автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование линзовых объективов для тепловизионных приборов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

ЧАНКУОКТУАН

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

003169708

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

Научный руководитель. 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- НПКГОИим СИ. 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 212 227.01

Автореферат разослан «__» мая 2008 г Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 227 01 Кандидат технических наук, доцент

Красавцев В М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Тема работы я в чается 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 обьективов 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 приемников ИК излучения,

3) Разработка методики для расчета линзовых объективов, работающих с выше перечисленными матричными приемниками,

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 лучен 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, пыноснмыс 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° нлоскопараллельной 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 ученых 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 5 статьях в российских научцых 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

ТВГ1 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

ТВГ1 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 2о достигает 25° 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 2а> < 6°, 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 О мкм до более 50 мкм

пег;-1-^-К 1 (мкм)

1 50

Рис 1 Спектр теплового излучения объекта

Из закона смещения Вина следует, что длина волны, при которой имеет

место максимум температурного излучения объекта Х™*, обратно

пропорционален температуре объекта

1 2898, , ,п

Км = -р-(л«ш) (1),

где Т - абсолютная температура объекта, измеряемая в кельвинах

Следовательно, объект при температуре окружающей среды Т « 290 К имеет максимум спектральной плотности потока излучения при >„„акс »10 мкм На рис 2 показано спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников

(X)

2540°с

Черное тело Нормальное тело

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 спекгр, размеры элементов и размеры чувствительных

площадей

___ Таб 1 Некоторые современные приемники

Компания Наименование прибора Тип приемника Число элементов Спектральный диапазон 4} nciBine.i ь-ность

ООО "Прибор" IR5I0 и ГЯ512 Микроболометричес кая неохлаждаемая матрица 320 х 240 8- 14 мкм Лучше 0 1°С

ПЕРГАМ ThermaCAM SC3000 Фотодетектор на основе ваАз 320 х 240 8 - 9 мкм 20 мК при 30°С

Thermovision А40-М неохлаждаемый микроболометр 320 х 240 7,5 - 13 мкм 0,08 °С при 30 °С

FLIR Systems Thermovision А20 Фокальная матрица (ИРА), неохлаждаемый микроболометр 160 х 120 7,5-13 мкм 0,12°С при 30°С

4-<1-1

0 5 10 за

Длина еолныХ мкм

ThermaCAM GasFmdIR Матрица в фокальной плоскости (FPA), на основе антимонида индия InSb 320 X 240 3-5 MKM 80 мК при 30°C

Thermotek nix MIRICLE 307K Infrared Cameras неохлаждаемой матрицей «MIRICLE 307К», 640 X 480 7- 14 MKM 86 MI<

MIRICLE I10K неохлаждаемый микроболочетр 384x288 7-14 MKM < 50mK

Sierra Pacific Innovation s (США) PD300 System PtSi Platinum Silicide hybnd silicon FPA 320 X 244 3 6-5 MKM <0 1°C при 30°C

Таб 2 Размеры пикселей и чувствительных площадей нескольких приемное

Компания Наименование прибора Размеры пикселей, мм PajMepbi чувствительной площади, диагональ (мм)

ООО "Прибор" IR510 и IR512 005x005 16 х 12,20

ПЕРГАМ Thermo Vision A40-M 0 045 x 0 045 14 4 х 10 8, 18

RAYTHEON Thermal Camera 0 066 x 0 066 21x16,26 4

FLIR Systems Thermo Vision A20 0 045 x 0 045 7 2 х 5 4,9

Thermotekmx MIRICLE 307K Infrared Cameras 0 025 x 0 025 16 х 12, 20

MIRICLE 11 OK 0 025 x 0 025 9 6x 7 2, 12

Sierra Pacific Innovations (США) PD300 System 0 025 x 0 025 8x6 1,10

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 /„ (частоту Найквиста) по формуле (2)

2 а

где /н - пространственная частота (мм1) Из таб2 следует, чю диапазон частот Найквиста находится в пределах от 8 мм"' до 20 мм"1

Практически установлено, что удовлетворительное качество изображения имеет место, когда коэффициент передачи контраста объектива тепловизора на частоте Найквиста/ц 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 сишеза исходных систем для расчета линзовых тепловизионных объективов Принцип Кириченко состоит в следующем Исходная система состоит из ¿тонких компонентов Габаритный расчет исходной системы производится таким образом, чтобы четвертая сумма Зейделя была равна нулю,

