eng
Выпуск #4/2020
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Ахроматизированные объективы тепловизоров
Ахроматизированные объективы тепловизоров
Просмотры: 2253
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.360.367
Дано описание конструкции ахроматизированных объективов, работающих в ИК‑области спектра (8–12 мкм). При проектировании тепловизионных объективов необходимо учитывать тот факт, что размер пиксела современных микроболометров составляет 10–12 мкм, а плотность пикселей достигла формата 1 280 × 1 024. Эти параметры определяют более высокие требования, предъявляемые к качеству изображения, разрешающей способности и полю зрения разрабатываемого объектива. При этом объектив должен быть светосильным, термостабилизированным и иметь фокусировку. Рассмотрены объективы: 4-линзовый с фокусом 50 мм, 3-линзовый с фокусом 150 мм и 7-линзовый с переменным фокусом 30–150 мм.
Дано описание конструкции ахроматизированных объективов, работающих в ИК‑области спектра (8–12 мкм). При проектировании тепловизионных объективов необходимо учитывать тот факт, что размер пиксела современных микроболометров составляет 10–12 мкм, а плотность пикселей достигла формата 1 280 × 1 024. Эти параметры определяют более высокие требования, предъявляемые к качеству изображения, разрешающей способности и полю зрения разрабатываемого объектива. При этом объектив должен быть светосильным, термостабилизированным и иметь фокусировку. Рассмотрены объективы: 4-линзовый с фокусом 50 мм, 3-линзовый с фокусом 150 мм и 7-линзовый с переменным фокусом 30–150 мм.
Теги: achromatized lens focusing thermal stabilization zoom ахроматизированный объектив зум термостабилизация фокусировка
Ахроматизированные объективы тепловизоров
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Дано описание конструкции ахроматизированных объективов, работающих в ИК‑области спектра (8–12 мкм). При проектировании тепловизионных объективов необходимо учитывать тот факт, что размер пиксела современных микроболометров составляет 10–12 мкм, а плотность пикселей достигла формата 1 280 × 1 024. Эти параметры определяют более высокие требования, предъявляемые к качеству изображения, разрешающей способности и полю зрения разрабатываемого объектива. При этом объектив должен быть светосильным, термостабилизированным и иметь фокусировку. Рассмотрены объективы: 4-линзовый с фокусом 50 мм, 3-линзовый с фокусом 150 мм и 7-линзовый с переменным фокусом 30–150 мм.
Статья получена: 22.05.2020
Принята к публикации: 16.06.2020
Введение
Перечень доступных оптических материалов, прозрачных в области спектра 8–12мкм, весьма ограничен. Наиболее распространенный материал – германий. Он имеет высокий показатель преломления и низкую токсичность, что важно при производстве и эксплаутации объектива. Практически все оптические материалы, используемые в тепловизионных приборах, обладают сильной зависимостью показателя преломления от температуры. Поэтому при разработке объектива в его конструкции необходимо предусмотреть возможность термокомпенсации. Обычно для этой цели используют компенсацию в заднем отрезке объектива, перемещая объектив или микроболометрическую матрицу при колебаниях температуры, что значительно усложняет механику объектива.
Большинство современных объективов с фиксированным фокусом для тепловизоров состоит из 3–4 одиночных линз. Это связано прежде всего с необходимостью сочетания максимально достижимой светосилы и бюджетной стоимости. В то же время при ограниченном выборе марок стекол невозможно существенно улучшить качество изображения объектива, увеличивая количество линз или длину объектива. Поэтому многие разработчики [1, 2] активно используют в ИК‑объективах асферические линзы или дифракционные элементы. При таком подходе можно сократить количество линз, но добиться качественного улучшения разрешающей способности объектива не удается.
К тому же изготовление асферических менисков большого диаметра для объективов c относительным отверстием 1 : 1 довольно трудоемкий процесс из-за высоких требований к качеству изготовления оптических поверхностей. Их создание часто обнажает нецелесообразность с точки зрения соблюдения баланса между качеством изображения и стоимостью объектива.
Альтернативным методом достижения теоретического предела разрешения в объективе может быть его ахроматизация [3]. Этот метод заключается в подборе комбинации стекол, имеющих различные коэффициенты дисперсии. Правильный выбор дает возможность компенсировать хроматические аберрации и тем самым значительно повысить качество изображения объектива.
