автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка светосильных объективов малогабаритных оптико-электронных наблюдательных приборов

УДК 681.7:621.

На правах рукописи

Олейник Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СВЕТОСИЛЬНЫХ ОБЪЕКТИВОВ МАЛОГАБАРИТНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Ш.Р

Новосибирск - 2009

003463731

Работа выполнена на кафедре оптических приборов Сибирской государственной геодезической академии.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Хацевич Татьяна Николаевна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Бездидько Сергей Николаевич; кандидат технических наук Киселев Михаил Владимирович.

Ведущая организация - ФГУП ПО ЦКБ «Точприбор» (г. Новосибирск).

Защита состоится 19 марта 2009 г. в 14.30 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, Плахотного, 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 18 февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Симонова Г.В.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 16.02.2009. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая Усл. печ. л. 1,68. Уч.-изд. л. 0,90. Тираж 100. Заказ j

Редакционно-издателький отдел СГГА

Отпечатано в картопечатиой лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наибольшую часть информации об окружающем мире человек получает через зрение. Рациональное использование зрительных функций возможно только при условии достаточной освещенности. При неблагоприятных условиях наблюдения (ночь, дождь, снег, различные дымы, туманы и т. д.) возможности зрения резко ограничиваются. Для того, чтобы преодолеть эти ограничения, применяются специальные оптико-электронные приборы (ОЭП) - тепловизоры или приборы ночного видения (ПНВ), построенные на усилении слабых световых потоков, исходящих от исследуемого объекта или лежащих в области длин волн, недоступных прямому восприятию, с последующем преобразованием данного излучения в видимое.

Одним из основных узлов ОЭП является электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Для реализации всех потенциальных возможностей ЭОП по регистрации излучения необходима соответствующая оптическая система, способная формировать изображение объекта с высокими значениями частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). При отсутствии ограничений на количество оптических элементов можно создать оптическую систему, отличающуюся высоким качеством изображения, а комбинируя различные марки материалов, можно получить систему с исправленным хроматизмом, который, как известно, является одной из основных причин, препятствующих получению изображения высокого качества. Для видимой области составлены табли- 1

цы ахроматических пар, но для диапазона 0,6-0,9 мкм такие данные отсутствуют. Поэтому разработчик, обладая заданным набором марок материалов, вынужден тратить время на определение наилучшего их сочетания, а также оптимальных параметров линз, получающихся при этом.

При решении задач по обнаружению, опознаванию или идентификации объектов с использованием ОЭП характеристики оптической системы должны изменяться в течение коротких временных промежутков. Поэтому, при необходимости, объективы разрабатываются с возможностью изменения фокусного расстояния - дискретного или непрерывного. Расчет таких объективов намного сложнее, чем расчет обычных типов объективов, при этом возрастают число оптимизируемых параметров системы, ее масса и габариты, что является сильным ограничивающим фактором при разработке малогабаритных светосильных оптических систем.

При разработке светосильной оптики для малогабаритных ОЭП возникают вопросы выбора оптических материалов. После того, как выбор сделан, возникают вопросы, связанные с нахождением оптимальных параметров оптических компонентов из выбранных марок. Если поставлено требование по изменению фокусного расстояния, то возникают вопросы по обеспечению качества изображения при сохранении компактности системы и высокой светосилы. Решению этих вопросов и посвящена данная диссертация.

Целью диссертационной работы является разработка малогабаритных светосильных объективов оптико-электронных приборов, предназначенных для работы в спектральных интервалах 0,6-0,9 и 8-14 мкм.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

• из различных (более 500) сочетаний марок оптических стекол составлены и исследованы пять основных групп базовых двухлинзовых компонентов-ахроматов с исправленной сферической аберрацией, позволяющих увеличивать относительное отверстие объективов, работающих в спектральном диапазоне 600-900 нм;

• предложен способ определения требований к качеству изображения объектива на этапе проектирования ОЭП, основанный на допустимом снижении ЧКХ системы «ЭОП + объектив» по отношению к ЧКХ ЭОП;

• предложен новый способ компоновки светосильного линзового объектива с изменяемым фокусным расстоянием и сохранением постоянной величины заднего апертурного угла.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны оптические схемы светосильных объективов для малогабаритных оптико-электронных приборов, предназначенных для работы в спектральных интервалах 0,6-0,9 и 8-14 мкм.

На защиту выносятся:

• способ определения требований к качеству изображения объектива, основанный на оценке допустимого снижения ЧКХ системы «ЭОП + объектив»;

• группы двухлинзовых компонентов-ахроматов с исправленной сферической аберрацией, которые могут быть использованы в качестве базовых при разработке светосильных объективов в спектральном интервале 0,6-0,9 мкм;

• способ изменения фокусного расстояния в линзовой оптической системе с сохранением величины заднего апертурного угла;

• обоснование рациональности соотношения размеров кружка рассеяния объектива и светочувствительного пикселя приемника изображения;

• оригинальные оптические схемы светосильных объективов малогабаритных ОЭП, работающих в спектральных диапазонах 0,6-0,9 и 8-14 мкм;

• оригинальные оптические схемы светосильных объективов с переменным фокусным расстоянием, работающих в спектральном диапазоне 8-14 мкм.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались:

- на VI Международной конференции «Прикладная онтика-2004», С.-Петербург, 2004 г.;

- на VII Международной конференции «Прикладная оптика-2006», С.-Петербург, 2006 г.;

- на Международной конференции «ГЮ-Сибирь-2006», Новосибирск, 2006 г.;

- на Международной конференции «Фотоника-2008», Новосибирск, 2008 г.

Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, одна из которых - в издательстве из перечня, рекомендуемого ВАК, 6 статей в материалах международных конгрессов и конференций, 3 патента на изобретения. В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоял в проведении теоретических исследований и расчетов при разработке оптических систем объективов ОЭП.

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, три главы, заключение, библиографический список и приложения. Текстовая часть изложена на 164 страницах, иллюстрируется 79 рисунками и 8 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении из широкого спектра различных видов ОЭП выделено две группы приборов, основанных на принципах усиления слабых световых потоков, исходящих от исследуемого объекта или лежащих в области длин волн, недоступных прямому зрительному восприятию, с последующим преобразованием данного излучения в видимое. Показана актуальность создания оптических систем с улучшенными характеристиками оптической части, обоснована научная и практическая значимость данной проблемы, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, и описаны варианты практической реализации.

В первом разделе изложено современное состояние проблемы, проведен анализ существующих оптических систем малогабаритных ОЭП, предназначенных для работы в спектральных диапазонах 0,6-0,9 и 8-14 мкм, рассмотрена связь между ЧКХ современных ЭОП II-III поколений, системы формирования изображения и их совместное влияние на ЧКХ ОЭП в целом. Ретроспективный анализ оптических систем ПНВ показал, что, если в ранних моделях ПНВ качество изображения ограничивалось в основном малым пространственным разрешением применяемого ЭОП и оптическая система формирования изображения могла иметь величину разрешающей способности, сравнимую с величиной разрешающей способности ЭОП, то применение таких систем формирования изображения совместно с современными ЭОП II-III поколений ведет к значительному падению разрешающей способности ОЭП. Иными словами, для наиболее полного использования возможностей, предоставляемых ЭОП И-Ш поколений по обнаружению, опознаванию и идентификации объектов, необходима разработка соответствующих оптических систем формирования изображения, обладающих повышенными значениями коэффициентов передачи контраста в рабочем диапазоне пространственных частот современных ОЭП, а с целью максимизации дальности действия прибора - большой величиной фокусного расстояния объектива.

В случае необходимости изменение фокусного расстояния объектива осуществляется либо введением в систему дополнительных компонентов, либо перемещением группы линз вдоль оптической оси. Первый способ, при отсутствии ограничений на массогабаритные характеристики, предпочтителен в силу лучшей коррекции остаточных аберраций. Однако системы с вводимыми компонентами не позволяют создавать объективы с непрерывным изменением увеличения. Для реализации последнего применяется перемещение линзовых компонентов вдоль оптической оси. При расчете объективов для тепловизионных приборов необходимо дополнительно контролировать эффект нарцисса и применять меры для его уменьшения на протяжении всего интервала смены увеличений. Кроме того, для обеспечения одинаковых условий облучения всех пикселей в матричном фотоприемном устройстве (ФПУ) наиболее предпочтительным является телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.

