Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Пленки выдерживают температурные воздействия от -62 до +71°С в течение двух часов (при каждой температуре), а также работоспособны в течение 24 ч при температуре 49°С и относительной влажности 95...100%. Коэффициенты отражения поверхностей, покрытых такими пленками, составляют обычно 1.. .3%.

Основным недостатком линзовых систем остается сравнительно невысокий коэф­фициент пропускания, хотя появившиеся в последнее время новые оптические мате­риалы (кристаллы, оптические керамики и др. [61, 106, 220 и др.]) позволяют заметно уменьшить потери на поглощение и отражение на оптических поверхностях, особенно при их просветлении.

В табл. 6.5 и 6.6 приведены параметры работающих в ИК-области спектра объекти­вов. Объективы, перечисленные в табл. 6.5 [5], предназначены для совместной работы с микроболометрическим МПИ форматом 320 х 240, общим размером 12,24 х 16,32 мм и размером чувствительного слоя элемента 35 х 35 мкм. Размеры аберрационных круж­ков в центре и на краю углового поля, приведенные в табл. 6.5, рассчитывались для уровня 0,1...0,2 максимальной облученности в изображении. Эти объективы состоят из двух тонких линз (положительных менисков) с задним фокальным от­резком не менее 33 мм. Для умень­шения длины объектива и улучшения качества изображения в объективах использованы асферические поверх­ности, изготавливаемые алмазным точением. Поскольку число компо­нентов у двух последних объектов (табл. 6.5) мало (два), пропускание объективов достаточно велико, а мас­са и габариты меньше, чем у объек­тивов, имеющих сферические по­верхности.

В ГОИ им. С. И. Вавилова была рассчитана гамма линзовых объекти­вов для спектрального диапазона

8.. . 12 мкм с относительным отвер­стием 1:1,4 и фокусными расстоя­ниями 35, 38 и 220 мм для МПИ с размерами по диагонали 15 и 33,5 мм [220]. Помимо сферических в них используются и асферические, и киноформные поверхности (см. §6.6).

Фирмой «БЮР» (США) было создано семейство линзовых объективов из германия, имеющих относительные отверстия 1:0,8 и 1:1 и работающих в спектральном диапазо­не 8... 12 мкм в составе ИКС с неохлажцаемыми приемниками типа микроболометров [187]. Эти объективы с фокусными расстояниями от 13 до 200 мм обеспечивают хоро­шее разрешение в линейном поле в плоскости изображения до 20 мм по диагонали. В них также используются асферические поверхности. Для микроболометрических МПИ тех же размеров объективы, построенные по схеме, представленной на рис. 6.5, и имеющие относительное отверстие 1:0,8, обеспечивают то же разрешение при угловых полях в 18° (фокусное расстояние 50 мм) и 4,6° (фокусное расстояние 200 мм). Объек­тивы имеют компактную конструкцию с соотношением диаметра к длине порядка 1:1.

Параметры некоторых линзовых объективов, разработанных Государственным институтом прикладной оптики (ГИПО)

Объективы для длинноволнового ИК-диапазона (8... 14мкм), разработанные и выпускаемые ОАО ЦНИИ «Циклон»

Объектив, показанный на рис. 6.5,а, имеет диаметр входного зрачка 25 мм и угловое поле 35,5°. Приемник, устанавливаемый за объективом, имеет 320 элементов по горизонта­ли, расположенных с шагом 50мкм. Габаритные размеры такого объектива с пластмассо­вой оправой — порядка 50x63 мм, а масса — менее 52 г. Объектив обладает хорошим пропусканием в области 8... 12 мкм (более $4%) и обеспечивает высокое качество изо­бражения (на пространственной частоте 10 лин/мм спад частотной характеристики для углового поля в 28° не превышает 0,4).

Гораздо большим пропусканием, причем в широком спектральном диапазоне, обла­дают зеркальные системы, в которых также практически отсутствует хроматизм. Такие системы более устойчивы к радиационным воздействиям, чем линзовые. В них гораздо меньше источников мешающего рассеянного излучения - боковых помех, которые в линзовых системах могут возникать из-за неоднородностей в материалах оптических деталей (свилей и др.), а не только из-за рассеяния на оправах компонентов. Однако меньшее, чем у линз, число параметров (радиусов кривизны поверхностей) не позволя­ет из-за значительных полевых (внеосевых) аберраций достичь хорошего качества изо­бражения в системах, состоящих из одной или двух-трех сферических отражающих поверхностей, для тех же угловых полей и относительных отверстий, что имеют одно­типные по сложности линзовые системы. Поэтому на практике часто используют асфе­рические отражающие поверхности, например параболические, а еще чаще зеркально­линзовые системы. Последние при достаточно высоком пропускании и хорошем каче­стве изображения могут иметь большие относительные отверстия и значительные угло­вые поля. В зеркально-линзовых объективах удается уменьшить продольные размеры оптической системы.

