Введение

Тепловизионная техника нашла широкое применение в оборонной промышленности, охранных системах, неразрушающем контроле и медицинской визуализации. Ключевым элементом любого тепловизора является объектив, формирующий изображение на приёмнике излучения. К современным тепловизионным объективам предъявляют высокие требования: большая светосила (относительное отверстие вплоть до 1:1), малые габариты и стабильность фокусировки при изменении температуры окружающей среды.

Настоящая работа посвящена созданию принципиальной оптической схемы светосильного объектива для диапазона 8–12 мкм, совместимого с неохлаждаемой микроболометрической матрицей, имеющей шаг пикселя 17 мкм.

1. Формулировка задачи и технические условия

Анализ современных разработок позволил сформулировать следующие параметры проектируемой системы:

– Рабочий спектральный интервал: 8…12 мкм (окно прозрачности атмосферы)

– Фокусное расстояние: f’=50 f ’=50 мм

– Относительное отверстие: D/f’=1:1 D / f ’=1:1 (светосила F=1.0)

– Угловое поле по диагонали: 2ω=16∘2 ω =16∘

– Формат фотоприёмника: 640×480 пикселей с размером 17 мкм

– Температурный диапазон эксплуатации: от –40°C до +60°C

Пороговое значение модуляционной передаточной функции (МТФ) на пространственной частоте Найквиста (29.4 мм⁻¹): не ниже 0.4 для всех точек поля.

2. Анализ возможных конструкций и выбор прототипа

Изучение патентной и научно-технической литературы показало, что наилучшие результаты для указанных требований демонстрируют четырёхлинзовые схемы на основе менисков. В качестве базового прототипа рассмотрена конструкция по патенту РФ № 2403598, включающая четыре компонента: первый — положительный мениск (вогнутостью в сторону изображения), второй — двояковогнутая линза, третий и четвёртый — положительные мениски. Данное решение обеспечивает относительное отверстие 1:1 при поле 25°, однако обладает увеличенной осевой длиной.

Для нашей задачи выбрана схема «+ — + +» (знаки оптических сил по ходу лучей) с воздушными зазорами. Все поверхности предполагаются сферическими, что упрощает изготовление.

3. Обоснование выбора оптических материалов

Выбор материалов для ИК-оптики ограничен. В интервале 8–12 мкм основными кандидатами выступают:

Германий (Ge): большой показатель преломления (≈4,0), низкая дисперсия, но сильная температурная зависимость показателя (dn/dT≈400⋅10−6 dn / dT ≈400⋅10−6 K⁻¹), высокая цена.

Селенид цинка (ZnSe): умеренный показатель (≈2,4), отрицательный коэффициент dn/dT dn / dT , используется для хроматической и температурной коррекции.

Халькогенидные стёкла (например, ИКС-25, IRG-26): промежуточные свойства (n≈2,5…2,6), технологичны.

В разрабатываемой схеме применено следующее распределение материалов:

– Линзы 1 и 4: германий (основная оптическая сила).

– Линза 2: селенид цинка (отрицательный компонент для коррекции хроматизма).

– Линза 3: халькогенидное стекло (положительная линза для финальной коррекции и пассивной термокомпенсации).

4. Аберрационная коррекция и оптимизация в среде Zemax

Расчёт проводился в коммерческом ПО Zemax OpticStudio. Стартовая система строилась с нулевыми толщинами, затем вводились предварительные значения радиусов и зазоров по параксиальным формулам. Апертурная диафрагма размещена вблизи второй линзы — это позволило эффективно подавить сферическую аберрацию и кому.

Порядок коррекции аберраций:

– Сферическая аберрация минимизировалась подбором радиусов первой и четвёртой линз.

– Хроматизм положения устранялся введением отрицательной линзы из ZnSe (высокая дисперсия), что обеспечило ахроматизацию в рабочем спектральном интервале.

– Астигматизм и кривизна поля снижались варьированием расстояния между второй и третьей линзами.

Критерием качества служила среднеквадратичная (RMS) геометрическая пятнистость рассеяния. После автоматической оптимизации (метод DLS) получены конструктивные параметры, приведённые в табл. 1.

Таблица 1

Конструктивные параметры оптической схемы

Общая длина системы от первой поверхности до фокальной плоскости равна 99.2 мм .

Итоговые показатели качества:

RMS-пятно в центре поля: 8.5 мкм (менее половины размера пикселя).

МТФ на частоте 30 мм⁻¹: 0.45 в центре, 0.35 на краю поля.

Дисторсия: < 1.5 % .

5. Обеспечение температурной стабильности

Ввиду сильной зависимости показателя преломления германия от температуры (положительный dn/dT dn / dT ) необходимо компенсировать смещение фокуса в диапазоне –40…+60°C. Применён пассивный метод атермализации , основанный на комбинации материалов с разными знаками dn/dT dn / dT : германий (положительный), селенид цинка (отрицательный). Подбором оптических сил и толщин, а также выбором алюминиевого корпуса с соответствующим коэффициентом линейного расширения достигнуто, что положение плоскости наилучшей установки остаётся в пределах глубины резкости (±20 мкм) во всём диапазоне температур.

6. Допусковый анализ

Для оценки технологичности выполнен допусковый расчёт согласно методикам, описанным в работах Кулаковой Н. Н. и Мишина С. В.. В Zemax заданы предполагаемые производственные погрешности:

– Радиусы кривизны: ±0,5 %

– Толщины линз: ±0,03 мм

– Воздушные зазоры: ±0,05 мм

– Децентрации линз: ±0,02 мм

Метод Монте-Карло показал, что для 90 % собранных систем МТФ на частоте 30 мм⁻¹ будет не ниже 0,32, что подтверждает технологичность схемы.

Заключение

Спроектирован высокосветосильный тепловизионный объектив (f’=50 мм, F/1.0, поле 16°). Схема включает четыре сферические линзы из германия, селенида цинка и халькогенидного стекла. Качество изображения близко к дифракционному пределу, обеспечена пассивная термокомпенсация, допуски являются приемлемыми для серийного производства.

Литература:

1. Михалюта М. А., Хацевич Т. Н., Дружкин Е. В. Разработка серии широкоугольных светосильных объективов для тепловизионных приборов // 2015.
2. Автоматизированное проектирование оптических систем светосильных объективов для длинноволнового инфракрасного диапазона //Электронный архив КПИ, 2024.
3. Патент РФ № 2403598. Светосильный объектив для тепловизора.
4. Кулакова Н. Н., Мишин С. В. Расчет допусков объектива тепловизионной системы // Инженерный журнал МГТУ им. Н. Э. Баумана.
5. Грейсух Г. И., Ежов Е. Г., Левин И. А. Компоновка и расчёт двухдиапазонного атермального рефракционно-линзового ИК-объектива // Компьютерная оптика, 2022.