Системы с переменным увеличением, независимо от способа его изменения, обладают повышенными массогабаритными характеристиками по сравнению с системами фиксированного поля зрения. Придавая асферические формы преломляющим

поверхностям, можно уменьшить общее количество элементов в системе. Наличие асферических поверхностей повышает стоимость, ухудшает технологичность и вынуждает искать решение задачи смены увеличения с применением одной лишь сферической оптики.

Выводы, сформулированные в разделе, обосновывают цели и задачи диссертационной работы, подтверждают ее актуальность.

Во втором разделе качественно проанализировано влияние внешних условий наблюдения (естественной ночной освещенности, коэффициента отражения подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы) на качество изображения пассивного ПНВ. Показано, что негативное влияние указанных факторов приводит к уменьшению контраста между объектом и фоном, а также к снижению освещенности изображения. Получен набор «базовых» двухлинзовых компонентов с относительным отверстием 1:3-1:2,5, ахроматизированных для спектрального интервала 0,6-0,9 мкм, которые могут служить основой для расчета светосильных объективов ПНВ, работающих с современными ЭОП II и III поколений. Выведены допустимые показатели качества, которые должен иметь объектив ПНВ в зависимости от требований к качеству изображения ОЭП и характеристик применяемого ЭОП.

Из приведенных в начале раздела рассуждений о роли 01фужающей среды в формировании качественного изображения пассивного ПНВ сделан вывод о том, что влияние внешних условий, состояния подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы, сводится, в конечном итоге, к двум основным факторам:

- уменьшению контраста между объектом и фоном;

- снижению освещенности изображения.

На рисунке 1 представлены графики ЧКХ двух объективов с различной степенью коррекции аберраций для случая абсолютного контраста между объектом и фоном (две верхних кривых). Ухудшение контраста между объектом и фоном с 1 до, например, 0,5 вызвано уменьшением контраста между объектом и фоном. В этом случае разрешающая способность системы «ЭОП + объектив» снижается с 40-50 мм'1 до 34-21 мм"1. Если же одновременно уменьшается и яркость изображения (например, при недостаточно большой величине относительного отверстия объектива), то глазу, для различения деталей, требуется большой уровень контрастности изображения и, следовательно, при повышенном пороговом контрасте разрешающая способность системы еще сильнее уменьшается (в данном случае до 7-12 мм"1).

П[чк1]ш* гаешш частой. tfliUlYlw

Этот пример иллюстрирует важность разработки объективов с максимально возможными значениями ЧКХ во всем рабочем диапазоне пространственных частот современных ЭОП II+, III и последующих поколений. Для того, чтобы определить минимально допустимые значения ЧКХ объектива при работе с конкретным типом ЭОП, необходимо исследовать взаимосвязь между ЧКХ системы «ЭОП + объектив» и ЧКХ самого о&ьектива.

ЧКХ системы «ЭОП + Объектив» Т(\')ЭОп+об. является результатом произведения ЧКХ ЭОП Т(У)э0п и ЧКХ объектива T(v>)o6. во всем диапазоне пространственных частот работы ЭОП от нуля до граничной частоты vrp:

Рисунок I - Влияние различных факторов на качество изображения ПНВ

ТМэоп«* ^ТМэопТМ^, при этом ЧКХ ЭОП можно описать следующей функцией:

тМэоп = ехР

(О

2 2 7t V

(2)

где а - параметр, зависящий от модели ЭОП; х - пространственная частота в плоскости фотокатода ЭОП.

Принимая, что при уровне передачи контраста Т (у)эоп = 0,1 разрешение большинства современных ЭОП составляет Уэоп = 50 мм"1, по формуле (2) вычисляется значение параметра а, и по полученным данным строится график ЧКХ ЭОП Т(у)эоп в диапазоне пространственных частот от 0 до 50 мм"' (рисунок 2). С целью определения допустимого падения разрешающей способности системы в целом на этот же график

наносятся кривые ЧКХ ПНВ Т(у)пнв, вычисленные по формуле (1) при разных значениях ЧКХ Т(у)ов объектива (рисунок 3).

В таблице 1 приведены числовые значения ЧКХ объектива Т(у)о6 , при

которых ЧКХ ПНВ Т(у)пнв

I

будет иметь значения от 0,9Т(у)эоп до 0,4Т(у)эоп- Величины Т(у)пнв < 0,4Т(у)эоп не представляют практического интереса из-за малого разрешения и низкого уровня контрастности изображения.

----I

^ Т<\>лНа = П'.Г< vj-.il т11,)пнв-«.я'1>-кл

"Г;1 I[ 1 —■■ 11 * 'I

10 15 20 25 30 35 40 45 Пространственная частота, ииад/'мм

Рисунок 2 - Графики Т(\')эоп и Т(у)шш

т(Л'),»ята0.9т(ч,ш1, ТМ^дачШи'Иш Т(у|г«дмП.ТП1-ь» ^уЬдиМКт-Щт ТС^ЧгчЛяО.эТ^^кв ВуыдмОЛТ.ч)!,™

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Пространственная частота, цикл/им

Рисунок 3 - Графики ЧКХ объектива Т(\')о6, обеспечивающие указанное снижение ЧКХ ПНВ

Таблица 1 - Значения Т(у)пнв при разных значениях Т(у)об

Т(у)пнв Т(у)о6.

10 мм"1 20 мм'1 30 мм"' 40 мм"' 50 мм"'

,0,9Т(у)эоп 0,98 0,91 0,82 0,70 0,60

0,Щу}МП 0,95 0,81 0,62 0,44 0,30

0,7Т(УЬоп 0,91 0,68 0,41 0,22 0,10

0,6Т(у)эоп 0,84 0,52 0,23 0,10 0,00

0,5Т(у)ЭОп 0,76 0,33 0,10 0,00 0,00

0,4Т(у)эоп 0,61 0,14 0,00 0,00 0,00

Таким образом определяются минимальные требования к ЧКХ объектива в диапазоне рабочих частот ЭОП, при достижении которых, для любого типа ЭОП общая ЧКХ системы будет иметь наперед заданное значение.

Анализ показывает, что большинство объективов ПНВ с малыми полями зрения построены по схеме Петцваля. Успех данной схемы стал возможным благодаря применению положительных ахроматизированных двухлинзовых склеек, создающих изображение с малыми аберрациями. Чем выше предельные характеристики данных склеек, тем выше, в итоге, качество изображения объектива.

Для определения предельных характеристик двухлинзовых компонентов-ахроматов с исправленной сферической аберрацией в данном разделе диссертационной работы по формулам

Ф = Ф +Ф2, Ф.=—^—Ф, Ф2 =--Ф, А8'=-ГР'"Р', (3)

У,-у2 У2-У, У,-У2

где Ф, Ф,, Ф2 - оптические силы объектива, первой и второй линз; VI и у2 - коэффициенты дисперсии в интервале 0,6-0,9 мкм первого и второго стекол соответственно; Дя' - вторичный спектр;/ - фокусное расстояние объектива; р - относительная частная дисперсия, были проведены расчеты двухлинзовых склеенных компонентов и компонентов с воздушным промежутком между линзами. При расчетах использованы российские марки оптических стекол. Общее число исследованных комбинаций - более 500. Полученные параметры двухлинзовых компонентов из различных комбинаций марок стекол разбиты на группы, в зависимости от соотношения средних и частных дисперсий материалов (рисунок 4), и систематизированы и табулированы в диссертационной работе. Для каждой из групп на втором этапе работы методом оптимизации определены наибольшие величины относительного отверстия. Оценка качества изображения проводилась для осевой точки изображения и в пределах малых угловых полей - до 2,5°. Для оценки качества изображения использован критерий Волосо-ва Д.С.: «объектив должен обладать возможно высокими коэффициентами передачи контрастов в пределах того диапазона частот, в котором он работает с данным приемником изображений», который согласуется с предложенным критерием по определению минимально допустимых значений коэффициента передачи контраста объектива в диапазоне рабочих частот ЭОП, необходимых для обеспечения заданного разрешения ПНВ.

Разность средних дисперсий Av

Рисунок 4 - Распределение исследованных базовых двухлинзовых компонентов по группам в зависимости от Ар и Av

К I группе отнесены пары оптических материалов, обладающие малой разностью относительных частных дисперсий Ар, в результате чего появляется возможность уменьшения вторичного спектра при разработке объектива, В эту группу входят 22 пары, составленные из следующих оптических материалов: OKI - БФ16, ОК2 -БФ27, OKI - БФ8, OKI - БФ25, OKI - ЛФ11, OKI - БФ32, OKI - ОФ7, OKI - ЛФ10, OK2 - ОФЗ, OK2 - ОФ8, OK2 - ОФ4, OKI - ЛФ12, OK2 - ЛФ5, OK2 - ЛФ7, OK2 -ОФ5, OKI - ТБФ9, OKI - ОФЗ, OKI - ОФ8, OKI - ОФ4, OKI - ЛФ5, OK2 - ЛФ5 и OKI - ОФ5. К сожалению, в перечисленных парах величина разности средних дисперсий Av применяемых материалов лежит в довольно узком промежутке от 30,1 до 37,9. Такой малый интервал разностей Av вызывает некоторые трудности при расчетах объективов с увеличенным относительным отверстием.