Используемые в зеркально-линзовых системах положительные и отрицательные ме­ниски благодаря небольшой толщине обладают достаточно хорошим пропусканием. Они позволяют исправить сферическую аберрацию зеркал; кроме того, их можно сде­лать ахроматичными. В ряде схем сферическая аберрация коррегируется специальными пластинами, одна из поверхностей которых выполняется асферической (система Шмидта). В зеркально-линзовых системах также часто используются асферические зеркала. При необходимости получить изображение высокого качества в этих системах вблизи фокальной плоскости объектива располагают линзовые элементы (корректоры). Такая конструкция позволяет выполнить небольшой по диаметру корректор из мате­риала, хорошо пропускающего излучение в ИК-диапазоне спектра (изготовление линз большого диаметра из многих материалов, обладающих малым поглощением в этом диапазоне, в настоящее время технологически невозможно).

В качестве примера на рис. 6.6 показаны распространенные на практике схемы зеркальных и зеркально-линзовых объективов [51]. В зеркальных и зеркально­линзовых системах с перекрытием части входного зрачка компонентами оптической схемы, например контррефлекторами (см. рис. 6.6,а, б, г), необходимо учитывать связь между диафрагменным числом системы К и максимальным обеспечиваемым при пере­крытии угловым полем 2(0 (рис. 6.7).

Е)

Рис. 6.6. Простые зеркальные и зеркально-линзовые системы: а - система Грегори (1 - вторичное зеркало, 2 - главный фокус, 3 - главное зеркало, 4 - фокальная точка); б - система Кассегрена (1 - затемнение, 2 - выпуклое вторичное зеркало, 3 - главное зеркало, 4 - фокальная точка); в - объектив Манжена; г - система Максутова-Бауэрса (1 - передний корректор, 2 - задний корректор, 3 - зеркало, 4 - контррефлектор, 5 - фокальная точка);

<3 - объектив Шмидта (1 - асферическая корректирующая пластина, 2 - сферический рефлектор,

3 - фокальная поверхность); е - скоррегированный концентрический объектив Максутова-Бауэрса - Т Ими ятя (1 - асферический корректор, 2 - диафрагма, 3 - менисковый корректор, 4 — фокальная

Поверхность, 5 - зеркало)

Для первого этапа выбора и расчета оп - тической схемы для ИКС удобны зависи­мости углового размера кружка рассеяния от углового отклонения пучка лучей от оптической оси системы (половинного углового поля), приведенные для ряда рас­пространенных схем на рис. 6.8 [51]. Гори­зонтальные линии 1, 3, 6, 9 определяют сферические аберрации простых зеркал с диафрагменными числами К = 1, 2, 4 и 8 соответственно. Линии 4 и 7 соответству­ют суммарным аберрациям для системы Максутоваг-Бауэрса с задним расположе­нием мениска (см. рис. 6.6,г) для диафраг - менных чисел К = 1 и 7<Г= 1,5 с корректо­ром, изогнутым в направлении зеркала, а линии 2, 5 и 8 - для системы Максутова - Бауэрса с передним расположением мени­ска для К = 0,65; 1 и 1,5 соответственно при изгибе корректора в противополож­ную от зеркала сторону. Линии 10... 13 представляют кому, а линии 14... 17 - астигматизм сферических или параболических зеркал с К = 1, 2, 4 и 8 соответственно при расположении апертурной диафрагмы на зеркале. Линии 18...22 относятся к системе Шмидта (см. рис. 6.6,д) при К = 1; 1,4; 2; 2,8 и 4 соответственно. Авторы [51] рекомендуют пользоваться последними графиками при со > 0,3 рад «с определенным скептицизмом».

Хотя рекомендация [51] о простом сложении угловых размеров р кружков рассея­ния, создаваемых из-за сферической аберрации и комы, далеко не всегда приемлема, значения Р, получаемые из зависимостей, приведенных на рис. 6.8, могут служить ис­ходными данными для выбора схемы объектива и дальнейшего его расчета методами, изложенными в многочисленной литературе по прикладной оптике.

