. Компенсатор аберраций В качестве примера представлены 2 следующих варианта компенсатора.

Заданные параметры: последний отрезок объектива S’ = 50 мм, числовая апертура в пространстве изображения объектива А’= 0.25.

Первый вариант, где пропускающий спектр пластины 3- 5 мкм.

Конструктивные параметры спектроделительной системы приведены в таб.4.

Таблица 4: Конструктивные параметры системы в первом примере Показатель Перемещения Радиус Световой преломления Толщина по оси У № пов кривизны Материал диаметр для относительно (мм) (мм) (мм) опт. оси (мм) = 4 мкм Воздух 1 0 18 1 40.5 Германий 2 0 2 4.0245 57.6 Воздух 3 0 13.043 1 56.7 Германий 4 191.716 2.8 4.0245 23.3 0. Цилиндр Воздух 5* 0.15 1 22.8 Германий 6 0 2.8 4.0245 22.6 Воздух 7 183.431 25.30 1 21.9 -0. Воздух 8 0 1 11 0. «*» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У) и следующее уравнение: x2 - 19908.86z + z2 = 0.

ЧКХ изображения в меридиональной и сагиттальной поверхностях первого варианта показаны на рис.7. По оси абсцисс отложена пространственная частота N мм-1, отнесенная к плоскости изображения, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста Т в относительных единицах.

Рис.7. Частотно- контрастная характеристика первого примера Второй вариант, где пропускающий спектр пластины 8- 14 мкм.

Конструктивные параметры спектроделительной системы выведены в таб.5.

Таблица 5: Конструктивные параметры системы второго примера Показатель Перемещения Радиус Световой преломления № Толщина по оси У кривизны Материал диаметр для пов относительно (мм) (мм) (мм) опт. оси (мм) = 10.6 мкм Воздух 1 0 20 1 35.84 Германий 2 0 3 4.004 48.7 Воздух 3 0 14.99 1 47.4 Германий 4 210.341 2.5 4.004 17.7 0. Цилиндр Воздух 5* 0.15 1 17.3 Германий 6 0 2.0 4.004 17.2 Воздух 7 205.97 13.2051 1 19.74 -1. Воздух 8 0 1 10.1 1. * - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У) и следующее уравнение: x2 - 3572.481z + z2 = 0.

ЧКХ изображения этого варианта показаны на рис.8.

Рис.8. Частотно- контрастная характеристика второго примера Четвертая глава посвящена результатам практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров и их чувствительностей к малым изменениям конструктивных параметров.

В разделе 4.1 представлены типовые объективы, исходные системы которых рассчитаны по предлагаемой методике. Первый из них является запатентованным объективом. Его характеристики: фокусное расстояние f’ = мм, диафрагменное число К = 1, угловое поле 2w = 25°, рабочий диапазон спектра 8 – 9 мкм. Он может работать с приемником на квантовых ямах типа QWIP и другими. Его оптическая схема показана на рис.9.

Рис.9. Оптическая схема запатентованного объектива Конструктивные параметры в таб.6.

Таб.6. Конструктивные параметры запатентованного объектива Показатель Радиус Толщина Световой прел. для Материал диаметр (мм) (мм) (мм) = 8.5мкм Кремний R1 = 108.070 d1 = 6.00 3.4182 D1 = 44. R2 = 378.616 d2 = 4.75 1.0 D2 = 44. Кремний R3 = -62.694 d3 = 3.0 3.4182 D3 = 43. R4 = -8626.426 d4 = 27.24 1.0 D4 = 43. Кремний R5 = -150.429 d5 = 7.5 3.4182 D5 = 65. R6 = -74.472 d6 = 0.1 1.0 D6 = 65. Кремний R7 = 61.998 d7 = 7.5 3.4182 D7 = 64. R8 = 82.702 D8 = 64. Его графики ЧКХ показаны на рис.10.

Рис.10. Графики ЧКХ запатентованного объектива На рис.11 представлены графики концентрации энергии.

Рис.11. Графики концентрации энергии Запатентованный объектив имеет контраст изображения порядка 0.5 при частоте 40 линий на миллиметр. Это значит, что он может работать с приемником с размером пикселя 12.5 мкм. Таких приемников пока нет, поэтому можно сказать, что этот объектив- перспективный.

Дальше представлены некоторые объективы типа триплет, которые чаще всего встречаются на практике.

Первый триплет (f’ = 40мм, К = 2, 2w = 20°), конструктивные параметры и оптическая схема которого показаны в таб.7 и на рис.12.

Таб.7. Конструктивные параметры Рис.12. Оптическая схема На рис.13 показаны его графики ЧКХ.

Рис.13. Графики ЧКХ первого триплет Второй триплет (f’ = 54мм, K = 2, 2w= 12°) Оптическая схема и графики ЧКХ показаны на рис.14. и 15.

Рис.14. Оптическая схема второго триплет Рис.15. Графики ЧКХ второго триплет В раздел 4.2 представлены типовые объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы, где две первых линзы образуют телескопическую систему.

