Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задача атермализации тепловизионного прибора 9
1.1 Тепловизионный прибор 9
1.2 Влияние температуры на тепловизионный прибор 15
1.3 Способы атермализации оптической системы тепловизионного прибора 19
1.4 Задача пассивной атермализации и известные методы ее решения 26
1.5 Обзор дополнительных источников публикаций 30
1.6 Выводы по Главе 1 33
Глава 2. Синтез оптической системы тепловизионного прибора. 34
2.1 Принцип таутохронности как критерий оценки оптической системы 34
2.2 Свойства оптических материалов для ИК-диапазона длин волн 41
2.3 Матричные приемники излучения ИК-диапазона длин волн 48
2.4 Исходные данные для расчета оптической системы 57
2.5 Выводы по Главе 2 62
Глава 3. Пассивная атермализация оптической системы тепловизионного прибора 63
3.1 Влияние составляющих термооптической постоянной на ход лучей в линзе 63
3.2 Методика расчета пассивно атермализованного тепловизионного прибора 69
3.3 Оценка параметров тепловизионных приборов 74
3.4 Выводы по Главе 3 79
Глава 4. Экспериментальные данные исследований 80
4.1 Примеры построения пассивно атермализованных оптических систем тепловизионного прибора 80
4.2 Выводы по Главе 4 96
Заключение 97
Список использованной литературы 99
- Влияние температуры на тепловизионный прибор
- Матричные приемники излучения ИК-диапазона длин волн
- Методика расчета пассивно атермализованного тепловизионного прибора
- Примеры построения пассивно атермализованных оптических систем тепловизионного прибора
Влияние температуры на тепловизионный прибор
Источник излучения, естественный или искусственный, создает поток излучения, являющийся носителем полезной информации. Источником излучения может быть и сам объект исследования. Искусственный источник излучения может содержать передающую оптическую систему, направляющую поток излучения на объект исследования или в приемную оптическую систему.
Наряду с полезным источником излучения в поле зрения оптико-электронного прибора часто находятся источники оптических помех, как естественного происхождения (например, солнце или подстилающая местность), так и преднамеренно создаваемые (например, ложные тепловые цели).
Среда распространения излучения может существенно влиять на оптический сигнал, ослабляя поток излучения и снижая контраст изображения. Чаще всего такой средой является земная атмосфера, которая содержит не только поглощающие и рассеивающие излучение атмосферные газы (азот, кислород, водяные пары, углекислый газ, озон, угарный газ, окислы азота и т.д.), но и аэрозольные частицы природного или промышленного происхождения. Состав атмосферы и ее оптические характеристики непостоянны и зависят от температуры, давления, влажности, времени года, географического расположения, удаленности от городов и крупных промышленных объектов. Нередки случаи, когда прозрачность атмосферы преднамеренно ухудшают с помощью маскировочных дымовых помех.
Приемная оптическая система собирает поток излучения от объекта исследования и направляет его на приемник излучения. Приемная система выполняет следующие, неразрывно связанные между собой, задачи: – сбор достаточного для работы прибора количества энергии излучения от объекта наблюдения; – формирование изображения пространства предметов необходимого качества; – спектральная селекция полезного сигнала на фоне оптических помех.
Приемник излучения преобразует оптический сигнал в электрический сигнал. Различают два основных класса приемников излучения: фотоэлектрические и тепловые. В основе действия фотоэлектрических приемников лежит внешний (фотоэлектронные умножители) или внутренний (фотодиоды, фоторезисторы) фотоэффект. В тепловых приемниках излучения энергия излучения сначала преобразуется в тепловую энергию, а затем – в энергию электрического сигнала. К тепловым приемникам относят болометры (в зависимости от температуры чувствительного элемента изменяется его электрическое сопротивление), пироэлектрические приемники (в зависимости от скорости изменения температуры чувствительного элемента изменяется его диэлектрическая проницаемость).
В электронном тракте происходит усиление электрического сигнала, его фильтрация с целью обеспечения оптимального соотношения «сигнал/шум» и необходимая обработка для получения требуемого объема информации об объекте.