Наиболее многочисленные комбинации оптических материалов относятся к II — IV группам. Оптические пары групп II - IV могут иметь при большой разности частных относительных дисперсий Ар достаточно большую разность средних дисперсий Av. Применение таких пар при разработке двухлинзовых компонентов позволяет одновременно с уменьшением вторичного спектра повысить величину относительного отверстия. К таким относятся, например, следующие: JIK3 - СТФ11 (Ар = 0,05, Av = 52,5), ЛК8 - ТБФ14 (Ар = 0,05, Av = 42), СТК12 - СТФЗ (Ар = 0,06, Av = 38,7) и т. д.

Оптические пары V группы обладают большой разностью коэффициентов средней дисперсии Ду, что благоприятствует уменьшению кривизны преломляющих поверхностей, следовательно, и увеличению его относительного отверстия. В эту группу входит всего пять комбинаций: OKI - СТФ11, OKI - СТФЗ, ОК2 - СТФ11, ОК2 - СТФЗ и OKI - СТФ2. Недостатком этой группы является недостаточно малая величина разности относительных частных дисперсий Ар, которая не позволяет уменьшить хроматическую аберрацию положения в двухлинзовом склеенном объективе. При вводе дополнительного коррекционного параметра - радиуса кривизны преломляющей поверхности - за счет отказа от склеенности компонентов появляется возможность влияния на хроматическую аберрацию.

В формулу (3) входят величины Ф| и Ф2 оптических сил линз, пропорциональные разности кривизн их преломляющих поверхностей, при этом заданная разность кривизн может быть определена бесконечным множеством решений. Однако эта разность однозначно определяет величину сферической аберрации линзы. Комбинируя линзы с различным кривизнами р преломляющих поверхностей, разность Др между которыми строго задана, можно добиться в двухлинзовом объективе принципиального устранения сферической аберрации. Поэтому при составлении задания на оптимизацию двухлинзового объектива в любую из программ для автоматического проектирования оптических систем («Опал», «Zemax», «Oslo» и т. д.) включается пункт и об устранении сферической аберрации, а также, насколько это возможно, комы для получения апланатической коррекции.

В результате исследований указанных выше групп получен набор «базовых» двухлинзовых компонентов с относительным отверстием 1 :3-1 :2,5, ахроматизированных для спектрального интервала 0,6-0,9 мкм. Также выявлено следующее: наилучшие результаты получаются при компоновке по схеме «положительный крон - отрицательный флинтовый мениск»; первый элемент выполняет чисто силовую функцию и в большей степени определяет фокусное расстояние; толщина по оси коррек-ционно-силового мениска является мощным коррекционным параметром; выбор марок стекла имеег важное значение для проектирования форсированных по светосиле компонентов, при этом отсутствие необходимых оптических материалов можно, до определенной степени, компенсировать за счет изменения величины воздушного промежутка между линзами.

Рассчитанные двухлинзовые компоненты имеют хорошие характеристики в плане технологичности изготовления и в плане качества изображения, но в качестве самостоятельных оптических систем имеют ограниченное применение, прежде всего из-за малой величины углового поля в пространстве предметов и недостаточно высокого значения относительного отверстия. Наиболее рационально использовать такие компоненты в качестве базовых при компоновке более сложных систем объективов. Вместе с тем они могут выполнять и коррекционную функцию. Коррекции остаточных аберраций наиболее просто осуществляются в объективе с малой светосилой, то есть (в малогабаритных ЭОП с ограниченным диаметром входного зрачка) обладающем большим фокусным расстоянием. При использовании в качестве силового двухлинзовый компонент будет короткофокусным и его относительное отверстие будет большим. Если величина относительного отверстия не выходит за пределы О :/< 1 :2,5, то такой компонент легко рассчитывается по предлагаемой схеме с использованием результатов исследования, приведенных во втором разделе. Если величина относительного отверстия больше указанного предела, то двухлинзовый компонент нуждается в усложнении (путем добавления компонентов или применения асферических преломляющих поверхностей) с целью форсирования его оптических характеристик.

Третий раздел посвящен разработке светосильных объективов тепловизион-ных приборов, работающих в спектральном диапазоне 8-14 мкм. Первоначально рассмотрено влияние внешних условий среды, выбора рабочего спектрального поддиапазона, внутренних параметров приемника излучения и психофизиологических условий наблюдения на качество изображения. Определены условия оптимальности отношения размера единичного светочувствительного элемента (пикселя) приемника излучения к размеру пятна рассеяния, создаваемого объективом. Показано применение данного критерия при оценке качества изображения разработанных объективов. Предложена новая схема объектива с дискретной сменой фокусного расстояния при сохранении расстояния от последней преломляющей поверхности до плоскости изображения с одновременным выполнением условия постоянства линейных размеров оптической системы объектива.

Формирование итогового, результирующего изображения - это сложный процесс, зависящий от многих параметров, таких как условия наблюдения, собственные

шумы приемника излучения, эффект нарцисса, степень усталости оператора и т. д. Сложно учесть все факторы, но еще сложнее ими управлять с целью повышения качества изображения, так как многие из них являются внешними по отношению к прибору. Вышеназванные факторы в той или иной степени влияют на качество изображения.

Независимо от указанных факторов, размеру пятна рассеяния объектива уделяется первостепенное значение. Вместе с тем, размер пятна рассеяния должен быть согласован с размерами пикселя ФПУ. Допустим, что в пространстве объектов имеются два близкорасположенных источника некогерентного излучения. Оптическая система собирает поступающий от этих источников поток излучения и формирует на приемнике изображение. Предположим, что распределение освещенности в кружке рассеяния соответствует дифракционному. Падение интенсивности в изображении центральных максимумов двух источников составляет 5 %, т. е. изображения точечных источников имеют достаточный для обнаружения контраст с окружающим фоном. Наименьший возможный элемент, который можно распознать в изображении объекта, ограничивается размерами единичного пикселя. Оптическая система должна формировать такой кружок рассеяния, чтобы его размер был сравним с размером одной из сторон единичного пикселя приемника (рисунок 5, а) или равен размеру диагонали того же пикселя (рисунок 5, б). В первом случае все излучение концентрируется на приемнике, однако часть приемника (область, находящаяся в промежутке между границей единичного элемента и ¡-раницей сфокусированного излучения) при этом не

используется. Во втором случае используется вся поверхность приемника, но часть излучения попадает на соседние элементы.

Возьмем «единичный» элемент с размерами а = Ь = 1. Площадь кружка рассеяния Акр1 = 0,785. То есть около 20 % площади приемника не используется для поглощения излучения. Для второго случая диаметр кружка равен О = л/2 и, соответственно, площадь А|ф2 = 1,41. Концентрация энергии в

Рисунок 5 - Разные случаи соотношения размеров элемента ФПУ и кружка рассеяния: а) кружок рассеяния меньше элемента; б) кружок больше ¡элемента

пятне рассеяния зависит от «зоны» пятна, то есть основная часть излучения (более 80 %) расположена в узкой центральной части с постепенным убыванием энергии к краю кружка. Для практических расчетов целесообразно брать среднеквадратичное значение диаметра пятна рассеяния - размер пятна, в котором сосредоточено 68 % от всего распределения энергии. Дня данной ситуации среднеквадратичный размер пятна в первом случае будет 0,52 ед., а во втором - 1,1 ед. В первом случае освещенная площадь элемента еще сильнее уменьшилась, а во втором на соседние элементы пришлась та малая часть энергии, которая не в состоянии вызвать положительного сигнала на выходе приемника, зато основная часть излучения сконцентрировалась на всей поверхности центрального пикселя. Поэтому при разработке требований к объективу, работающему с ФПУ, в плане качества изображения следует учитывать, что величина кружка рассеяния объектива может превышать величину единичного элемента ФПУ без снижения разрешающей способности прибора в целом.

