Синтез суперсверхширокоугольного объектива (насадки) для инфракрасной области спектра06.12.2020 16:32

Введение

Расширение обозреваемого оптической системой пространства с целью повышения информативности и сохранением приемлемого качества изображения, всегда будет являться актуальной задачей оптиков-расчётчиков. Известны многочисленные подходы получения панорамных изображений, однако самыми доступными остаются центрированные линзовые системы. Наряду с этим, трудно не заметить бурный рост такого направления оптико-электронного приборостроения, как инфракрасные системы «смотрящего» типа, где основным функциональным элементом является матричный приемник излучения. Используемые материалы для создания оптических систем инфракрасного диапазона не без недостатков, но имеют широкие коррекционные возможности за счёт высоких показателей преломления и нетипичных коэффициентов дисперсии.

Синтез

После предварительного габаритного расчёта с учётом параметров приёмника излучения — начальный этап синтеза дисторзирующего суперсверхширокоугольного объектива — это создание панорамной оптической системы с полусферическим (полнокупольным) полем зрения 180×360º, формирующейся из афокальной насадки (конвертора) в виде телескопической системы Галилея и базового объектива, их дальнейшее совмещение через общую апертурную диафрагму и совместная оптимизация. [1, 2] При их создании и последующей коррекции аберраций наиболее эффективно использование композиционных методов [3]. Далее, со стороны пространства предметов, к полученной оптической системе присоединяется выпукло-вогнутый отрицательный (рассеивающий) мениск с высоким показателем преломления и невысоким значением оптической силы. Назовём этот компонент суперсверхширокоугольной насадкой. Следующий этап синтеза — итерационное повышение углового поля до заданного при совместной оптимизации. В качестве переменных значений, с необходимыми конструктивными ограничениями, используются радиусы кривизны и толщины. Шаг увеличения углового поля — порядка 2–0,5°, с плавным уменьшением при достижении высоких значений и обновлением базовой целевой функции на каждом шаге оптимизации.

На одном из циклов оптимизации значение радиуса кривизны второй поверхности, а в последующем и первой поверхности  суперсверхширокоугольной насадки, превысит значение светового полудиаметра. Таким образом, полученная линза будет гиперполусферической, что крайне нежелательно с конструктивной точки зрения. Пример шестилинзового объектива с гиперполусферическими элементами и угловым полем 320° по углу места и 360° по азимуту, показан на рис. 1.

Рис. 1. Объектив с гиперполусферическими радиусами кривизны

Для устранения этого эффекта, необходимо задать ограничивающую оценочную функцию, контролирующую радиус кривизны второй поверхности оптической системы. Для этих целей могут быть использованы встроенные операторы оптимизации (табл. 1). Подробно ознакомиться с используемыми операторами оптимизации можно в руководстве по эксплуатации программы «Zemax». [4] Способ устранения гиперполусферичности при помощи соответствующего пункта в свойствах поверхности, для ряда случаев может некорректно работать одновременно для двух поверхностей, поэтому не рекомендуется к использованию.

Таблица 1. Фрагмент редактора целевой функции оптимизации

Особый интерес будет представлять оптическая система, работающая в двух режимах, когда при постоянном значении размера изображения и при минимальном ухудшении качества получаемого изображения, изменяется угловое поле — с полусферического на заданное суперсверхширокопольное, без включения в схему суперсверхширокоугольной насадки и с её использованием, соответственно.

Для создания такой системы была применена следующая простая методика: в полученной оптической системе исключается из расчёта суперсверхширокоугольная насадка; производится оптимизация на угловое поле 2ω=180°; вновь добавляется суперсверхширокоугольная насадка; система повторно совместно оптимизируется для заданного углового поля 2ω≥300° с переменными параметрами только для суперсверхширокоугольной насадки и её положения.

Тут важно отметить, что для получения максимальных результатов по оптимизируемости системы, наилучшим подходом будет, перед исключением суперсверхширокоугольной насадки, контроль угла падающего на третью поверхность в 90º, используя соответствующие операторы.

Применение методики

Далее рассмотрен пример полученной таким образом оптической системы (табл. 2). В качестве исходных данных принят матричный фотоприёмный модуль средневолновой области инфракрасного спектра Δλ=3,6÷4,9 мкм, формата 512×512 (циркулярное исполнение) с шагом 15 мкм, в котором используется охлаждаемая диафрагма диаметром 8 мм и высотой 24 мм. Оптическая схема, с указанием хода главных и крайних лучей, представлена на рис. 2.