Выходной блок формирует сигнал в удобном для пользователя виде. В качестве выходного блока могут, например, применяться видеомонитор, с помощью которого оператор наблюдает за объектом, телевизионный автомат селекции и сопровождения цели или блок выработки команд, формирующий управляющие сигналы на рулевые приводы летательного аппарата. Структура оптико-электронного прибора может меняться в зависимости от его назначения и метода работы. Различают три основных метода работы оптико-электронных приборов: – активный метод (объект наблюдения облучается с помощью искусственного источника излучения, параметрами которого управляет оператор или система, проводящие наблюдение); – полуактивный метод (объект наблюдения облучается с помощью искусственного источника излучения, управлять параметрами которого оператор или система, проводящие наблюдение, не могут); – пассивный метод (используется собственное излучение объекта или излучение естественных источников, рассеянное от объекта).
По сравнению с визуальными оптическими приборами оптическая система (ОС) оптико-электронного прибора имеет следующие особенности: – наличие в ее составе электронного приемника излучения, входящего одновременно и в состав электронного тракта; – чаще всего, более широкий, чем у визуальных оптических систем, спектральный рабочий диапазон, что приводит к большему влиянию аберраций и трудностям их коррекции, к проблемам выбора оптических материалов, работающих в широком спектральном диапазоне; – работа без непосредственного доступа оператора, что требует большей простоты и надежности конструкции; – возникновение в ряде случаев ложных сигналов и помех в самой оптической системе (например, мощный излучающий фон в инфракрасной области спектра из-за нагрева внешней оптической поверхности при движении с большой скоростью в атмосфере).
Важнейшей частью как приемной, так и передающей оптической системы любого оптико-электронного прибора является объектив. В приемной системе объектив служит для сбора энергии излучения и образования изображения наблюдаемого объекта на фоточувствительном слое приемника излучения. Требования к качеству этого изображения, а, следовательно, и к объективу определяются задачами, стоящими перед прибором, его конструктивными особенностями и условиями работы. Структура оптической системы зависит от конструктивного исполнения, определяемого исходя из требований технического задания на изделие. В настоящее время наиболее применимы линзовые и зеркально-линзовые системы [5, 44, 64].
Матричные приемники излучения ИК-диапазона длин волн
Патентный обзор вариантов пассивной атермализации оптических систем тепловизионных приборов не выявил систем, выполненных только методом соответствующего подбора оптических материалов, что свидетельствует об отсутствии четкой методики создания подобного рода систем. Наиболее близкими к тематике данной работы можно считать патенты №EP 2687889A1 и №UA81919U, в которых применяется комбинация двух методов пассивной атермализации [30, 31].
В патенте фирмы «БАЭ СИСТЕМС» («BAE Systems») №EP 2687889A1 представлен трехлинзовый объектив для дальнего ИК-диапазона длин волн (Рисунок 1.5.1). Он выполнен из германия, селенида цинка и халькогенидного стекла, при этом на второй поверхности первой линзы выполнен киноформный элемент, что уменьшает влияние аберраций и увеличивает стабильность характеристик в температурном диапазоне ±40 С.
Фокусное расстояние этого объектива не превышает 90 мм, а угол поля зрения составляет ±4 по диагонали. При этом концентрация энергии в пятне рассеяния 25 мкм находится в пределах 70%. В патенте на полезную модель авторов Кучеренко, Муравьева, Остапенко №UA81919U представлен вариант исполнения четырехлинзового объектива для дальнего ИК-диапазона длин волн (Рисунок 1.5.2). Материалами для оптических элементов послужили германий и КРС-5, при этом на второй поверхности первой линзы выполнена асферическая поверхность второго порядка. Объектив атермализован в диапазоне температур ±60С, имеет фокусное расстояние не более 60 мм при угле поля зрения ±10.
Анализ приведенных патентов показывает, что применение дифракционных элементов и асферических поверхностей обусловлено не только решением задачи атермализации, но и введено для борьбы с хроматическими и полевыми аберрациями, которые значительно увеличивают диаметр кружка рассеяния представленных оптических систем. 1.6 Выводы по Главе 1
1. Рассмотрена структурная схема ТПВП и дано определение тепловизионного прибора как объекта исследования.