<р, - оптическая сила компонента г- го, п, - показатель преломления Для каждого компонента выполняется исправление сферической аберрации и комы третьего порядка,

Р,, IV, - внутренние параметры компонента /- го Тогда оказывается, что кроме очевидных условий ^ = 8'ц = = 0, и вщ = 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

(3)

(4)

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 Р0 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

№ Увеличение V Ро

Ge Si ZnSe ИКС29

1* 0 0 28 0 34 06 0 52

1 -20 0 12 -0 0 03 0 06

2 -10 0 05 -0 05 0 17 0 02

3 -5 -0 04 -0 1 -0 03 -0 03

4 -2 -0 13 -0 13 -0 09 -0 10

5 -1 -0 16 -0 15 -0 18 -0 23

6 -0 5 -0 11 -0 12 -0 13 -0 14

7 0 25 0 28 0 27 0 24 0 24

8 03 041 0.4 0 39 041

9 04 0 68 0 65 0 55 0 56

10 05 1.3 1 14 0 96 10

11 0 75 6 1 5 47 4 79 5 17

12 125 20 38 19 3 17 76 17.9

13 1 5 5 42 4 97 4 48 47

14 2 1 64 1 63 1 55 1 5

15 25 1 02 0 91 0 83 09

16 35 06 0 44 0 43 0 45

17 45 031 031 0 31 03

18 5 031 0 27 0 27 0 28

19 10 0 17 0 09 0 11 02

21 20 0 09 0 12 0 08 0 14

(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 Р1 и 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

1) исходная система состоит из к тонких одиночных линз, п) ее габаритный расчет производится таким образом, чтобы четвертая сумма Зейделя была равна нулю,

ш) 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

V

а) б)

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

Ф/

Г-1 = -Г <р,

(5),

Здесь Г= 1/1'//2'! ■ увеличение телескопической системы, /, - Фокусное расстояние первой линзы, /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 цена

увеличивается габаритный размер прибора и

/ \ Объектив 1

Обьектив2

//

V

Объектив

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 коюрых были получены эмпирические формулы, базирующиеся непосредственно на результатах расчета хода лучей

- Геометрическая кома &

8*=а0х</ А2'042, где а<г коэффициент, зависящий от показателя преломления п ад = -0017 л3+0 193 и2 -0 804 и + 1415,

<1 - толщина пластины, Л- числовая апергура в пространстве, где располагается пластина

- Кома в волновой мере IV/

Л /I3018

, (7)

где а{ = -5 464 10"3 и3 + 0 062 п2 - 0 257 п + 0 45, Я- основная длина ВОЛНЫ

- Астигматизм в волновой мере Ша

с? л2-023

(8)

где о2 =-5 869 КГ4 л3+ 0012 я2-0083 « + 0241

- Хроматизм увеличения 7(2-1)

У(2-1) = -в3, (9)

V

где а3 =0 271 и2-106 л+083, V-число Аббе

Принцип компенсации аберраций Астигматизм исправлен использованием линзы, содержащей цилиндрическую поверхность Кома децентрировки компенсирована децентрировкой одной линзы компенсатора

Компенсатор сначала был выбран как одиночная линза. Эга линза была исправлена на сферическую аберрацию и кому Дальше она была разделена -| 2 плоскостью на две части 1 и 2 (см рис 6) рг-тп Потом плоская поверхность линзы 1 была

I , | 7 преобразована в цилиндрическую для компенсации |.. I астигматизма Затем вторая поверхность линзы 2

~ 1 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 Б' = 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

№ пов Радиус кривизны (мм) Толщина (мм) Материал Показатель преломления для к = 4 мкм Световой диаметр (мм) Перемещения по оси У относительно опт оси (мм)

1 0 18 Воздух 1 40 5 0

2 0 2 Германий 4 0245 57 6 0

3 0 13.043 Воздух 1 56.7 0

4 191.716 2.8 Германий 4.0245 23.3 0.251

5* Цилиндр 0.15 Воздух 1 22.8 0

6 0 2.8 Германий 4.0245 22.6 0

7 183.431 25.30 Воздух 1 21.9 -0.53

8 0 Воздух 1 11 0.753

«*» - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У) и следующее уравнение: х2 - 19908.86г + г2 - 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.