Фокусное расстояние и относительное отверстие
Известно, что дальность обнаружения объекта зависит от фокусного расстояния объектива и его светосилы. На рынке представлен широкий выбор тепловизионных объективов в диапазоне фокусных расстояний 30~300 мм и относительных отверстий F / 1~F / 1,5. Но большинство из них предназначены для формата 640 × 480 с размером пиксела 17–25 мкм.
С другой стороны, увеличение фокусного расстояния светосильного объектива приводит к значительному росту его габаритов и веса. В табл. 1 показана зависимость веса объектива от фокусного расстояния, светосилы, количества линз и длины. Но надо учитывать, что именно технологические возможности изготовления линз максимального диаметра с требуемой точностью определяют качество изображения создаваемых объективов.
Конструкция объективов
На рис. 1 показан вид и характеристики объективов. Слева представлен 4-линзовый объектив c фокусным расстоянием 50 мм и полем зрения 22°, справа – 3-линзовый объектив с фокусным расстоянием 150 мм и полем зрения 7,5°. Оба объектива рассчитаны для формата 1 280 × 1 024 с диагональю 20 мм. Объективы термостабилизированы и имеют функцию фокусировки на ближнюю дистанцию.
В 4-линзовом объективе – термостабилизация пассивная. Ее обеспечивает специальная комбинация стекол: наружные линзы выполнены из германия, а внутренние – из материала с низким показателем преломления. Все линзы объектива сферические. Результат пассивной стабилизации иллюстрируют графики оптической передаточной функции.
Определенная комбинация линз обеспечивает постоянство положения плоскости изображения при изменении рабочих температур от –50 °C до 50 °C. Подвижка последней линзы позволяет выполнить внутреннюю фокусировку на ближнюю дистанцию.
В 3-линзовом объективе функция термостабилизации совмещена с функцией внутренней фокусировки. В зависимости от выбранного конструктивного решения эти функции выполняют подвижки 2-й или 3-й линзы. В объективе наружные линзы созданы из германия, а средняя линза – из материала с низким показателем преломления.
Ахроматизация
На рис. 2 представлены графики, которые иллюстрируют уровень ахроматизации объективов. Смещение фокуса в пределах рабочего спектра (8–12 мкм) в объективе с фокусным расстоянием 50 мм составляет 12 мкм, а в объективе с фокусным расстоянием 150 мм достигает приблизительно 35 мкм.
Фокусировка
На рис. 3 показаны характеристики объективов при фокусировке на бесконечность и на ближнюю дистанцию: 2,5 м и 15 м соответственно.
Анализ допусков
В табл. 2 представлен результат влияния допусков на контраст изображения 4-линзового (слева) и 3-линзового (справа) объективов. Изменение контраста показано для пяти точек углового поля на пространственной частоте 30 лин / мм.
В табл. 3 приведены допуски на децентрировку и наклон. Табл. 4 содержит значения допусков на форму и толщину линз, воздушных промежутков и стекол.
Расчет показывает, что допуски на линзы 4-линзового объектива более строгие. Это значит, что конструкция 3-линзового объектива обладает меньшей чувствительностью к допускам.
Объектив с переменным фокусным расстоянием
Ахроматизированный 7-линзовый объектив с переменным фокусным расстоянием 30–150 мм, относительным отверстием 1 : 1,2 и полем зрения 33,7–7,6° показан на рис. 4. Все линзы объектива сферические, три линзы выполнены из материала с более низким, чем у германия, показателем преломления. Смещение фокуса в пределах рабочего спектра (8–12 мкм) в положении фокуса 30 мм составляет приблизительно 20 мкм, а в положении фокуса 150 мм достигает около 30 мкм.Температурная стабилизация выполняется при помощи функции зум. Длина объектива составляет 240 мм, задний отрезок 32 мм, вес линз 1 кг. Дисторсия при фокусном расстоянии 30 мм не превышает 5%.
Заключение
Ахроматизация позволяет повысить качество изображения объектива, обеспечить термостабилизацию, фокусировку и зум без выполнения технологически сложных асферических поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
US7835071. Far-infrared camera lens, lens unit and imaging apparatus / Tatsuya Izumi. – Pub.Date: Nov. 16, 2010.