2. Проведен анализ влияния изменения температуры на ход лучей в оптическом элементе и показана необходимость решения задачи пассивной атермализации ТПВП.
3. Проведен анализ существующих методов исправления термических аберраций. На его основании и на результатах обзора дополнительных источников публикаций показано, что существующим методам исправления термических аберраций присущ ряд недостатков и ограничений, которые значительно усложняют проектирование атермализованных многокомпонентных тепловизионных систем.
4. Рассмотрены недостатки проанализированных методов. На их основании сделан вывод о предпочтительности расчета атермализованной оптической системы при помощи точных тригонометрических формул. Глава 2. Синтез оптической системы тепловизионного прибора.
Принцип таутохронности как критерий оценки оптической системы
В Главе 1 была показана необходимость точных расчетов атермализованных оптических систем с учетом толщин элементов и расстояния между ними. Для этого необходимо определить критерий, согласно которому можно судить о качестве изображения, формируемом оптической системой на чувствительной поверхности приемника излучения и о его изменении в процессе смещения фокальной плоскости под воздействием температуры. Таким показателем может служить выполнение условия таутохронности оптической системы [24]. Рассмотрим суть этого условия на примере ОС, состоящей из одной линзы.
Прежде всего, стоит отметить, что если в вакууме скорость распространения волны с и ее длина Яо , то для среды с показателем преломления п скорость волны и ее длину можно определить как и Я Я0 . Тогда при прохождении волной пути dj в одной среде (ifj) и пути d2 во второй среде (я), возникающую разность фаз можно выразить как:
Произведение показателя преломления на длину пути называется оптической длиной пути. И, как следует из (2.1.1), если , то разность фаз равна нулю. Таким образом, два пути лучей оптически эквивалентны друг другу, т.е. не вносят разности фаз, если их оптические длины равны между собой. Такие пути и называются таутохронными, что значит совпадающими по времени, т.к. излучение по этим явно не равным по геометрической длине путям распространяется за одно и то же время. Условию таутохронизма удовлетворяют все пути лучей, проходящие через какую либо оптическую систему, например линзу, и дающие изображение S источника S (Рисунок 2.1.1). Если бы отдельные лучи не были таутохронными, то части волны излучения, распространяющиеся по разным путям, обладали бы некоторой разностью фаз и взаимно бы ослабляли друг друга при наложении в точке S . Возможность получения интенсивного максимума в т. S , который и является изображением источника S, обусловлено взаимным усилением отдельных частей волны, пришедших в фокальную точку S без разности фаз. Тогда как пути, ведущие от S ко всякой другой точке пространства, таковой разностью будут обладать и во всех иных точках кроме S взаимная интерференция приведет к ослаблению излучения.
На Рисунке 2.1.1 показано, что изображение источника S при помощи линзы строится в фокальной точке S . При этом геометрический путь SABS короче пути SMNS , а часть, приходящаяся на путь внутри линзы, соответственно больше (AB MN). Поскольку скорость распространения излучения в материале линзы меньше, чем в воздухе, то запаздывание на участке АВ компенсирует опережение на участках SA и BS по сравнению с соответствующими участками пути SM и NS .
Методика расчета пассивно атермализованного тепловизионного прибора
Стоит отметить, что приведенный метод расчета не учитывает нелинейность изменения значения показателя преломления в зависимости от температуры, а точность результатов зависит от диапазона перепада рабочих температур и точности усреднения коэффициента преломления материала в этом диапазоне. Обычно, строгого выполнения условия (2.1.3) достичь не удается, поэтому условно к его соблюдению приравнивают случаи, когда разность фаз не превышает величины определенного предела А.
Чтобы рассмотреть границы значений критерия таутохронности, которые влияют на качество изображения, необходимо рассмотреть набор и свойства материалов для инфракрасного диапазона длин волн и параметры современных приемников излучения.