0.3. 0.8

0.6. 0.5

0.4. Ч 0.4

0.2. 0.2

п 10 Р0Щ п ^ 1)30 о ю РШ НТ 3 ' '13а а но * р;Т['^Т' 1 ' ' '|зо

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

№ пов Радиус кривизны (мм) Толщина (мм) Материал Показатель преломления для X = 10.6 мкм Световой диаметр (мм) Перемещения по оси У относительно опт. оси (мм)

1 0 20 Воздух 1 35.84 0

2 0 3 Германий 4.004 48.7 0

3 0 14.99 Воздух 1 47.4 0

4 210.341 2.5 Германий 4.004 17.7 0.381

5* Цилиндр 0.15 Воздух 1 17.3 0

6 0 2.0 Германий 4.004 17.2 0

7 205.97 13.2051 Воздух I 19.74 -1.5683

8 0 Воздух 1 10.1 1.949

0.3.

о.в.

0.4. 0,2.

:-; т

* - Цилиндрическая поверхность имеет образующую, параллельную вертикали (оси У) и следующее уравнение: х2 - 3572.4817 + г2 = 0. ЧКХ изображения этого варианта показаны на рис.8.

0.8. 0.6_ (М_ 0.2_

1Е. 0.8. 0.6. 0.1. 0.2.

0.8 0.6 0.4. 0.1

О 5

50 А 5

-1-!-1-Г"

50 0 5

—I—I—1—*

ч 50

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/' = 38 мм, диафрагменное число К = 1, угловое поле 2м> = 25°, рабочий диапазон спектра 8-9 мкм. Он может работать с приемником на квантовых ямах типа <3\У1Р и другими. Его оптическая схема показана на рис.9.

\ 1 \ / \

/ \

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

Таб.6. Конструктивные параметры запатентованного объектива

Радиус (мм) Толщина (мм) Материал Показатель прел, для Х= 8.5мкм Световой диаметр (мм)

Я, = 108.070 а, = 6.00 Кремний 3.4182 Ц, =44.52

Я2 = 378.616 а2=4.75 1.0 О, = 44.52

К3 = -62.694 <13=3.0 Кремний 3.4182 Вз = 43.26

Я4 =-8626.426 сЦ= 27.24 1.0 04 = 43.26

Я5 =-150.429 4 = 7.5 Кремний 3.4182 05 = 65.45

= -74.472 4=0.1 1.0 06 = 65.45

[<7-61.998 7.5 Кремний 3.4182 Б, = 64.36

Я8 = 82.702. 08 = 64.36

Его графики ЧКХ показаны на рис. 10.

14«

0.8. 0.6. 0.4. 0,7.

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

1_ШГТ 3.00 ВЕС

а.10 оео

еа.Ешв

ЙЯОГиг РСОМ СЕМ7Е010 1Ы МИСКОЙ

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 (/ — 40мм, К = 2,2\м = 20°), конструктивные параметры и оптическая схема которого показаны в таб.7 и на рис.12.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРУ

« МАРКИ ПОКАЗА!. СВЕТОВЫЕ

пов РИДИУСЫ 0 СТЕКОЛ ПРЕПОМП. ДИАМЕТРЫ

1.000000

1 24.949 3.30 Г ЕРМЯНМЙ 4.002026 20.81

2 32.108 8.93 1 0000Й0 19.32

э 346.755 2.50 ГЕРМАНИЙ 4.002026 15.74

4 29.569 3.39 1.000008 15.23

240.556 3.30 ГЕРМАНИЙ 4.802026 18.52

6 56.373 1.030088 19.01

г

24.33

21.42

Таб. 7. Конструктивные параметры На рис. 13 показаны его графики ЧКХ.

Ши 1 -

-'01

-1-Г"

МТ '3

Рис. 12. Оптическая схема

o.a. 0.6. оч 0.2_

^50 Л 5

Рис. 13. Гоафики ЧКХ первого триплет Второй триплет (/ = 54мм, 2, 2и>= 12°)

Оптическая схема и графики ЧКХ показаны на рис.14, и 15.

„.--ДА-

П 5

"■¡т^т о и о 5 pnifij Я 50 О В P0JJ"

Рис. 15. Гоафики 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: /' = 100 мм, К= 2; 2м> = 20°. Его исходная система содержит три асферических поверхности и имеет оптическую схему на рис. 16.

Рис. 16. Оптическая исходной системы

схема

На рис. 17 показаны графики ЧКХ исходной системы с тремя

асферическими поверхностями.