US8279520. Wide field of view LWIR high speed imager / Lacy G. Cook, Eric M. Moskun – Pub. Date: Oct.2, 2012.
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные ИК‑объективы. Приборостроение‑2019: материалы 12-й Международной научно-технической конференции, 13–15 ноября 2019 года, Минск, Республика Беларусь / редкол.: О. К. Гусев. – Минск: БНТУ, 2019; 5–6.
SHishkin I. P., SHkadarevich A. P. Ahromatizirovannye IK‑ob»ektivy. Priborostroenie‑2019: materialy 12-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, 13–15 noyabrya 2019 goda, Minsk, Respublika Belarus’ / redkol.: O. K. Gusev. – Minsk: BNTU, 2019; 5–6.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
Дано описание конструкции ахроматизированных объективов, работающих в ИК‑области спектра (8–12 мкм). При проектировании тепловизионных объективов необходимо учитывать тот факт, что размер пиксела современных микроболометров составляет 10–12 мкм, а плотность пикселей достигла формата 1 280 × 1 024. Эти параметры определяют более высокие требования, предъявляемые к качеству изображения, разрешающей способности и полю зрения разрабатываемого объектива. При этом объектив должен быть светосильным, термостабилизированным и иметь фокусировку. Рассмотрены объективы: 4-линзовый с фокусом 50 мм, 3-линзовый с фокусом 150 мм и 7-линзовый с переменным фокусом 30–150 мм.
Статья получена: 22.05.2020
Принята к публикации: 16.06.2020
Введение
Перечень доступных оптических материалов, прозрачных в области спектра 8–12мкм, весьма ограничен. Наиболее распространенный материал – германий. Он имеет высокий показатель преломления и низкую токсичность, что важно при производстве и эксплаутации объектива. Практически все оптические материалы, используемые в тепловизионных приборах, обладают сильной зависимостью показателя преломления от температуры. Поэтому при разработке объектива в его конструкции необходимо предусмотреть возможность термокомпенсации. Обычно для этой цели используют компенсацию в заднем отрезке объектива, перемещая объектив или микроболометрическую матрицу при колебаниях температуры, что значительно усложняет механику объектива.
Большинство современных объективов с фиксированным фокусом для тепловизоров состоит из 3–4 одиночных линз. Это связано прежде всего с необходимостью сочетания максимально достижимой светосилы и бюджетной стоимости. В то же время при ограниченном выборе марок стекол невозможно существенно улучшить качество изображения объектива, увеличивая количество линз или длину объектива. Поэтому многие разработчики [1, 2] активно используют в ИК‑объективах асферические линзы или дифракционные элементы. При таком подходе можно сократить количество линз, но добиться качественного улучшения разрешающей способности объектива не удается.
К тому же изготовление асферических менисков большого диаметра для объективов c относительным отверстием 1 : 1 довольно трудоемкий процесс из-за высоких требований к качеству изготовления оптических поверхностей. Их создание часто обнажает нецелесообразность с точки зрения соблюдения баланса между качеством изображения и стоимостью объектива.
Альтернативным методом достижения теоретического предела разрешения в объективе может быть его ахроматизация [3]. Этот метод заключается в подборе комбинации стекол, имеющих различные коэффициенты дисперсии. Правильный выбор дает возможность компенсировать хроматические аберрации и тем самым значительно повысить качество изображения объектива.
Фокусное расстояние и относительное отверстие
Известно, что дальность обнаружения объекта зависит от фокусного расстояния объектива и его светосилы. На рынке представлен широкий выбор тепловизионных объективов в диапазоне фокусных расстояний 30~300 мм и относительных отверстий F / 1~F / 1,5. Но большинство из них предназначены для формата 640 × 480 с размером пиксела 17–25 мкм.
С другой стороны, увеличение фокусного расстояния светосильного объектива приводит к значительному росту его габаритов и веса. В табл. 1 показана зависимость веса объектива от фокусного расстояния, светосилы, количества линз и длины. Но надо учитывать, что именно технологические возможности изготовления линз максимального диаметра с требуемой точностью определяют качество изображения создаваемых объективов.