Свойства оптических материалов для ИК-диапазона длин волн Исследованию свойств оптических материалов посвящено множество работ, как в отечественной, так и зарубежной литературе, среди которых можно выделить как наиболее значимые [1, 3, 6, 60, 94]. В данном разделе будут рассмотрены оптические материалы для среднего и дальнего ИК-диапазона длин волн, а также их свойства, влияющие на характеристики оптической системы под воздействием температурных изменений.
Основными оптическими материалами ИК-диапазона длин волн являются монокристаллы, как природные (например NаCl, CaF2, КО), так и синтетические (например Ge, Si, КРС-5). Необходимость появления синтетических кристаллов была обусловлена проблемами применения природных кристаллов с необходимыми показателями прозрачности и однородности, а также ограничениями по размерам элементов. Современная техника выращивания кристаллов обеспечила возможность получения многих кристаллов, ранее не встречавшихся в природе, и число синтетических кристаллов уже давно превысило число природных. Преимуществом кристаллов, по сравнению с другими видами материалов, является их многообразие физических свойств и их эксплуатационных характеристик. Они имеют высокую температуру плавления, что позволяет использовать их в качестве жаростойких материалов. Кроме того, значения показателя преломления и дисперсии в ИК-диапазоне длин волн варьируются у кристаллов несоизмеримо сильнее, чем у других материалов.
Значительно реже для тепловизионных приборов используют оптическую керамику (например КО4) и халькогенидные стекла (например ИКС-25). Оптическая керамика – это поликристаллический материал, полученный методом прессования мелкодисперсных порошков оксидов, фторидов, сульфидов или теллуридов под большим давлением в вакууме, с размером зерна порядка нескольких десятков микрон. Поэтому оптические потери в керамических материалах выше, чем в монокристаллических материалах. Оптические характеристики халькогенидных стекол в среднем и дальнем ИК-диапазоне, как было отмечено выше, весьма ограничены по разнообразию и не могут конкурировать со свойствами кристаллических материалов.
Важными характеристиками оптических материалов является их показатель преломления и дисперсия. Во многих случаях, таких как призмы оборачивающих систем или ОС с большим увеличением, необходимы материалы с высоким показателем преломления, в то время как при изготовлении, например, входных окон или обтекателей, желателен небольшой показатель преломления, во избежание внесения дополнительных аберраций в оптическую систему. Весьма большое значение имеет температурная зависимость показателей пропускания и преломления, термооптическая постоянная материалов, т.к. именно эти свойства определяют изменения хода лучей через оптические элементы при перепадах температуры. Немаловажно также для ОС, строящих изображение на матричном приемнике излучения, иметь возможность корректировки аберраций системы при помощи нескольких материалов с различными показателями дисперсии. Свойства оптических материалов для среднего и дальнего ИК-диапазона следует рассматривать отдельно, ввиду разных наборов применяемых материалов и различию характеристик в зависимости от диапазона длин волн. Таблицы 2.2.1 и 2.2.2 включают в себя перечень справочных и рассчитанных значений оптических и термооптических параметров материалов для построения систем, работающих в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне длин волн. Знаком « » в них отмечены наиболее часто используемые материалы для проектирования тепловизионных приборов.
Анализ приведенных данных свидетельствует о наличии значительно меньшего количества оптических материалов для инфракрасного диапазона длин волн по сравнению с разнообразием материалов для видимого спектрального диапазона (материалы для которого представлены на Рисунке 1.4.1). Также можно отметить, что задача конструирования тепловизионных приборов осложняется тем, что представленные оптические материалы обладают большими температурными коэффициентами изменения показателя преломления и ТКЛР, чем оптические стекла, работающие в ультрафиолетовом и видимом диапазоне длин волн. Поэтому при температурных воздействиях происходит более значительное изменение оптической силы Ф элементов, и, как следствие, большее смещение фокальной плоскости оптической системы.
Примеры построения пассивно атермализованных оптических систем тепловизионного прибора
На практике, нередким случаем является задача модернизации ТПВП или разработки аналогичного прибора, с характеристиками не ниже значений оригинала. В качестве примера можно привести потребность реализации атермализации оптической системы в широком диапазоне температур или уменьшения габаритных параметров прибора за счет использования МПИ с меньшими размерами пикселя. Т.е. фактически требуется провести сравнительную оценку двух ТПВП, оценку качества их изображения.
