Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Краткий исторический очерк развития тепловиров и типов соответствующих им объективов
1.1. Назначение и короткая история тепловизионных приборов 11
1.2. Классификация и тенденция развития ТП 13
1.3. Объективы для тепловизоров разных поколений 18
1.4. Характеристики некоторых современных объективов для ТВП 23
1.5. Постановка задачи 28
Глава 2: Основы приема теплового излучения 30
2.1. Основы теплового излучения 30
2.2. Оптические материалы, используемые в дальней ИК области спектра
2.2.1. Типы ИК материалов 34
2.2.2 Пропускание оптических материалов для теплового излучения
2.2.3. Покрытие поверхностей оптических деталей для увеличения коэффициента пропускания в ИК области 42
2.3. Прием теплового излучения и типы приемников 44
2.3.1. Прием теплового излучения 44
2.3.2. Приемники теплового излучения 44
2.4. Критерий оценки качества тепловизионных объективов по t характеристикам матричных приемников 56
2.5. Выводы 59
Глава 3: Проектирование линзовых объективов для тепловизора
3.1. Расчет энергии и габаритов оптических систем в тепловизионных приборах 60
3.1.1. Определение фокусного расстояния линзового объектива 60
3.1.2. Определение диаметра входного зрачка 60
3.2. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов 61
3.2.1 Определения зависимости величины Р0 от линейного увеличения Гдля одиночных линз с одной асферической поверхностью при условии (3.4)
3.2.2. Принцип построения исходных систем для тепловизионного объектива 65
3.3. Линзовые тепловизионные объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы 67
3.4. Спектроделительная оптическая система для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК области спектра 68
3.4.1. Расчет аберраций децентрировки. Эмпирические формулы их расчета 70
3.4.2. Принцип компенсации аберраций, вносимых наклонной плоскопараллельной пластиной 79
3.4.3. Расчет компенсатора аберраций 79
3.4.3. Некоторые типовые варианты расчета спекроделительной оптической системы 81
3.5. Выводы 84
Глава 4: Результаты практических расчетов 86
4.1. Объективы, исходные системы которых рассчитаны по предлагаемой методике 86
4.1.1. Запатентованный объектив 86
4.1.2. Другие типовые объективы 88
4.2. Типовые объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы 96
4.3. Численные расчеты чувствительности полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров 103
4.4. Выводы 108
Заключение по
Список литературы 111
- Классификация и тенденция развития ТП
- Оптические материалы, используемые в дальней ИК области спектра
- Определение фокусного расстояния линзового объектива
- Запатентованный объектив
Введение к работе
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 /' = 300мм, диаметром входного зрачка D = 175мм, угловым полем 2w = 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 дда 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,
Разработка методики расчета линзовых объективов, работающих с выше перечисленными матричными приёмниками,
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.
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.
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.
Разработана эффективная методика синтеза исходных систем для расчета линзовых объективов тепловизоров.
Выполнена оценка погрешности формул Г.Г. Слюсарева для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под углом 45 плоскопараллельной пластиной. Выведены эмпирические формулы расчета этих аберраций с погрешностью не более 5%.
Разработана новая спектроделительная оптическая схема для ИК области спектра и выполнен расчет компенсатора аберраций децентрировки.
Выполнены численные расчеты нескольких типовых линзовых объективов по предлагаемой методике.
Определены чувствительности полученных систем к малым изменениям конструктивных параметров (допускам).
Основные результаты, выносимые на защиту: 1. Эффективная методика для расчета тепловизионных линзовых объективов.
Эмпирические формулы для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под угол 45 плоскопараллельной пластиной.
Спектроделительная оптическая схема для дальней ИК области спектра и расчет компенсатор аберраций децентрировки.
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.
Классификация и тенденция развития ТП
Тепловизоры могут классифицироваться по следующим признакам [3,7,10]: - по1 назначению - для измерения температурных полей, ДЛЯІ неразрушающего контроля промышленных изделий, для медицинской диагностики, для снятия тепловых карт местности и т.п.; по типу используемых приемников излучения. (ПИ) -одноэлементные, многоэлементные, матричные; ТВП с охлаждаемым приемником или без охлаждения; - по методам получения сигналов - ТВП с ОМС, с электронным сканированием и несканирующий тепловизор; - по методам обработки сигналов - ТВП с аналоговой обработкой-и, с цифровой обработкой сигналов. Одна из возможных схем классификации тепловизоров показана на рис.1.2 [10]. На практике широко рассматривают ТВП по методам сканирования (в случае ОМС) или выборки сигналов (в случае матричных ПИ), сущность которых идентична. При этом различают следующие методы сканирования: последовательное, параллельное и параллельно-последовательное. При последовательном сканировании осуществляется изменение направления визирной оси и преобразование сигнала поочередно вдоль каждой из строк изображения с последующим переходом на каждую следующую строку.