Исходя из допустимого соотношения размера кружка рассеяния объектива к размеру единичного элемента приемника, в рамках настоящей диссертационной работы были разработаны двух-, трех- и четырехлинзовые объективы, предназначенные для работы в тепловизионной аппаратуре, несколько вариантов которых представлено в таблице 3. Все объективы имеют одинаковое фокусное расстояние/ = 100 мм, но разные угловые поля в пространстве предметов, определяемые различными форматами приемника изображения. Величина относительного отверстия объективов изменяется в пределах от 1 : 1,5 до 1 : 1 (№ 2 -*■ 4), но может быть увеличена до 1 : 0,8 (№ 1) для отдельных объективов.

Если при наблюдении за объектом возникает потребность в изменении фокусного расстояния, то возможно изменение величины относительного отверстия, что во многих тепловизионных приборах недопустимо, так как при этом уменьшается дальность работы прибора и объект будет потерян.

В третьем разделе с целью упрощения конструкции и повышения технологичности изготовления предлагается новый способ расчета объективов с дискретным изменением фокусного расстояния за счет перемещения оптических элементов вдоль оптической оси, обеспечивающий стабильность относительного отверстия. Рассмотрим оптическую систему с фокусным расстоянием/1, обладающую оптимальной коррекцией аберраций и формирующую изображение высокого качества. Пусть задний

апертурный угол равен а'ь и в системе выполнено условие синусов. Если при смене фокусного расстояния сохранить на выходе системы ход апертурного луча без изменения, то положение плоскости изображения и качество изображения не изменятся. Равенство апертурпых углов а'ц = a'i обеспечивает постоянство величины относительного отверстия при смене фокусных расстояний, а величины последних удовлетворяют условию hi/fi = V/п = const (здесь h - высота апертурного луча на входном зрачке).

На рисунке 6 представлена отвечающая вышеназванным условиям параксиальная модель системы, состоящая из четырех компонентов 1-4. Внутренние компоненты 2 и 3 в положении, показанном на рисунке 6, а, образуют систему, эквивалентную плоскопараллельной пластине. При расчете реальной системы действие плоскопараллельной пластины используется для компенсации сферической аберрации внешних компонентов 1 и 4, выполняющих силовую роль. Подвижки компонентов 2 и 3 рассчитываются из условия постоянства положения точки F м - заднего фокуса системы компонентов 1-3. Во втором положении, показанном на рисунке 6, б, оптическая сила компонентов 1-3 совместно с компонентом 4 обеспечивает второе значение фокусного расстояния системы/п-

Рисунок 6 - Параксиальная модель объектива с дискретной сменой фокусного расстояния с использованием двух подвижных компонентов: а) фокусное расстояние />; б) фокусное расстояние /п

h,

11-Х

б)

Если в оптической системе предусматривается перемещение компонентов 2 и 3, то апер-турная диафрагма может быть выполнена с возможностью изменения своих размеров. Если же положение компонента 3 и размер диафрагмы зафиксированы, как на рисунке 7, то изменение фокусного расстояния осуществляется перемещением только компонента 2, что позво-

«I

■Г-

Рисунок 7 - Ход лучей в объективе с дискретной сменой фокусного расстояния

ляет реализовать четырехкомпонентную систему с одним внутренним перемещающимся компонентом.

Согласно представленной на рисунке 7 схеме, в тонких компонентах определяются оптические силы компонентов 1-4, величины перемещений и граничные значения воздушных промежутков при переходе от фокусного расстояния к фокусному расстоянию /ц. Длина системы и от первого до четвертого компонента постоянна при изменении фокусного расстояния и равна

(4)

где о*,.. - величина воздушных промежутков между элементами оптической системы.

Чтобы первый параксиальный луч в положении компонентов, соответствующих фокусному расстоянию , шел на выходе из системы по тому же пути, что и в положении, соответствующем фокусному расстоянию //, он должен упасть на последний компонент на той же высоте и под тем же углом, т. е. должно выполняться (/г4)п = (/г4)I и (а4)ц = (а4)1. Необходимым условием для этого является равенство высот падения первых параксиальных лучей на компоненте 3 в каждом из двух дискретных положений, что обеспечивается размещением апертурной диафрагмы между 3 и 4-м компонентами. Изменение фокусного расстояния происходит за счет изменения воздушного промежутка между компонентами 2 и 3.

В общем случае относительно расположения апертурной диафрагмы можно отметить следующее: в первом положении, соответствующем фокусному расстоянию /[', действие компонентов 2 и 3 эквивалентно действию плоскопараллельной пласти-

г

ны, и последние могут находиться в любом месте в промежутке между компонентами 1 и 4, т. е. область размещения апертурной диафрагмы ограничена величиной воздушного промежутка d. Величина последнего определяется по формуле оптической силы Ф| двухкомпонентной системы при известных значениях оптических сил компонентов Ф| и Ф4

ф, =ф, +Ф4-Ф1Ф4г/. (5)

При определении оптических сил компонентов 2 и 3 нужно учесть, что они равны по модулю и противоположны по знаку, угол падения лучей на второй компонент и угол преломления после третьего должны быть равны, главные лучи для фокусного расстояния /п и fx должны пересекаться на одной высоте на третьем компоненте, то есть

Ф3=-Ф2; =«;•, (М„=Ы- <6>

В таком случае эквивалентную оптическую силу Фи рассматриваемой системы во втором положении можно записать в виде:

фоб1Г = Ф] +ф4 -(Ф1Ф4 +ф1ф2<^2 ~

при этом отношение высот падения рассматриваемых лучей на первом компоненте пропорционально отношению фокусных расстояний системы:

h.-JL. (8)

h\\ f\\

Для начальных условий Ф! = 1; А, = 1; a'i = a'3 = Ф(; d\.2 ~d\+d2- const; (d2) 1 = 0 и (h2)i = (hj)i = 1 - с учетом выражений (6), (7) составлены следующие параметрические уравнения, связывающие оптические силы компонентов 2 и 3 и величину

воздушного промежутка (^2)11 межДУ ними с изменением высоты ka, падения апер-

турного луча на первый компонент во втором положении, а следовательно, согласно соотношению (8), - и с изменением фокусного расстояния оптической системы

^ = 1 - ¿,_2(Ф, + Ф3), (d2) = Jl^.j - 2) + -j- + Ф, +1 •

Ф3 Ф3

В таблице 2 приведены параметры объектива, включая общую длину L от первого компонента до плоскости изображения, для частного случая, когда фокусное расстояние первого компонента зафиксировано (равно 150 мм) и неизменно во всем диапазоне изменения фокусного расстояния объектива. На рисунке 8 показаны графики, иллюстрирующие для этого случая изменение оптических сил и диафрагмен-ных чисел компонентов в зависимости от перепада фокусных расстояний в объективе с относительным отверстием 1:1. Указанные оптические силы и диафрагменные числа обеспечивают размер изображения, равный 0,16Д. При этом их значения приведены относительно Ф|.

Таблица 2 - Параметры компонентов для различных перепадов фокусных расстояний

Я 4 Л di /з d3 Л eU L

100/50 150 100/79,3 -29,3 0/20,7 29,3 22,5 54,9 18,3 140

100/33 150 100/63,4 -31,7 0/36,6 31,7 19,6 60,7 20,2 140

100/25 150 100/50,0 -33,3 0/50,0 33,3 20,0 59,9 20,0 140

100/20 150 100/38,2 -34,5 0/61,8 34,5 20,2 59,6 19,8 140

100/16,6 150 100/27,3 -35,5 0/72,7 35,5 19,6 60,9 20,3 140

100/14,3 150 100/17,8 -36,3 0/82,2 36,3 19,6 60,8 20,3 140

100/12,5 150 100/8,7 -36,9 0/91,3 36,9 19,4 61,1 20,4 140

100/11,9 150 100/4,5 -37,2 0/95,5 37,2 19,3 61,4 20,5 140

100/10 150 100/0 -34,8 0/100 34,8 19,4 61,2 20,6 140

Перепад фокусных расстояний

t

1 i lili

123456789 10 Перепад фокусных расстояний

Рисунок 8 - Зависимость относительных оптических сил (а) и диафрагменных чисел (б) компонентов для различных перепадов фокусных расстояний в объективе с относительным отверстием 1:1

Анализ графиков на рисунке 8 позволяет судить о том, насколько сложной будет конструкция компонентов в зависимости от требуемого перепада фокусных расстояний объектива ////ц. Например, для 3-кратного перепада увеличений оптические силы и относительные отверстия соответственно составляют: для 1-го компонента - 0,7 и 1 :1; для 2-го компонента - 3,5 и 1 :0,85; для 3-го компонента - 3,5 и 1:1; для 4-го компонента - 1,6 и 1 :2. При расчете объективов для области спектра от 8 до 12 мкм компонент может быть выполнен в виде одиночной линзы, если его относительное отверстие менее 1:1. Однако, в случае если относительное отверстие нескольких компонентов близко к указанной величине, то для достижения качества изображения, близкого к дифракционному, требуется усложнение хотя бы одного компонента.