Рассмотрим случай, когда два ТПВП с фокусным расстоянием и диаметром входного зрачка D посредством МПИ, формата m х п элементов и стороной пикселя ц, формируют изображение объекта с площадью S и энергетической яркостью L, находящегося на расстоянии / от места наблюдения. Произведем оценку качества этих изображений по нескольким критериям: геометрическому и энергетическому.
Условие равенства геометрического разрешения объекта для этих ТПВП можно определить в виде: фокусные расстояния, а и - площадь чувствительного элемента первого и второго ТПВП соответственно. В случае неравенства соотношения (3.3.1), если дробь больше единицы, то первый ТПВП имеет большую разрешающую способность, а если дробь меньше единицы, то разрешающая способность больше у второго прибора. Стоит отметить, что выражение (3.3.1) справедливо для всех МПИ, у которых сторона чувствительного элемента (ЧЭ) совпадает с периодом его расположения. В противном случае, вместо стороны пикселя в формулу необходимо подставить период следования ЧЭ на МПИ.
Учитывая, что размеры наблюдаемого объекта много меньше расстояния до него (S « /), поток излучения АФ, приходящий на вход ТПВП, можно определить как: функция пропускания атмосферы, {Х) - функция энергетической яркости объекта, взятые в зависимости от длины волны X в заданном спектральном диапазоне. Тогда выражение для элементарного потока излучения АФЭ, приходящегося на площадь одного ЧЭ, с учетом коэффициента пропускания оптики т0, примет вид:
Поскольку энергетическая яркость объекта и пропускание атмосферы на фиксированном расстоянии являются независимыми от характеристик ТПВП параметрами, то их значения для обеих систем будут одинаковыми. Таким образом, условие равенства элементарных световых потоков АФЭ для исследуемых ТПВП можно выразить как: где то/то - коэффициент подобия пропускания оптической системы, а - диафрагменное число первого и второго ТПВП соответственно. В случае одинакового количества оптических компонентов у ТПВП и незначительной разнице в их толщинах коэффициентом подобия пропускания оптической системы можно пренебречь. Соотношение (3.3.4) показывает, что элементарный поток излучения АФЭ, приходящийся на единицу площади МПИ, останется неизменным для обеих систем. Очевидно, что в случае невыполнения равенства (3.3.4) АФэ АФэ, если дробь больше единицы и наоборот, АФэ АФэ, если дробь меньше единицы. Это, в частности, означает, что при выполнении соотношения (3.3.1) входные зрачки обоих ТПВП будут равны по площади (без учета отношения коэффициентов пропускания оптики ).
Отношение сигнал/шум ц на выходе приемника излучения учитывает внутренние и внешние источники шумов, а также влияние случайных неконтролируемых изменений полезного сигнала, таких как, например, изменение яркости объекта во времени и пространстве. В [50] рассмотрен случай, когда при преобладании внутренних шумов приемника излучения для протяженного объекта, перекрывающего элементарное угловое поле зрения А/ , отношение сигнал/шум можно определить как: где Л/ - эффективная полоса пропускания шума, - время накопления сигнала, (X) - функция удельной обнаружительной способности МПИ в зависимости от длины волны А, в заданном спектральном диапазоне. Тогда, учитывая выражение (3.3.5), равенство соотношений сигнал/шум исследуемых ТПВП примет вид: где то/то - коэффициент подобия пропускания оптической системы, а - коэффициент подобия удельной обнаружительной способности МПИ. Как и в выражении (3.3.4), несоблюдение равенства (3.3.6) выявит ТПВП, у которого отношение сигнал/шум будет больше. Из равенства (3.3.6) также следует, что при выполнении условий (3.3.1) и (3.3.4) для двух ТПВП, у второго прибора отношение сигнал/шум изменится пропорционально величине относительно первого (без учета отношения коэффициентов и kD).