Такое сканирование может осуществляться при использовании одноэлементных ПИ а также ПИ в виде линеек, элементы которых ориентированны вдоль строки.
В последнее время в зарубежной литературе часто классифицируют ТВП по поколениям. При этом различают [12]: Первое поколение ТВП, относящееся к началу 1960-х г.г., строилось на базе оптико-механических сканирующих систем с одноэлементным приемником или с линейкой из сравнительно небольшого числа приемников, расположенных вдоль одного направления.
В большинстве современных ТВП, относящихся ко второму поколению, для работы в диапазоне 8... 12 мкм наиболее часто используется сканирование линейкой, состоящей из большого числа, приемников типа HgGdTe, которые работают в режиме временной задержки и интегрирования. Для работы в диапазоне 3...5 мкм - используются матрицы фотоприемников из InSb достаточно большого формата (240 х 320 элементов), работающие в «смотрящем» режиме, т. е в режиме электронной выборки сигналов, снимаемых с отдельных фотоприемников.
Можно различать три группы ТВП третьего поколения. К первой ; группе относятся высококачественные ТВП, работающие в двух и более спектральных поддиапазонах, имеющие приемники излучения с очень высокой чувствительностью (квантовой эффективностью) и электронные схемы считывания сигналов, которые сохраняют и обрабатывают практически все фотоэлектроны, создаваемые приемником..
Наконец, третье поколение должно включать в свой состав очень дешевые малогабаритные ПИ (микро - ТВП), которые смогут открыть новые рынки для ИК систем из-за их низкой цены, малых размеров,- масс, потребляемой мощности. Это позволит создать ряд новых систем, например, ТВП одноразового применения, нашлемные ИК системы и другие. Они могут использоваться в системах связи, работать в комплексах с другими датчиками (акустическими, сейсмическими, магнитными).
Развитие ТВП происходит по следующим направлениям [9]: - дальнейшее повышение вероятности-обнаружения, распознавания и классификации объектов (целей), что требует различения.3...8 элементов на изображении цели, наблюдаемой на сложном пространственно неравномерном фоне и достаточно больших дальностях; - снижение стоимости ТВП при сохранении достаточно хорошего-энергического, пространственного и временного разрешения, что достигается за счет повышения рабочей температуры ФПУ или вообще отказа от системы охлаждения; повышения частоты кадров; использования эффективных алгоритмов цифровой обработки сигналов и аналоговой обработки сигналов непосредственно в ФПУ; - уменьшение количества электронных блоков (схем, чипов) до одного- двух; - расширение области применения, использование двойных технологий применительно к отдельным узлам и ТВП в целом; - обеспечение работы в автоматическом и автономном режимах, и, в то же время, возможность комплексирования с системами других типов — с радиосистемами, сейсмическими, акустическими, медицинскими датчиками и т.д.
Оптические материалы, используемые в дальней ИК области спектра
При разработке оптических систем для какого-либо ИК поддиапазона в первую очередь необходимо учитывать возможности использования оптических материалов, обладающих достаточной прозрачностью в заданной области спектра.
Существуют некоторые типы оптических материалов, используемые в ИК области спектра. Они включают в себя стекла и керамику, природные и синтетические кристаллы, а так же пластмассы и металлы [5].
Третий тип — пластические материалы. Обычно считаются непригодными для изготовления оптических элементов из-за их посредственных механических свойств и термической неустойчивости. Относится к этой группе полиэтилен, спектр пропускания которого прерывается: 0.1 до 3.4, 3.5 до J, 7.3 до 13 и от 14 до 30 мкм.