Первый объектив, который имеет характеристики: f’ = 100 мм, K = 2;

2w = 20°. Его исходная система содержит три асферических поверхности и имеет оптическую схему на рис.16.

Рис.16. Оптическая схема исходной системы На рис.17 показаны графики ЧКХ исходной системы с тремя асферическими поверхностями.

Рис.17. Графики ЧКХ исходной системы Конструктивные параметры и графики КЧХ системы, полученной после замен асферических поверхностей сферическими поверхностями и выполнения коррекции аберраций, показаны в таб.8 и на рис.18.

Таб.8. Конструктивные параметры Рис.18. Графики ЧКХ Второй объектив, который имеет характеристики: f’ = 50мм, К = 2, 2w = 20°, рабочий диапазон 8- 14 мкм. В таб.9 и на рис.19 показаны его конструктивные параметры и графики ЧКХ.

Таб.9. Конструктивные параметры второго объектива Рис.19. Графики ЧКХ первого объектива В раздел 4.3 представлены численные расчеты чувствительностей полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров.

Запатентованный объектив.

В этой таблице столбец «№ фун» - это функции, характеризуют изменение значения волновых аберраций. Функции 1 и 2 соответствуют изменениям значения волновых аберраций для крайнего и зонного лучей осевого пучка.

Функции 3 6 – для крайнего и зонного лучей крайнего пучка.

Второй объектив: f’= 40, К = 2, 2w= 20° Третий объектив: f’= 54, K=2, 2w= 12° Четвертый объектив: f’=100, К = 2, 2w= 20° Пятый объектив f’ = 50, K= 2, 2w = 20° Из таблиц очевидно, что все суммарные изменения аберраций составляют нескольких сотых. Это показывает, что полученные объективы имеют высокую технологичность.

Кроме того для сравнения технологичности полученных объективов с объективами, рассчитанными другими методиками, ниже представлена чувствительность объектива ГОИ к малым изменениям его конструктивных параметров. Он имеет характеристики: f’= 40, К = 1, 2w= 25°. Его конструктивные параметры и чувствительность к малым изменениям конструктивных параметров показаны в нижних таблицах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении приведен обзор основных полученных результатов и следующие из них выводы:

1. Приведен обзор поколения тепловизионных приборов и указаны типы объективов, соответствующие каждому поколению.

2. Выполнено исследование характеристик излучения различных источников и спектрального пропускания атмосферы.

3. Выполнено исследование основных характеристик приемников ИК излучения и указаны диапазоны изменения размеров пикселей и чувствительных площадей современных матричных приемников.

4. Разработана методика расчета линзовых объективов для тепловизоров.

Численные эксперименты показали, что предлагаемая методика позволяет получить объективы с хорошим качеством изображения и высокой технологичностью.

5. Показано, что формулы профессора Г.Г. Слюсарева для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под углом 45° плоскопараллельной пластиной, имеют существенные погрешности. Выведены эмпирические формулы с достаточной точностью для расчета этих аберраций.

6. Предложена новая оптическая схема спектроделительной системы для тепловизионных приборов, работающих одновременно в двух диапазонах ИК области спектра. Выполнен расчет компенсатора аберраций децентрировки этой системы.

7. Выполнены численные расчеты нескольких типовых объективов по предполагаемой методике. Все полученные системы имеют высокое качество изображения и могут работать с реальными приемниками ИК излучения.

8. Выполнены численные расчеты чувствительности полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров (допускам), что подтверждает их высокую технологичность.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Заявка на патент. Светосильный объектив для тепловизора. Номер регистрации: 2006142127. Дата поступления: 28.11.2006.

2. Заявка на патент. Оптическая система спектроделителя для ИК- области спектра. Номер регистрации: 2007145791. Дата поступления: 10.12. 2007.

3. Чан К. Т., Грамматин А. П. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов // Оптический журнал. 2008. Т. 79.

№ 07. (http://www.opticjourn.ru/numbers.html?show=numbers).

4. Чан К. Т. Светосильный анастигматический объектив типа «Триплет» для ИК- области спектра. Сборник трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2007». СПб. 2007. С.290- 291.

5. Чан К. Т., Грамматин А. П. Спектроделительная оптическая система для приборов, работающих одновременно в двух различных областях ИК спектра // Научно-технический выпуск 43, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007.

С.54- 57.

6. Чан К. Т. Исследование влияния зазора в башмачной призме на качество изображения // Научно-технический выпуск 48, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 114- 116.

7. Чан К. Т., Грамматин А. П. Аберрации наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей. Доклад на XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО. 1- 2008.

8. Чан К. Т., Грамматин А. П. Методика построения исходных систем для тепловизионных объективов. Доклад на XXXVII научной и учебно методической конференции СПбГУ ИТМО. 1- 2008.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт–Петербург, Саблинская ул., Тел. (812) 233 4669 объем 1 п.л.

Тираж 100 экз.