На основе предложенной параксиальной модели были разработаны светосильные объективы с дискретной сменой фокусного расстояния, осуществляемой при помощи одного или двух подвижных элементов. Объективы являются частью теплови-зионного комплекса и предназначены для построения изображений объектов на светочувствительной неохлаждаемой матрице.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Дан краткий аналитический обзор оптических систем малогабаритных ОЭП, проанализированы их оптические схемы и сформулированы общие требования к объективам ОЭП, работающим в инфракрасном спектральном диапазоне.

2. Предложено использовать для разработки светосильных объективов и светосильных объективов расширенных полей зрения базовые двухлинзовые компоненты-ахроматы, исправленные на сферическую аберрацию. Исследованы, систематизированы и табулированы комбинации оптических материалов, позволяющие получить базовые двухлинзовые компоненты, ахроматизированные в области спектра 0,6-0,9 мкм.

3. Предложен способ определения требований к качеству изображения объектива на этапе проектирования ОЭП, основанный на допустимом снижении ЧКХ системы «ЭОП + объектив» по отношению к ЧКХ ЭОП.

4. Исследование базовых компонентов-ахроматов позволяет рассчитать светосильные объективы ПНВ, что подтверждается конкретными примерами рассчитанных объективов.

5. Предложено рациональное, с точки зрения критерия «сложность конструкции / качество изображения», соотношение между размерами предельно допустимого пятна рассеяния объектива и светочувствительного пикселя приемника излучения.

6. Предложена схема построения объектива с изменяемым фокусным расстоянием и сохранением величины заднего апертурного угла На конкретных примерах показано применение данной схемы при разработке объективов в диапазоне 8-14 мкм.

7. Оригинальность разработанных в диссертационной работе оптических систем подтверждена тремя патентами на изобретения.

8. Полученные в работе результаты практически использованы при расчете светосильных объективов малогабаритных оптико-электронных наблюдательных приборов.

В приложениях приведены оптические лостоянные российского оптического стекла, рассчитанные для спектрального диапазона 0,6-4),9 мкм, конструктивные параметры и графики аберраций разработанных оптических систем и систем-прототипов, акты о внедрении разработанных систем на ряде предприятий, копии патентов на изобретения.

Разработанные объективы нашли следующее применение:

- объектив с полем зрения 2<а = 40° и относительным отверстием 1 : 1,15 принят в серийное производство для очков ночного видения, выпускаемых ОАО «Катод» (г. Новосибирск);

- светосильный объектив,, имеющий фокусное расстояние 205 мм, диаметр входного зрачка 100 мм, задний фокальный отрезок 16 мм и предназначенный для работы в ОЭП определения координат объекта в диапазоне 0,6-1 мкм, использован в Сибирской государственной геодезической академии при проведении поисковой НИР «Сеть - Геодезия», выполняемой в рамках Гособоронзаказа по Государственному контракту № 1262 от 20.05.02 г.;

- светосильный проекционный объектив с изменяемым линейным увеличением, работающий в спектральном диапазоне 0,83-0,96 мкм, предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОП III поколения, использован в производственной деятельности ООО «Импульс»;

-объективы с дискретной сменой увеличения, предназначенные для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8-14 мкм, фокусное расстояние которых изменяется в пределах / = 30-90 мм, / = 40-120 мм, / = 60-180 мм; четырехлинзовый светосильный объектив с вынесенным зрачком и промежуточным изображением, имеющий две асферические поверхности; светосильный панкратический объектив, фокусное расстояние которого изменяется в пределах / = 60-240 мм, предназначенный для работы совместно с матричными фотоприемниками в спектральном диапазоне 8-14 мкм, использованы в исследованиях и научно-технических разработках НФ ИФП СО РАН «КТИПМ».

Оптические схемы и основные характеристики разработанных объективов сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Разработанные объективы

D/f = 1 : 1.1 AX = 0,6 + 0,9 MKM 2to = 40° /'= 27,5 мм

D/f = 1 : 4,5 M = 0,46 + 0,63 MKM 2<a = 40° f=21,5 мм

D/f = 1:6 - 1:2 AX = 0,83 -i- 0,96 MKM 2y = 20 +104 мм /'=61,3-71,6 мм

D/f= 1 : 1,2 AX = 0,48 + 0,65 MKM 2w = 10° /'= 50 мм

D/f" 1 : 1,5 AX = 600 + 800 hm 2w = 18° /'= 162 мм

D/f" 1 : 1,2 ДХ = 8 + 12 MKM 2yr = 16 мм /'=60-180 мм

D/f - 1: 1 ДХ = 8 + 12 MKM 2y'= 8 мм /'= 20-40 мм

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Хацевич, Т.Н. Линзовые объективы высокого разрешения для приборов ночного видения / Т.Н. Хацевич, C.B. Олейник II Вестник СГГА. - 2003. - № 8. -С. 200-203.

2. Олейник, C.B. Линзовый объектив высокого разрешения для прибора ночного видения / C.B. Олейник, Т.Н. Хацевич // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика-2004». - 2004. - Т. 3. - С. 133-136.

3. Олейник, C.B. Нецентрированные зеркальные оптические системы / C.B. Олейник // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика-2004». -2004.-T. 1.-С. 115-118.

4. Олейник, C.B. Объективы с дискретной сменой фокусного расстояния с минимальным числом подвижных компонентов для инфракрасного диапазона / C.B. Олейник, Т.Н. Хацевич // Сборник трудов Международной конференции «Прикладная оп-тика-2006». - 2006. - Т. 1. - С. 198-202.

5. Михайлов, И.О. Предварительные результаты экспериментального исследования макета пассивной оптико-электронной системы определения координат кратковременных световых вспышек / И.О. Михайлов, C.B. Олейник, Г. А. Уставич, Т.Н. Хацевич, В.Б. Шлишевский, A.B. Гусаченко, Ю.Л. Кравченко,- Б.Н. Новгородов, Б.Н. Арутюнов, Н.Г. Богатыренко, A.M. Кучеров, Е.А. Платонова, А.Е. Прокофьев, А.Ю. Рахметулов // Сборник трудов Международной конференции «ГЕО-Сибирь-2006». - 2006. - Т. 4. - С. 28-31.

6. Олейник, C.B. Оптические системы с дискретной сменой поля зрения для работы с матричными фотоприемниками в диапазоне 8-12 мкм / C.B. Олейник, Т.Н. Хацевич // Сборник трудов Международной конференции «ГЕО-Сибирь-2006». -2006.-Т. 4.-С. 54-57.

7. Олейник, C.B. Высокосветосильный объектив для ПНВ / C.B. Олейник // Сборник трудов Международной конференции «ГЕО-Сибирь-2006». - 2006. - Т. 4. — С. 57-60.8. Олейник, C.B. Исследование двухлинзовых объективов-ахроматов как базовых элементов светосильных объективов приборов ночного видения / C.B. Олейник, Т.Н. Хацевич Н Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - № 1. - С. 64-66.

9. Пат. 2239855 Российская Федерация. Линзовый объектив / Хацевич Т.Н, Олейник C.B. -заявл. 26.12.2002 г.; опубл. 10.П.2004 г., Бюл. №31.

10. Пат. 2316797 Российская Федерация. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра / Олейник C.B. - заявл. 16.06.2006 г.; опубл. 10.02.2008 г., Бюл. № 4.

11. Пат. 2339983 Российская Федерация. Линзовый объектив с изменяемым фокусным расстоянием для работы в ИК-области спектра (варианты) / Олейник С.В, Ха-цевич Т.Н. - заявл. 16.06.2006 г.; опубл. 27.11.2008 г., Бюл. № 33.

Введение.

1. Краткий обзор светосильных объективов ОЭП.

1.1. Объективы ПИВ.

1.2. Объективы тепловизионных приборов.

Выводы по первой главе.

2. Разработка и исследование светосильных оптических систем, работающих в диапазоне 0,6 — 0,9 мкм.

2.1. Учет влияния внешних условий, состояния подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы при формировании изображения объекта на фотокатоде ЭОП.

2.2. Обоснование требований к ЧКХ объектива ПНВ.

2.3. Исследование базовых двухлинзовых схем ахроматических объективов с исправленной сферической аберрацией.