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 КОНСТРУКТИВНЫЕ ПЯРЯМЕТРЫ

« МАРКИ покязят. СВЕТОВЫЕ

пов РАДИУСЫ 0 СТЕКОЛ ПРЕПОНА. ДИАМЕТРЫ

1.000000

1 58.820 4.00 ГЕРМАНИЙ 4.002026 52.18

2 82.042 21.02 1.000000 50.92

3 204,319 2.50 ГЕРМАНИЙ 4.002026 39.94

4 59.533 15.00 1.000000 38.53

5 440.444 4.00 ГЕРМАНИЙ 4.002026 51.66

6 -196.513 1.000000 51.88

1, 1-

л 0

С С. ч 0 5_

0 4. 0 4_

О 1 о г.

Рис 18 Графики ЧКХ Второй объектив, который имеет характеристики /' = 50мм, К =2,2ю = 20°, рабочий диапазон 8- 14 мкм В таб9 и на рис 19 показаны его конструктивные параметры и графики ЧКХ

Таб 9 Конструктивные параметры второго объектива КОНСТРУКТИВНиС ПАРАМЕТРЫ

й МПРКИ ПОКЛЗПТ СВЕТОВЫЕ

ПОВ РАДИУСЫ 0 СТЕКОЛ ПРЕЛОМЛ ДИАМЕТРЫ

1 000000

1 -28 228 1 21 ГЕРМАНИИ 4 002826 28 40

2 -30 892 24 82 1 800000 29 41

3 -85 319 3 64 ГЕРМАНИИ 4 002026 35 35

4 -67 351 3 64 1 000060 36 64

5 76 21/ 3 64 1 ЕРМЛНИИ 4 002026 37 25

6 100 998 1 000000 36 19

1Е. N 1. 1-,

0 3. 0 8. 0 8. \

0 8. 0 6. о е.

0 11 4. * 0 1 *

0 2. \ 0 2. \ 0 1

О 5

50 0 5

,5

а д 5

Г СГГ

В раздел 4.3

Рис 19 Графики ЧКХ первого объектива представлены численные расчеты чувствительностей

полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров

Запатентованный объектив

ДОВЕРИТЕЛЬ! ШЕ ИНТЕРВАЛУ 0 К0Т0ГЫК НАХОДЯТСЯ С мадгеостьо 99 75 % СНМИПРНЫЕ ИЗНЕЖИЛ) "КЛ'КЦНЙ

м

ФЦН I

Н пров С I скоп

II) .0200 004Ь С149 0081 0098 0459

1; 21 3! 4! 51 б!

.'ПРИ око ¡-О 01№0

о

(2!

0177 .0040 .0107 0071

ооаз

0350

Н(0! (3)

0037 ,0003 0044 0022 0019 0087

Н(1)

(4!

.0000 0000

,0000 оосо 0000 оооо

ПОДГОНКА"

ПРОБ СТ ]

' 1Ь! I

0141 ;

.0032 !

! 0137 :

! 00Ь8 ;

! 0091 1

; .0355 I

I

(2МЬ)

0226 0051 0174 0098 0123 0439

сит 1

0304 ¡1

собэ;.

0234'!

0130

0)53:,

0633|| --------+

ПРИ

до-о 01

!ПРИ Ш(0)!ПРИ 04(1) .точность» ¡-о ооог ¡~о 00002 1 кольло

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 40, К= 2, 2и>= 20°

доверительна интервалы

N R проб D ! N(0) N(l) ПОДГОНКА 1 !

«чн СТРКОП i ПРОЬ СТ !

(1) (2! m из (5) '2)•Î5) ' СЧНМЛ

1 0038 0109 0012 0800 0101 0148 8154

2 8008 0024 ! 0003 0000 0023 0033 1 0034

3 0185 05J1 0033 0000 0321 0604 063?

4 0069 0182 ; 0oi2 0000 0116 0216 ! 0227

5 0010 0035 1 0002 ОО00 О0?1 0841 i 0042

6 0815 0081 1 000b 0000 0055 0098 0899

ПРИ DR0 ПРИ ¡ПРИ DNÎ0Ï¡ПРИ DN(1) ТОЧНОСТЬ»

--Q 01Ш Д0-~0 01 I--0 0002 -0 00002 1 КОЛЬЦО

Третий объектив /= 54, К=2, 2м>= 12°

ДОВЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕГВППЫ

" .............. I.