Из данных в таблицах, видно, что число оптических материалов, для работы в диапазоне от 3 до 5 мкм больше, чем число материалов прозрачности в диапазоне от 8 до 14 мкм. Поэтому в расчете оптических систем, работающих в диапазоне от 3 до 5 мкм, может быть, легче найти комбинации материалов для исправления хроматизма, чем в диапазоне от 8 до 14 мкм. В практике проектирования оптических систем для ТВП материалы, которые чаще всего используются, включают в себя Ge, Si, ZnSe и ИКС-25, ИКС-29. Известные данные показали, что показатели преломления этих материалов изменяются в диапазоне от 3 до 5 мкм сильнее, чем в диапазоне от 8 до 14 мкм. Это значит, что их дисперсия в диапазоне от 3 до 5 мкм больше, чем в диапазоне от 8 до 14 мкм. В то же время практика расчета ИК оптических систем показала, что для средней (3-5мкм) ИК области спектра одной из причин, сильно ухудшающих качество изображения, является хроматическая аберрация. Поэтому при расчете ОС для работы в области от 3 до 5 мкм обязательно надо исправлять хроматизм. Для коррекции этой аберрации объектива необходимо применить комбинацию различных оптических материалов. В настоящее время широко используются оптические элементы из Si и Ge, составляющие наилучшую хроматическую пару при создании объективов-ахроматоа [21]. Для дальней (8- 14мкм) области ИК спектра можно использовать только один из выше представленных материалов (Ge, ZnSe и ИКС-25, ИКС-29), (Si в области 8-11мкм), так. как их дисперсия в указанном диапазоне невелика.
Селенид цинка ZnSe 2.43410 192.5 0.5584 В таблице щ- показатель преломления при основной длине волне XQ, равнот4 MKM;.VO- число Аббе с дополнительными длинами ВОЛН Л7 = 5; мюшшХг — 3 мкм;:/?- относительная частная дисперсия.
Для области спектра 8 - 14 мкм; наиболее часто используется сочетание германия с селенидом цинка. При: этом относительная; оптическая сила (р} положительной линзы из; германия; обеспечивающая ахроматизацию в соответствии-с формулой условия устранения;хроматизма положения [24].
Изменение показатели преломления нескольких оптических материалов в зависимости от длины волны С точки зрения разработчиков ИК оптических систем наибольший интерес представляют материалы, обладающие существенно отличающимися от обычных стекол в видимой области спектра показателями преломления и дисперсиями. В таб.2.3 и 2.4- видно, что к таким материалам относятся германий и кремний, обладающие показателями преломления, соответственно равными примерно 4 и 3.4 и коэффициентами дисперсии — 960 (для германия в области спектра» от 8 до 14 мкм) и 1727 (для кремния в области спектра от 8 до 11 мкм). При столь необычных значениях оптических констант становятся возможными оптические системы, состоящие из двух- трех линз и обладающие довольно высокими оптическими характеристиками.
Определение фокусного расстояния линзового объектива
В связи с широким использованием компьютерных технологий для расчета оптических систем; большое значение приобретает выбор исходной системы, поскольку методы автоматизированной коррекции основываются на методе постепенных приближений.. Для ИК систем характерно то, что они преимущественно синтезируются, из тонких одиночных линз. Поэтому способ? выбора исходной оптической системы для ИК объективов, основанный на использовании метода Г.Г. Слюсарева [27], имеет высокую целесообразность, и даже применение данного способа для расчета ИК системы удобнее, чем для расчета1 системы видимой области. Тогда оказывается, что кроме очевидных условий Si = Sn = Siv = 0, и Sm = 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 (3.4), может быть реализован в виде двух склеенных линз. Для ИК области спектра использование таких компонентов недопустимо. Наиболее простым компонентом, где реализуется условие (3.4) 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 (3.4) оказывается, как правило, весьма малой.
Поэтому было предпринято исследование с целью определения зависимости величины Р0 (минимальное значение основного параметра Р одиночной линзы) от линейного увеличения V для одиночных линз с одной асферической поверхностью из различных материалов, используемых в ИК-области спектра при условии (3.4).
Согласно Г.Г.Слюсареву минимальное значение основного параметра Р одиночной расположенной на бесконечности линзы без асферических поверхностей равно PQ, определенному по формуле [27]: Р0 = (4« - \)п I [4 (2+п) (л-1)2], (3.5) п - показатель преломления материала линзы. Значения Р0 для различных основных материалов работы в ИК области спектра были рассчитаны и представлены в сроке «1 » таблицы 3.1. Дальше выполнено численное исследование зависимости параметра Р0 линзы с одной асферической поверхностью от её линейного увеличения V. Здесь Р0 определено таким образом: На основе результатов в таб.3.1 выведен принцип построения исходной системы для расчета линзовых тепловизионных объективов [29].
Представим исходную оптическую систему, состоящую из к тонких одиночных линз с оптическими силами фі и видимыми увеличениями V,, как показано на рис.3.2. При малых значениях полей и апертур для устранения сферической аберрации, комы, астигматизма и кривизны изображения должны соблюдаться следующие условия :
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. Дальше предлагается, что исходная система имеет тип триплет, который чаще всего встречается в практике. Пусть все линзы выполнены из одного и того же материла. Будут выведены формулы для габаритного расчета такой системы, при которых условие (3.10) выполняется.