2.3.1. Развитие относительного отверстия объектива.

2.4. Экспериментальная проверка теоретических рассуждений.

Выводы по второй главе.

3. Разработка светосильных оптических систем, работающих в тепловизионных приборах.

3.1. Влияние внешних условий среды, спектрального диапазона работы, характеристик приемника излучения и условий наблюдения на качество изображения.

3.2. Согласование пятна рассеяния, создаваемого объективом с размерами пикселя матричного ФПУ в тепловизионных приборах «смотрящего» типа и оценка разработанных объективов.

3.3. Разработка объективов с переменным фокусным расстоянием.

Выводы по третьей главе.

Наибольшую часть информации об окружающем мире человек получает через зрение. Эта возможность вытекает из того фундаментального положения, что любой объект, имеющий температуру выше температуры абсолютного нуля, излучает в пространство энергию. Улавливая и преобразовывая эту энергию можно судить о протекании различных процессов, связанных с данным объектом. Наиболее естественным и удобным способом восприятия информации об объекте является визуальный способ. С помощью зрения человек может ориентироваться в пространстве, контролировать внешнюю и внутреннюю среду, исследовать и управлять различными процессами, происходящими в социальной и научно - технической сферах.

Однако, процесс активного восприятия информации с помощью зрения возможен только в довольно узком диапазоне электромагнитного излучения. Участок длин волн, доступный для непосредственного восприятия светочувствительными элементами сетчатки глаза человека без каких — либо промежуточных преобразований, лежит в границах от 0,380 до 0,76 мкм. Такие границы не случайны, ибо, нижняя граница солнечного излучения, достигающего земной поверхности лежит в области длин волн 0,29 мкм и приспособленность глаза к лучам с меньшей длиной волны ничем не обоснована. Более того, если бы рецепторов сетчатки достигало ультрафиолетовое излучение с длинами волн менее 0,38 мкм, то при долгом воздействии оно было бы способно вызвать ослепление, т.к. ультрафиолет вызывает разрушение органических веществ. С другой стороны, если бы сетчатка воспринимала более длинноволновое чем 0,76 мкм излучение, то под воздействием собственного излучения внутренней поверхности глаза человек был бы в буквальном смысле ослеплен, и как биологический вид не смог бы нормально функционировать в окружающем его мире. Таким образом, приспособленность человека к восприятию излучения с длинами волн 0,38 - 0,76 мкм биологически оправдана и отвечает требованиям по обеспечению его жизнедеятельности и, в то же время, согласованна с самым мощным источником излучения - Солнцем, до 50% излучения которого приходится на видимый диапазон.

К сожалению, рациональное использование зрительных функций возможно только при условии достаточной освещенности, т.е. в светлое время суток или при использовании внешнего источника подсветки. В темное время суток или при сложных условия наблюдения (дождь, снег, различные дымы и туманы и т.д.) возможности зрения резко ограничиваются. Для того, чтобы преодолеть эти ограничения, применяют различные виды оптико-электронных приборов (ОЭП), построенных на усилении слабых световых потоков, исходящих от исследуемого объекта или лежащих в области длин волн, недоступных прямому восприятию с последующим преобразованием данного излучения в видимое.

Первый класс приборов, выполняющих эту функцию — приборы ночного видения (ПНВ) - работают по отраженному от объекта свету Солнца и звезд. К другому классу относят тепловизизоры, воспринимающие собственное излучение объектов и также преобразующие его в форму, удобную для восприятия. Основным узлом прибора будь то тепловизор или прибор ночного видения является приемник изображения, исходя из параметров которого определяют возможные тактико-технические характеристики проектируемой системы. Применяемые до недавнего времени приемники обладали из-за несовершенства технологии изготовления не всегда достаточно высоким качеством изображения - низкой разрешающей способностью, малым отношением "сигнал / шум", а приемники тепловизионных приборов — большими размерами единичного элемента и т.д. От системы формирования изображения не требовалось качества, близкого к идеальному, так как приемник огрублял полученное изображение и совершенствование оптической системы не приносило результата, сопоставимого с затратами на такое улучшение.

Технологический скачок, наблюдаемый в настоящее время, привел к появлению приемников изображения, приближающихся по своим качественным характеристикам к предельно возможным. Теперь для того, чтобы в полной мере обеспечить выполнение заданных в техническом задании параметров, оптическая часть системы должна иметь максимально достижимые характеристики. Получается обратная ситуация — приемник в состоянии обеспечить качественное изображение, но система формирования изображения очень часто "не дотягивает" по своим характеристикам до нужного уровня. Такая парадоксальная ситуация складывается, по большей части из-за того, что разработчики оптических систем, зачастую поставленные в жесткие временные и финансовые рамки, не имеют возможности находить лучшее решение поставленной задачи и используют старые схемные решения, разработанные для приборов и систем, использующих приемники изображений предыдущих поколений. Применение, без существенной модернизации оптических систем объективов, работающих совместно с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) ранних поколений и формирующих изображение приемлемого качества практически не оправдывает себя, так как такие объективы получаются несогласованными по параметрам с современными ЭОП 11+ или III поколений. Более того, повышение разрешающей способности ЭОП III поколения до 75 мм"1 заставляет разрабатывать объективы с заведомо большим разрешением, т.к. итоговая разрешающая способность системы "объектив + ЭОП" зависит и от разрешающей способности объектива, и от ЭОП. И если разрешение объектива будет меньше чем разрешение ЭОП, то ОЭП, в конечном итоге, не сможет полностью использовать все те преимущества приемника, которые последний предоставляет.

Следует отметить что отечественные ЭОП пока уступают ЭОП зарубежных производителей по разрешающей способности. Следовательно, для того чтобы обеспечить одинаковое качество изображения объектив для работы с отечественным ЭОП должен соответствовать более жестким допускам, чем если бы применялся зарубежный.

Очень трудно получить систему, которая наилучшим образом удовлетворяла всем предъявляемым условиям. Основное требование, применяемое к оптической системе, заключается в создании объектива с большим относительным отверстием для того, чтобы приемник воспринимал как можно больший поток излучения от объекта, что очень важно в темное время суток или при сложных условиях наблюдения. Часто ставится требование по обеспечению относительно большого поля зрения системы. Для удовлетворения этим требованиям объектив должен иметь весьма внушительные размеры.

Известно, что при отсутствии ограничений на количество можно создать оптическую систему, отличающуюся высоким качеством изображения. Для малогабаритных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне спектра эти возможности ограничены: количество элементов должно быть минимальным, с целью снижения массы прибора; выбор необходимых марок материала затруднен особенностью преломления в ИК диапазоне или физико-химическими свойствами самого материала. Комбинируя различные марки материалов, можно получить систему с исправленным хроматизмом, который, как известно, является одной из основных причин, препятствующих получению изображения высокого качества. Для видимой области составлены таблицы ахроматических пар, но для работы в диапазоне 0,6 - 0,9 мкм (основная область работы большинства ПИВ) таких данных, к сожалению нет. Поэтому разработчик, обладая заданным набором марок материалов, вынужден тратить время на определение наилучшего их сочетания и определения оптимальных параметров линз, получающихся при этом. Данный процесс может занять довольно длительное время, что в условиях современного производства не всегда приемлемо.

Объективы для работы в ПНВ относятся к категории сверхсветосильных и поэтому влияние остаточных аберраций, снижающих качество изображения, здесь особенно заметно. Аберрации приводят к снижению четкости изображения, обеспечению которой придается гораздо большее значение, нежели другим оптическим характеристикам. Другим требованием является предел разрешения. Может показаться, что если объектив имеет высокое разрешение, то он обеспечивает хорошее качество изображения совместно с ЭОП. Однако, к объективам ПНВ это допущение не применимо - разрешающая способность и четкость должны рассматриваться как разные характеристики.

Высокосветосильные и сверхвысокосветосильные компактные оптические системы трудно рассчитать и еще труднее изготовить без существенного снижения качества изображения, неизбежного при массовом производстве таких объективов. Здесь следует заметить, что понятие "качество", примененное к оценке изображения не имеет однозначного толкования и носит, по большей части, субъективный характер, ориентированный на конкретный тип ОЭП. Известны критерии качества, основанные на критериях Рэлея, Штреля, Марешаля, на допустимых остаточных аберрациях и т.д. Наиболее полным на сегодняшний день является критерий, основанный на оценке оптической передаточной функции (ОПФ ил ЧКХ), при этом оптическая система представляется как фильтр пространственных частот и ее влияние на качество изображения может быть описано кривой пропускания этих частот. Ясно, что кривая пропускания пространственных частот оптической системой должна быть согласована с кривой восприятия тех же частот приемником. Также следует сказать (для частного случая), что сложно найти в литературных источниках опубликованные данные, в которых произведен анализ влиянии сферохроматической аберрации на качество изображения объективов, работающих в области спектра 0,6 — 0,9 мкм и были бы приведены данные, способствующие выбору материалов, уменьшающих влияние сферохроматизма.