H R проб D N(0) Nil) 1 ПОДГОНКА

ФЧН CTPKOfl iПРОБ СТ

(1) (2) <3) (4) i (5) (2)45) СШ4НЙ

1 0013 0023 0002 0000 0026 0034 0037

2 0003 0085 0800 0000 ! 000$ 0008 0009

3 0269 047 Î 006° 0000 ! 0489 0679 0729

4 0129 0232 0031 0000 i 0242 0335 0360

Ь 0151 0267 0037 0000 1 0281 0387 0417

6 031'. 0549 0076 0000 | 0581 8800 08S3

ПРИ DR0 ПРИ ПРИ DN(0) ПРИ DNÎ1Î ТОЧНОСТЬ-

-0 0URO Ш-0 01 -0 0002 -0 00002 и КОЛЬЦО

Четвертый объектив /=100, К= 2, 2к~ 20°

ДОВЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ С ВЕРОЯТНОСТЬЮ 99 75 / СЧИМПРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВДШКЦИИ

, н i r проб ; о ; н(о) ПС X) ПОДГОНКИ |

1*ун стекоп ! ПРОЬ СТ

( (1) (2) (3) U) (Ь) <2ЫЬ) СЧ,4ЧЙ '

i 0123 0145 , 0031 О0ОО 01Р6 0180 0220,

2 0028 0032 0007 0000 0024 0040 0049,

З1 0484 0572 : 0036 ОИ00 0311 0651 0816'

1 4! 0169 0190 1 0029 0000 0105 0217 02/6

1 î> 0009 0042 , 0002 0003 0089 8043 0044 1

, 6 0033 0109 1 ООН 0000 0038 0116 3l?ll

i ПРИ DR0 ПРИ 'ПРИ DNC0) ПРИ 0Н(1) ТОЧНОСТЬ-

f =0 0r.R0 да=о 81 1=0 0002 =0 00002 1 кольцо

Пятый объектив/' = 50, К= 2, 2IV = 20°

ДОВЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ В КОТОРЫХ НЛН0ЦЯIС Я С ВЕР0Я1НОС ГЬЮ 93 7Ь

N

¡»ун| !

з! V ' Ь'

б'

R проб сгекол (1) 00/9 8018 6045 0024 00/2 0243

D

(2) 0151 0035 0086 0047 0132 0452

.ПРИ DR0 '~0 OIS'RO

ПРИ

ÛD=0 81

N(0)

!Э) 8085 0001 0004 0002 0083 0010

ПРИ DN{0)

=0 0002

Н(1)

(4) 0003 0000 0000 8000 0000 0000

СиММЙРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

подгонкл:

ПРОБ СТ

(5)

8074 0017 0045 0025 0059 0207

ПРИ DH(l)1ТОЧНОСТЬ-=0 00032 ¡1 КОЛЬЦО

(2)45) 0168 0038 0097 0053 0144 0497

РУНКЦИИ

СЬИМП 0186 0043 0107 0059 0161 0553

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- /'= 40, К = 1, 225° Его конструктивные параметры и чувствительность к малым изменениям конструктивных параметров показаны в нижних таблицах

н I пов|

1'

21

41 5! 6\ 7> 8| 9

РПШЧСН

74 735 110 639 -30 129 -35 573 46 119 63 690 000 000 060

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ | «ЯРКИ ' ПОКПЗАТ О | СТЕКОЛ ! ПРЕЛОМИ 1 000000 4 002356 1 000009 4 002356 1 000000 4 602356 1 ОООООО 4 002356 1 000000 1 000008

4 001 ГЕРМАНИИ! 18 40■ !

7 00|ГЕРМАНИИ! 24 80' |

8 00'ГЕРМАНИИ]

7 98; | 1 60 ГЕРМАНИИ!

8 36

СВЕТОВЫЕ! ДИЛМСТРЫ!

I

41 311 40 36' 38 621 45 29 40 32 35 88 28 80 28 36 17 45

ДОБЕРИГЕЛЬНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ В К0ГШШ НйлОДНТСЯ С ВЕР0ЯIН0С1Ы0 99 75

м 1? проб 0 N¡0) иш ПОДГОНКА

»ин стскол ПРОЬ С1 !

(1) !2) (3) (4) (5) <2)-(Ь) СУННА

1 2420 3558 0212 0008 1498 3858 45591

2 1811 152? 0103 001)0 0683 1670 1955!

3 2645 3854 0220 0003 1625 4182 4953

4 1898 2814 8192 0000 1302 3100 3636!