Часто оптическая система ИКС должна работать одновременно в нескольких спек­тральных диапазонах, например в видимом, в среднем ИК (3...5 мкм) и длинноволно­вом (8...12 мкм), или в одном широком, охватывающем их диапазоне, например 0,4... 12,0 мкм. Проще всего решить эту задачу с помощью зеркальных и зеркально­линзовых систем. Один из вариантов такой системы рассмотрен в [237]. В схеме на рис. 6.9 мениск 1 и зеркала 2 и 3 представляют собой объектив Максутова-Кассегрена, а зеркало 4 и зеркало Манжена 5 - конденсор, расположенный в зоне перекрытия вход­ного пучка контррефлектором 2. Изображение пространства предметов строится на приемнике излучения 7. Мениск 1, являющийся защитным элементом или обтекателем, может отсутствовать, и в этом случае вместо зеркала Манжена 5, предназначенного для коррекции хроматизма и компенсации термоаберраций, вносимых мениском 1, можно
использовать простое сферическое зеркало. Зеркало 2 может быть асферическим. Ма­териалы, из которых изготавливаются мениск 1 и зеркало 5, должны быть прозрачны в широком спектральном диапазоне. Так, в [237] предлагается выполнять мениск из сульфида цинка. Размеры и расположение компонентов 4 и 5 подбирают так, чтобы минимизировать виньетирование, особенно заметное при увеличении углового поля системы.

Для изменения углового поля такой системы (увеличения в три раза) в [237] предла­гается ввести зеркало б, которое может, перемещаясь вдоль оптической оси, занимать одну из двух позиций, показанных на рис. 6.9 пунктиром. В одном положении зеркало 6 располагается ближе к мениску 1 и не перекрывает лучи, идущие от зеркала 2 к зер­калу 3. В другом (6') оно как бы заменяет собой зеркало 2, и хотя входной зрачок объ­ектива уменьшается, угловое поле системы увеличивается. Подвижный компонент 6 может быть выполнен в виде зеркала Манжена, что улучшает условия коррекции абер­раций и возможных температур­ных расфокусировок.

Результаты расчета оптиче­ской схемы, представленной на рис. 6.9, показали, что для осе­вых пучков в области спектра

8.. .12мкм можно достичь ди­фракционного предела, хотя в видимой области качество изо­бражения ограничивается абер­рациями (наиболее заметно ска­зывается остаточный астигма­тизм, а в широкоугольной систе­ме - кривизна поля). Частотно­контрастная характеристика сис­темы как в видимом, так и в ИК - диапазоне (8...12мкм) при изме­нениях температуры от -30 до +70°С практически не изменялась, что свидетельствует о хорошей атермализации системы, т. е. о ма­лых термоаберрациях.

В объективах с переменным фокусным расстоянием использу­ется либо плавное (вариобъекти - вы), либо дискретное (ступенча­тое) изменение /'. Чем больше диапазон изменения /', а следова­тельно, и увеличения оптической

Системы, тем сложнее вариобъектив, тем больше его габаритные размеры, масса, стои­мость. Большинство вариобьективов линзовые, однако известны и чисто зеркальные, например те, в которых используются две последовательно расположенные системы Кассегрена [195]. Однако диапазон изменения/' у последних обычно невелик (до трех крат).

Более просты по конструкции и надежнее в эксплуатации объективы со ступенча­тым изменением фокусного расстояния. Иногда для переключения /' достаточно про­стого поворота группы линз на 90°, в результате эта группа вводится в ход лучей, строящих изображение, или выводится из него. В зеркально-линзовых объективах воз­можно ступенчатое изменение продольного положения компонентов системы, как это

Показано, например, на рис. 6.9. При этом могут использоваться дихроичные зеркальные поверхно­сти, отражающие излучение в одном из рабочих спектральных диапазонов и пропускающие его в другом. Такие системы могут одновременно рабо­тать как в активном (приемно-передающем), так и в пассивном режимах.

Производители оптических систем стремятся унифицировать свои разработки, следуя модульно­му принципу конструирования многих современ­ных ИКС. В качестве примера можно привести па­раметры объективов, выпускаемых компанией «Janos Technology» (США) и предназначенных для работы в составе различных ИКС (табл. 6.7).

Объективы каждого типа выпускаются с различ­ными фокусными расстояниями (табл. 6.7), кото­рым для сохранении размера изображения постоян­ным соответствуют переменные угловые поля. Из­менения пропускания для различных модификаций объективов одного типа незначительные и состав­ляют единицы процентов (табл. 6.7). При постоянном размере изображения и перемен­ном ряде фокусных расстояний такие объективы легко сопрягаются с фотоприемным устройством постоянного формата, т. е. с одним и тем же МПИ.