При разработке объективов работающих совместно с матричными приемниками изображения в спектральном диапазоне 8-14 мкм нужно учитывать то, что собственное тепловое излучение механической и оптической частей объектива не должно влиять на распределение освещенности в плоскости изображения.

Современные тепловизоры являются сложными и дорогостоящими оптико-электронными системами. По сравнению с ПНВ пассивного типа тепловизоры обладают рядом достоинств, в частности: полной независимостью от уровня освещенности объекта, гораздо большей дальностью действия, безотказной работой в условиях слепящих засветок, возможностью обнаружения замаскированных транспортных средств и засад и т.д. Помимо военных целей тепловизионные методы наблюдения и контроля в настоящее все увереннее применяются для решения сугубо мирных задач: выявление различных патологических процессов в медицине, охране природы, обнаружению людей под завалами, контроля технологических процессов и дефектоскопии на производстве, неразру-шающего дистанционного контроля различных конструкций и сооружений и т.д. Список применения тепловизионных систем стремительно расширяется. Все это стало возможным благодаря тому, что на данном этапе развития техники появились технологии, позволяющие разрабатывать и производить приемники инфракрасного излучения, размеры и технические характеристики которых позволяют создавать малогабаритные приборы с высоким быстродействием и, зачастую, не нуждающиеся в охлаждении до глубоких криогенных температур. Благодаря разработке и применению матричных приемников ИК излучения стало возможным, в ряде случаев, отказаться от сканирующего устройства без потери качества изображения. Разрабатываются тепловые приемники ИК излучения основанные на различных принципах регистрации теплового излучения: собственные детекторы, примесные детекторы, фотоэмиссионные детекторы, детекторы с квантовыми ямами.

Для реализации всех потенциальных возможностей приемника по регистрации теплового излучения необходима соответствующая оптика. Как правило, большинство объективов, разрабатываемых для работы в тепловизионной аппаратуре имеют относительное отверстие от 1:1. Качество тепловизионного изображения принято оценивать по критерию Джонсона - числу пространственных периодов миры, укладывающихся в критический размер объекта, вдоль которого ведется анализ изображения. В зависимости от решаемой задачи число Джонсона изменяется от 6, что необходимо для обнаружения объекта в поле зрения прибора до 36 - для его идентификации. Отсюда можно определить разрешение, которое должна иметь система формирования-изображения.

Для решения задач по обнаружению, опознаванию или идентификации объекта от оптической системы требуются разные характеристики которые, однако, желательно изменять в течение коротких временных промежутков. Поэтому объективы тепловизоров стараются разрабатывать с возможностью смены увеличения - дискретного или непрерывного. Трудности при разработке таких объективов заключаются в сохранении постоянства величины относительного отверстия, стабильности качества изображения, сохранении приемлемых габаритов системы и обеспечении простой функции перемещения компонентов.

Расчет объективов со сменой увеличения намного сложнее, чем расчет обычных типов объективов, прежде всего из-за того, что для обеспечения качественного изображения при разных фокусных расстояниях требуется разное количество элементов, которые могут положительно влиять на качество при одном фокусном расстоянии, но при переходе к другому фокусу их влияние может стать отрицательным. Для того чтобы избежать подобного негативного влияния, смену увеличения можно проводить введением дополнительных элементов в ход пучка лучей в объективе, однако габариты получающейся при этом системы не позволяют создать компактный прибор.

Таким образом, очерчен круг проблем, с которыми сталкивается разработчик оптических систем при расчете светосильной оптики для ПНВ и тепло-визионных приборов. Решению этих вопросов и посвящена данная диссертация. Целью диссертационной работы является исследование и разработка светосильных объективов малогабаритных оптико-электронных наблюдательных приборов.

На защиту выносятся следующие научные и практические результаты работы.

Научные результаты работы:

- Исследованы базовые двухлинзовые компоненты с исправленной хроматической аберрацией, работающие в спектральном диапазоне 0,6 - 0,9 мкм. Составлена таблица двухлинзовых компонентов-ахроматов с исправленной сферической аберрацией и указанием оптических сил линз объектива.

- Предложен критерий оценки качества изображения объектива ПНВ в системе "объектив + ЭОП", исходя из качества ЭОП, заявленного изготовителем.

- Предложено рациональное, с точки зрения критерия «сложность конструкции / качество изображения», соотношение между размерами предельно допустимого пятна рассеяния объектива и светочувствительного пикселя приемника излучения.

- Разработаны оригинальные оптические схемы объективов с дискретной сменой фокусного расстояния с одним и двумя подвижными компонентами, обеспечивающие стабильность относительного отверстия, размера апертур-ной диафрагмы и длины объектива, а также телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Приведены варианты панкратических объективов.

Практические результаты работы:

Выполнены расчеты серии светосильных объективов для работы в современных ПНВ и тепловизионных приборах:

- базовых двухлинзовых компонентов, исправленных в отношении хроматической и сферической аберраций, и предназначенных для создания на их основе светосильных объективов ПНВ;

- светосильных объективов с величиной относительного отверстия от 1:1,4 до 1:1,2, предназначенных для формирования изображения на линейке светочувствительных элементов;

- светосильных объективов, в том числе с увеличенным полем зрения, предназначенных для работы в ПНВ и очках ночного видения;

- светосильные объективы с дискретной сменой увеличения, предназначенные для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8-14 мкм, фокусное расстояние которых изменяется в пределах/7 = 30 - 90 мм,/ = 40 - 120 мм,/ = 60-180 мм;

- двухкомпонентного четырехлинзового светосильного объектива с двумя асферическими поверхностями, вынесенным зрачком и промежуточным изображением, предназначенного для работы в тепловизионном приборе;

- светосильного панкратического объектива, фокусное расстояние которого изменяется от 60 до 240 мм, предназначенного для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8 — 14 мкм;

- группы базовых светосильных объективов с двумя, тремя и четырьмя оптическими элементами, предназначенных для создания на их основе систем с увеличенным полем зрения и/или относительным отверстием.

- светосильный проекционный объектив с изменяемым линейным увеличением, работающий в спектральном диапазоне 0,83-0,96 мкм, предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОПIII поколения.

Реализация результатов.

- объектив с полем зрения 2со = 40° и относительным отверстием D/f =1 : 1.15 запущен в серийное производство для очков ночного видения, выпускаемых ОАО "Катод" (г. Новосибирск)

- светосильный объектив с фокусным расстоянием 205 мм, диаметром входного зрачка 100 мм, задним фокальным отрезком 16 мм, предназначенный для работы в оптико-электронных приборах определения координат объекта в диапазоне 0,6-1 мкм использован в Сибирской государственной геодезической академии при проведении поисковой НИР «Сеть - Геодезия», выполняемой в рамках Гособоронзаказа НИЛ ПОЭСТ НИС СГГА по Государственному контракту № 1262 от 20.05.02г

- светосильный проекционный объектив с изменяемым полем зрения, работающий в спектральном диапазоне 0,83 — 0,96 мкм, предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОП III поколения использован в производственной деятельности ООО «Экран ФЭП»;

Акты о внедрении результатов диссертационной работы приведены в

Приложении В.

Основные выводы и результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Дан краткий аналитический обзор оптических систем малогабаритных ОЭП, проанализированы их оптические схемы и сформулированы общие требования к объективам ОЭП, работающим в инфракрасном спектральном диапазоне.

2. Предложено использовать для разработки светосильных объективов и светосильных объективов расширенных полей зрения базовые двухлинзовые компоненты-ахроматы, исправленные на сферическую аберрацию. Представлены комбинации оптических материалов, позволяющие получить базовые двухлинзовые компоненты, ахроматизированные в области спектра 0,60,9 мкм.

3. Предложен критерий оценки качества объектива, основанный на сравнении ЧКХ приемника изображения и допустимом ухудшении ЧКХ системы "объектив + приемник изображения".

4. Исследованные базовые компоненты-ахроматы позволяют рассчитать светосильные объективы ПНВ, что подтверждается конкретными примерами рассчитанных систем.

5. Предложено рациональное, с точки зрения критерия «сложность конструкции / качество изображения», соотношение между размерами предельно допустимого пятна рассеяния объектива и светочувствительного пикселя приемника излучения.