5 2378 3470 0210 0008 1487 3775 4466'

ПРИ ПРИ ПРИ ОМОМПРИ 0Н(1)ТОЧНОСТЬ»

-0 01'ЛМ Д0=0 01 '0 0302 -о 00802 ц кольцо

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 эгой 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 спектроделигеля 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 // Опгический журнал 2008 Т 79 № 07 (http //www opticjourn ru/numbers htmPshow=numbers)

4 Чан К T 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, 14 Тел. (812) 233 4669 объем 1 п л Тираж 100 экз

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВИРОВ И ТИПОВ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ ОБЪЕКТИВОВ

1.1. Назначение и короткая история тепловизионных приборов.

1.2. Классификация и тенденция развития ТП.

1.3. Объективы для тепловизоров разных поколений.

1.4. Характеристики некоторых современных объективов для ТВП

1.5. Постановка задачи.

Глава 2: ОСНОВЫ ПРИЕМА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1. Основы теплового излучения.

2.2. Оптические материалы, используемые в дальней ИК области спектра

2.2.1. Типы ИК материалов.

2.2.2.1.

Пропускание оптических материалов для теплового излучения 2.2.3. Покрытие поверхностей оптических деталей для увеличения коэффициента пропускания в ИК области.

2.3. Прием теплового излучения и типы приемников.

2.3.1. Прием теплового излучения.

2.3.2. Приемники теплового излучения.

2.4. Критерий оценки качества тепловизионных объективов по ^ характеристикам матричных приемников.

2.5. Выводы.

Глава 3:.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗОРА

3.1. Расчет энергии и габаритов оптических систем в тепловизионных приборах.

3.1.1. Определение фокусного расстояния линзового объектива.

3.1.2. Определение диаметра входного зрачка.

3.2. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов.

3.2.1.

Определения зависимости величины Р0 от линейного увеличения V для одиночных линз с одной асферической поверхностью при условии (3.4)

3.2.2. Принцип построения исходных систем для тепловизионного объектива.

3.3. Линзовые тепловизионные объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы.

3.4. Спектроделительная оптическая система для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК области спектра.

3.4.1. Расчет аберраций децентрировки. Эмпирические формулы их расчета.

3.4.2. Принцип компенсации аберраций, вносимых наклонной плоскопараллельной пластиной.

3.4.3. Расчет компенсатора аберраций.

3.4.3. Некоторые типовые варианты расчета спекроделительной оптической системы.

3.5. Выводы.

Глава 4: РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.

4.1. Объективы, исходные системы которых рассчитаны по предлагаемой методике.

4.1.1. Запатентованный объектив.

4.1.2. Другие типовые объективы.

4.2. Типовые объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы.

4.3. Численные расчеты чувствительности полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров.

4.4. Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

Цель работы:

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

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

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

2. Систематизация характеристик матричных приёмников ИК излучения,

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

Практическая ценность работы:

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

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

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

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

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

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

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

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Эффективная методика для расчета тепловизионных линзовых объективов.

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

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

4. Результаты практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров.

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

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

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

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

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

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

Основные результаты и перспективы развития данной работы:

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ллойд Дж. Системы тепловидения Шер.с англ. Н.В. Василъчен ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978. 414 с.

2. Мирошникол М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.- 696с.

3. Жуков А.Г. и др. Тепловизионные приборы и их применения / Под. ред. Н. Д. Девяткова. М.г Радио и связь, 1983. - 16S е.: ил.

4. М.М. Русинов; Вычислительная оптика- справочник; Ленинград; 1984.

5. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, .то Пер. с франц./ Под ред. л.Н. Курбатова.-М.: Мир, Ш

6. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев E.H. Теория оптико-электронных систем: Учебник для студентов вузов по оптическим-специальностям, М.: Машиностроение, 1990.-432 е.: ил.

7. Колючкин В.Я-, Мосягин Г.М; Тепловизионные приборы и системы; Учебное пособие,- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 52с.: ил.

8. Якушенков Ю.Г Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов,-5-е изд., перераб. и доп. М.: Логос, 2004/- 472 е.: ил.

9. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. - 444 е.: ил.

10. Криксунов Л.З, Г.А. Падалко. Тепловизоры: Справочник. К.: технжа, ШТ.- 166с.: ил.

11. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: Изд-ви. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 е.: ил.