Конструкция объективов
На рис. 1 показан вид и характеристики объективов. Слева представлен 4-линзовый объектив c фокусным расстоянием 50 мм и полем зрения 22°, справа – 3-линзовый объектив с фокусным расстоянием 150 мм и полем зрения 7,5°. Оба объектива рассчитаны для формата 1 280 × 1 024 с диагональю 20 мм. Объективы термостабилизированы и имеют функцию фокусировки на ближнюю дистанцию.
В 4-линзовом объективе – термостабилизация пассивная. Ее обеспечивает специальная комбинация стекол: наружные линзы выполнены из германия, а внутренние – из материала с низким показателем преломления. Все линзы объектива сферические. Результат пассивной стабилизации иллюстрируют графики оптической передаточной функции.
Определенная комбинация линз обеспечивает постоянство положения плоскости изображения при изменении рабочих температур от –50 °C до 50 °C. Подвижка последней линзы позволяет выполнить внутреннюю фокусировку на ближнюю дистанцию.
В 3-линзовом объективе функция термостабилизации совмещена с функцией внутренней фокусировки. В зависимости от выбранного конструктивного решения эти функции выполняют подвижки 2-й или 3-й линзы. В объективе наружные линзы созданы из германия, а средняя линза – из материала с низким показателем преломления.
Ахроматизация
На рис. 2 представлены графики, которые иллюстрируют уровень ахроматизации объективов. Смещение фокуса в пределах рабочего спектра (8–12 мкм) в объективе с фокусным расстоянием 50 мм составляет 12 мкм, а в объективе с фокусным расстоянием 150 мм достигает приблизительно 35 мкм.
Фокусировка
На рис. 3 показаны характеристики объективов при фокусировке на бесконечность и на ближнюю дистанцию: 2,5 м и 15 м соответственно.
Анализ допусков
В табл. 2 представлен результат влияния допусков на контраст изображения 4-линзового (слева) и 3-линзового (справа) объективов. Изменение контраста показано для пяти точек углового поля на пространственной частоте 30 лин / мм.
В табл. 3 приведены допуски на децентрировку и наклон. Табл. 4 содержит значения допусков на форму и толщину линз, воздушных промежутков и стекол.
Расчет показывает, что допуски на линзы 4-линзового объектива более строгие. Это значит, что конструкция 3-линзового объектива обладает меньшей чувствительностью к допускам.
Объектив с переменным фокусным расстоянием
Ахроматизированный 7-линзовый объектив с переменным фокусным расстоянием 30–150 мм, относительным отверстием 1 : 1,2 и полем зрения 33,7–7,6° показан на рис. 4. Все линзы объектива сферические, три линзы выполнены из материала с более низким, чем у германия, показателем преломления. Смещение фокуса в пределах рабочего спектра (8–12 мкм) в положении фокуса 30 мм составляет приблизительно 20 мкм, а в положении фокуса 150 мм достигает около 30 мкм.Температурная стабилизация выполняется при помощи функции зум. Длина объектива составляет 240 мм, задний отрезок 32 мм, вес линз 1 кг. Дисторсия при фокусном расстоянии 30 мм не превышает 5%.
Заключение
Ахроматизация позволяет повысить качество изображения объектива, обеспечить термостабилизацию, фокусировку и зум без выполнения технологически сложных асферических поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
US7835071. Far-infrared camera lens, lens unit and imaging apparatus / Tatsuya Izumi. – Pub.Date: Nov. 16, 2010.
US8279520. Wide field of view LWIR high speed imager / Lacy G. Cook, Eric M. Moskun – Pub. Date: Oct.2, 2012.
Шишкин И. П., Шкадаревич А. П. Ахроматизированные ИК‑объективы. Приборостроение‑2019: материалы 12-й Международной научно-технической конференции, 13–15 ноября 2019 года, Минск, Республика Беларусь / редкол.: О. К. Гусев. – Минск: БНТУ, 2019; 5–6.
SHishkin I. P., SHkadarevich A. P. Ahromatizirovannye IK‑ob»ektivy. Priborostroenie‑2019: materialy 12-j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, 13–15 noyabrya 2019 goda, Minsk, Respublika Belarus’ / redkol.: O. K. Gusev. – Minsk: BNTU, 2019; 5–6.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т.н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Отзывы читателей