С целью повышения характеристик тепловизоров, что необходимо для работы с двумя различными диапазонами ИК области-спектра, в этом разделе рассмотрена оптическая система, предназначенная для г разделения лучей по участкам. ИК спектра в приборах, которые работают одновременно в двух различных диапазонах спектра с двумя отдельными приемниками.
В оптических приборах, работающих одновременно в двух различных областях спектра, с целью разделения лучей по участкам спектра» были использованы спектроделители в виде либо куб-призм, либо наклонной пластины, расположенной в параллельном пучке (см.рис.ЗАа). Однако обе эти схемы- имеют свои ограниченности. Использование спектроделителей в виде куб-призм для приборов с двумя ИК приемниками, работающими в двух различных спектрах, невозможно из-за отсутствия клея, прозрачного в этой области спектра и- способного соединять соответствующие оптические материалы. В второй традиционной схеме необходимы два отдельных объектива.
Запатентованный объектив
Наклонная- пластина вносит кому, астигматизм и хроматизм увеличения. Эти аберрации предлагается компенсировать следующим, способом: - для исправления астигматизма используется линза- с цилиндрической поверхностью.
Цилиндрическая линза имеет разные по меридиональной и сагиттальной плоскостям, радиусы-кривизны, то его изображения в главном сечении и в сечении, перпендикулярном главному сечению, получаются на различных расстояниях, т.е возникает астигматизм первого порядка. Эта аберрация компенсирует астигматизм, вносимый пластиной.
Компенсатор1 содержит неподвижные поверхности и поверхности, которые перемещаются на определенной величине в направлении, перпендикулярном оптической оси. При перемещениях поверхностей будет создана децентрировка и в то время компенсируется кома наклонной пластины за счет комы, вызванной именно этой децентрировкой.
Для исправления хроматизма увеличения децентрировки линзы компенсатора1 и пластина выполняются из материалов, имеющих малую дисперсию, таких, как германий, кремний, и.т.д.
Для расчета компенсатора необходимо знать следующие величины до расчета: - Последний1 отрезок объектива 6"(см.рис.3.5), - Размер / изображения AjBi объектива, - Числовую апертуру в пространстве изображения объектива А , - Расстояние а от первой поверхности компенсатора до изображения AiBi объектива. Это расстояние примерно вычисляется по следующей формуле (3.28): a = S -Z1-Z2--, (3.28) п где: S - Последний отрезок объектива, Z/- Расстояние вдоль оптической оси от последней поверхности объектива до пластины, Zr- Расстояние от пластины до первой поверхности компенсатора, d - Толщину пластины, п - Показатель преломления материала пластины.
Компенсатор был выбран, так чтобы его предмет AiBi и изображение Ai Bi вместе находятся справа от компенсатора (см.рис.3.5); компенсатор имеет видимое увеличение равное приблизительно единице в соответствии с положением предмета АіВІ5 чтобы создающее им изображение идентифицировало с изображением, созданным тоже самым объективом для работы с другим приемником.
Сначала компенсатор был выбран как одиночная линза. Пусть видимое увеличение этой линзы равно 0.99, тогда углы первого параксиального луча с оптической осью имеют значения: aj = 1, а2 и аз = 1.01. Толщина линзы dj выбирается так, что нельзя меньше 4 для обеспечения возможности разделения её на две части и нельзя большая, поскольку увеличение толщины приводит к росту аберрации высшего порядка. В данной работе были выбраны исходные параметры компенсатора со следующими значениями: di — 5 мм, а.2 — 0.5 Задав все данные: / , a, dj, а/, а2 и аз в программу автоматического проектирования оптики CAPO; выполнив- исправление в отношении сферической аберраций, комы и астигматизма с помощью параметров а2, d и смещением, плоскости установки; одиночная линза стала безаберрационной линзой.
Дальше безаберрационная линза была разделена плоскостями на две части 1 и 2 (см. рис.3.5). С помощью программы автоматического проектирования оптики плоская поверхность линзы 1 была преобразована в цилиндрическую для исправления астигматизма, вносимого пластиной. Вторая по ходу лучей поверхность линзы 2 была перемещена в меридиональной плоскости на определенной величине т по направлению, перпендикулярному оптической оси для создания децентрировки, компенсирующей кому пластины.