12. Тарасов В.В:. Якушкенков Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем- второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования. -М.: Центральный научно-исследовательский институт "Циклон"-МИИГАиК, 2004.

13. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для студентов оптических специальностей вузов/Л.П. Лазарев, В.Я. Колючкнн, А.Ы. Метелкин, и др.; Под ред. Л.П.Лазарева, М: Машиностроение, 1986. - 216 е.: ил.

14. Криксунов Л.З, Справочник по основам инфракрасной техники- М.: Советское радио, 1978. -400 е.: ил.

15. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов /Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Пахли и др.; Под ред. Р.Дж. Киеса: Пор. с англ./ Под ред. В.В. Поспелова.-М.: Радио и связь, 1985. -328 е.: ил.

16. Богомолов П.А., Сидоров'В.И., Усольцев И.Ф. Приёмные устройства ИК-сисгем/ Под ред. В.И. Сидорова. М.: Радио и связь, 1987. - 208 е.: ил.

17. Пресс Ф.П. Фоточуаствитеяьные приборы с зарядовой связью. М:: Радио и связь, 1991. - 264 с.

18. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. -М.:Наука, 1986.-320с.

19. Пороговые фотоприёмники и матрицы ИК- диапазона/ В.Т. Хрлпов, В.И. Пономарекко, В.Г. Буткенич и др.// Оптический журнал.-1992. ->12.-С.ЗЗ-44.

20. Ерофейчев В.Г, Мирошников М.М. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении// Оптический журнал. 1997. - Т. 64, №2. - С. 5-12.

21. Л.В.Васильева и др. Проектирование и изготовление линзовых объективов для работы в ИК области спектра// Оптический журнал. -2003.-Т.70. №4. С.72-75.

22. Заявка на патент. Светосильный объектив для тепловизора. Номер регистрации: 2006142127. Дата поступления: 28.11.2006.

23. Фам.Ч.Х. Тепловизионные приборы (на Вьетнамском языке). Ханой. 2003. С.3-5.

24. А.П. Грамматин., Методы синтеза оптических систем, СПб ГУ ИТМО. СПб. 2002.

25. Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, В. П. Челибанов. Приемники излучения. Санкт- Петербург. 2003.

26. Якушенков Ю.Г Проектирование оптико-электронных приборов.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Логос. 2000. 487 с.

27. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969- 670с.

28. Кириченко Е. В. Принцип построения оптических систем из бесконечно тонких компонентов//ОМП. 1978. № 9. С. 17-20.

29. Чан К. Т., Грамматин А. П. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов/Юптический журнал. 2008. Т.75. № 07.

30. 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.

31. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1937- 698с.

32. 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.

33. 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.

34. Чан К. Т., Грамматин А. П. Заявка на патент. Оптическая система спектроделителя для ИК- области спектра. Номер регистрации: 2007145791. Дата поступления: 10.12. 2007.

35. Л.Н. Андреев., В.А. Панов. Оптика микроскопов. Л.: Машиностроение. 1976.

36. Патент США № 4030805; дата опубликования 21.06.1977.Г.

37. Патент США № 4537464, опубликованный^1985.Г.

38. Российский патент № 2183340, опубликованный в 2002 .г.39: Бажанов Ю.В., Берденников А.В. и др. Объективы для работы' с. матричными приемниками, излучения в области: спектра 8- 14 мкм //Оптический журнал. 2002. Т.69. № 12.

39. Российский патент № 2050566, опубликованный 20.12.1995.г.

40. А.Марешаль, М. Франсон. Структура оптического, изображения. Мир. 1964 г., 295 стр.

41. Родионов С. А., Основы оптики: СПб:: ИТМО, 2002.,43 . Авдеев; С .П., Анализ и синтез оптико- электронных ; приборов; С-Петербург, 2000.44; Зверев. В. А., Точилина Т. В., Основы оптотехники, СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.

42. Запрягаева JI.A., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М.: Логос, 2000.

43. Якушенкова Ю.Г., Теория и расчет оптико-электронных приборов; М.: Голос, 2004

44. Ишанин. Г.Г., Н. К. Мальцева, В. JI. Мусяков, Источники и приемники излучения, СПб ГУ ИТМО. СПб. 2006

45. Андреев JI.II. Прикладная теория аберраций. Учебное пособие. СПб: СПбГИ'ГМО (ТУ), 2002.

46. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002.218 с. ;V

47. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.