6. Предложена схема построения объектива с изменяемым фокусным расстоянием и сохранением величины заднего апертурного угла. На конкретных примерах показано применение данной схемы.

7. Оригинальность оптических систем подтверждена тремя патентами на изобретения.

Полученные в работе результаты практически использованы при расчете серии объективов и оптических систем малогабаритных наблюдательных ОЭП.

Разработанные объективы нашли следующее применение:

- объектив с полем зрения 2со = 40° и относительным отверстием 1:1.15 принят в серийное производство для очков ночного видения, выпускаемых ОАО "Катод" (г. Новосибирск);

- светосильный объектив, имеющий фокусное расстояние 205 мм, диаметр входного зрачка 100 мм, задний фокальный отрезок 16 мм, и предназначенный для работы в ОЭП определения координат объекта в диапазоне 0,6 -г-1 мкм, использован в Сибирской государственной геодезической академии при проведении поисковой НИР «Сеть - Геодезия», выполняемой в рамках Гособоронзаказа по Государственному контракту № 1262 от 20.05.02г;

- светосильный проекционный объектив с изменяемым полем зрения, работающий в спектральном диапазоне 0,83 - 0,96 мкм и предназначенный для контроля структуры GaAs фотокатода ЭОП III поколения, использован в производственной деятельности ООО «Экран ФЭП»;

- объективы с дискретной сменой увеличения, предназначенные для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8 — 14 мкм, и фокусное расстояние которых изменяется в пределах/7 =30 — 90 мм,f =40-120 мм, / =60- 180 мм; трехлинзовый светосильный объектива с вынесенным зрачком и промежуточным изображением и имеющий две асферические поверхности; один светосильный панкратический объектив, фокусное расстояние которого изменяется от 60 - 240 мм и предназначенный для работы совместно с матричным фотоприемником в спектральном диапазоне 8-14 мкм; двухкомпонентный четырехлинзовый объектив с вынесенным входным зрачком и оборачиванием изображения использованы в исследованиях и научно -технических разработках КТИПМ СО РАН при выполнении ОКР "Веко - 2", "Континенталь".

Оптические схемы и основные характеристики разработанных объективов сведены в таблицу 8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анитропова И.Л. Исследование и разработка методики расчета -особосветосильных объективов, в том числе и особосветосильных объективов с увеличенными полями зрения: Дисс. канд. техн. наук. Л., 1980. 154 с.

2. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М., Машиностроение, 1973. 488 с.

3. Волков В. Электонно оптические преобразователи для приборов ночного видения. - Электронные компоненты. - 2005. - №5. - с. 117.

4. Волков В.В., Луизов А.В., Овчинников Б.В., Травникова Н.П. Эргономика зрительной деятельности человека. Л., Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989.- 112 с.

5. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М., Искусство, 1971. 671 с.

6. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. М.: ООО "Недра Бизнесцентр". 1999. 286 с.

7. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. М., Мир, 1988. 416 с.

8. Дубовик А.С., Апенко М.И., Дурейко Г.В. и др. Прикладная оптика. М., Недра, 1982.-617 с.

9. Ю.Дж.Гудмен. Статистическая оптика: Пер. с англ. М., Мир, 1988. 528 с.

10. П.Грин X., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы. Л., Химия, 1972. - 428 с.

11. Гринкевич А.В. Оптические системы приборов ночного наблюдения — Оптический журнал, т. 66. - 1999. -№ 12. - с. 17.

12. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.Н. Теория оптических систем. М., Машиностроение, 1992. -448 с.

13. Иванов В.П., Бугаенко А.Г., Лукин А.В., Мельников А.Н., Морозов А.Е. Инфракрасные объективы тепловизионных приборов и лазерные средства измерений их параметров. Прикладная физика. - 2005. - №2. — с. 91.

14. Инфракрасные детекторы/А. Рогальский, Пер. с англ. под ред. А.В. Войце-ховского Новосибирск. РАН «Наука», 2002. — с.

15. Каплан В.Г., Липатов В.В., Яцык B.C. Экспериментальные исследования радиационных контрастов военнослужащих в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах электромагнитного спектра. Прикладная физика. - 2005. — №5.-с. 108.

16. Касацкий Ю.В., Олейник С.В. Сравнительный анализ качественных характеристик и технологических требований при изготовлении систем переноса изображения с экрана ЭОП для ПНВ с ВОП и без ВОП. Тезисы докладов XIX МНТК по фотоэлектронике и ПНВ. - 2006.

17. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Сов. радио, 1978.-400 с.

18. Лебедева Г.И. Перспективные аэрокосмические зеркальные объективы/ Г.И. Лебедева, А.А. Гарбуль. Оптический журнал. - 1994. - № 8. — С. 60.

19. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М., Мир, 1978. - 416 с.

20. Локтионов В.И., Един В.А., Кочмарев А.В., Касацкий Ю.В. Новые очки ночного видения на ЭОП с твистером. Прикладная физика. - 2006. - №5. - с. 70.

21. Локтионов В.И., Един В.А., Кочмарев А.В., Касацкий Ю.В. Широкоугольные очки ночного видения на основе нового поколения ЭОП с рабочим диаметром фотокатода 25 мм. — Прикладная физика. — 2006. №5. - с. 68.

22. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. Л.: Наука, 1979. 395 с.

23. Мешков В.В. Основы светотехники. М.- Л.: Госэнергоиздат, 1961.- 416 с.

24. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для вузов. Л., Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. -600 с.

25. Овсянников В.А., Филиппов B.JI. Согласование размеров кружка рассеяния объектива с элементом фотоприемного устройства тепловизионного прибора. Оптический журнал. — 2007. - № 1.-е. 77.

26. Олейник С.В. Нецентрированные зеркальные оптические системы Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика».- 2004. т.1

27. Олейник С.В., Хацевич Т.Н. Оптические системы с дискретной сменой поля зрения для работы с матричными фотоприемниками в диапазоне 8-12 мкм. Сборник трудов Международной конференции «ГЕО — Сибирь».- 2006. -т.4

28. Олейник С.В. Высокосветосильный объектив для ПНВ. Сборник трудов Международной конференции «ГЕО - Сибирь».- 2006. - т.4

29. Оптические системы для инфракрасной области спектра. Каталог. — ГИПО. — 1992.-103 с.

30. Патент РФ № 2154292 45 .Патент РФ № 215369146.Патент РФ № 218120847.Патент РФ № 2175774

31. Евразийский патент № 00056949.Патент РФ № 2252440

32. Певцов Е., Чернокожин В. Матричные ИК-приемники для малогабаритных тепловизионных камер. Электронные компоненты. - 2001. - №1. - с. 32.

33. Родионов С.А., JIano Л.М. Полихроматическая коррекция аберраций в осевой точке центрированных оптических систем. Оптико - мех. промышленность. - 1981 - № 3

34. Русинов М.М. Композиция нецентрированных оптических систем. Монография. СПб., ИТМО, 1995. 197с.

35. Русинов М.М. Техническая оптика. Л., Машиностроение, 1979. 488 с.

36. Семин В.А. К развитию методов расчета оптических систем. Прикладная физика. - 2004. - №2. - с. 108.

37. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л., Машиностроение, 1969.- 672 с.

38. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л., Машиностроение, 1975. 640 с.

39. Соул X. Электроннооптическое фотографирование. М., Воениздат, 1972. 404 с.

40. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М., Логос, 2004. 444 с.

41. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб, Наука, 2003. 474с.

42. Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М, Радио и связь, 1992. 400 с.

43. Ушакова М.Б. Зарубежные тепловизионные приборы первого, второго и третьего поколений. Часть 1. Прикладная физика. - 2004. - №4. - с. 70.

44. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М, Мир, 1972. 536 с.

45. Хацевич Т.Н., Олейник С.В. Линзовые объективы высокого разрешения для приборов ночного видения. Вестник СГГА. - 2003. - №8

46. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. М, Мир, 1990. 239 с.

47. Шехонин А.А, Родионов С.А. Алгоритм синтеза двухсклееного объектива на ЭВМ. — Изв. вузов. Приборостроение. 1981 - XXIII - № 11.

48. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М, Сов. радио, 1980.-392 с.

49. Ларцев И.Ю., Никитин M.C., Чеканова Г.В. Фотоэлектрические параметры КРТ фоторезисторов с термоэлектрическим охлаждением. Прикладная физика, 2003, № 4, с. 8089.Патент РФ № 231679790.Патент РФ № 2339983