Таблица 2. Параметры оптической системы

Рис. 2. Панорамная оптическая система со сменной суперсверхширокоугольной насадкой. По ходу лучей в системе использованы следующие материалы оптических элементов: Si, ZnSe, ZnSe, Al2O3, ZnSe.

Ниже представлены результаты анализа оптической системы для двух режимов работы. Данные по функции концентрации энергии не менее 0,5 в размере элемента матричного приемника излучения (рис. 3). Модуляционная передаточная функция не менее 0,3 на частоте Найквиста (рис. 4). Среднеквадратическое значение (СКЗ) ошибок волнового фронта практически не превышает дифракционного предела (рис. 5). Пятно рассеяния выходит за пределы кружка Эйри незначительно (рис. 6). В идеальном приближении, относительная освещённость по полю не менее 95%, что во многом определяется совмещением апертурной диафрагмы (выходного зрачка) с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, для её 100% эффективности [5]. Влияние аберраций в зрачках отсутствует.

Рис. 3. Дифракционная функция концентрации энергии в квадратной зоне (быстрое преобразование Фурье (БПФ))Рис. 4. Полихроматическая дифракционная модуляционная передаточная функция (БПФ)Рис. 5. СКЗ ошибок волнового фронта в зависимости от поляРис. 6. Точечная диаграмма пятна рассеяния

Один из главных параметров дисторзирующих (дисторсирующих) объективов — тип отображающей функции [6]. Обычно, в качестве идеального значения, приводится эквидистантная отображающая функция или F-θ дисторсия (в данном случае ω=θ), устанавливающая связь размера изображения в виде произведения фокусного расстояния и углового поля. В данном примере относительное значение отклонения этого параметра не превышает 25% (рис. 7). Стоит заметить, что для примера на рис. 1, за счёт гиперполусферических поверхностей и при должной оптимизации, это значение практически равняется нулю, что является вполне ожидаемо.

Рис. 7. Кривизна поля и F-θ дисторсия

Такого рода системы возможно применять для обозрения полной сферы пространства предметов 360°×360°, при использовании двух объективов с противоположно направленными визирными осями. Так, к примеру, по аналогичной методике созданный объектив в длинноволновой ИК области спектра в паре с вышеописанным, в итоге даст оптико-электронный комплекс, работающий одновременно в двух спектральных диапазонах в пределах боковых, наложенных друг на друга угловых полей зрения по 120°, в сумме дающих 240° (рис. 8).

Рис. 8. Двухканальный всеобзорный оптико-электронный комплекс

Заключение

Рассмотренную методику можно использовать для синтеза исходных оптических систем широкопольных инфракрасных приборов.

Безусловно, сама методика и полученные с её помощью системы требуют дальнейших исследований и практической реализации для проверки полученных теоретических значений.

Очевидно, такие системы обладают низкой разрешающей способностью, ввиду их короткофокусности, ограничивая область применения на значительные дальности действия до систем работающих как теплопеленгационные. Кроме того, имеют место быть жёсткие допуски на изготовление и взаимное расположение элементов. Применяя специальные математические методы, частично эта проблема может решиться перебалансировкой допусков. Несомненно, столь высокие значения углового поля повысят значения эквивалентной шуму разности температур, и потоку видеоизображения придётся работать в режиме ограничения фоном. [7] Для того, чтобы это устранить, необходима коррекция на исправление эффекта Нарцисса [8], что потребует использование специальных типов поверхностей, или охлаждение элементов оптической системы. К недостаткам также можно отнести возможную потребность неравномерного распределения, от центра к краю, просветляющего покрытия на сферических поверхностях элементов.

Можно отметить отсутствие устоявшейся терминологии для описания этого типа объективов. Помимо приставки супер-, тут возможны вариации, такие как: гипер-, ультра-, экстра-, архи- и т.д.

Источники

1. Откупман Д.Г., Тимашова Л.Н. Синтез панорамного объектива тепловизионной системы среднего ИК-диапазона спектра // Научно-технический журнал «Контенант». 2018. Т. 17. №3. С. 47–54.

2. Откупман Д.Г., Тимашова Л.Н. Синтез особоширокоугольных объективов // Приложение к журналу Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». 2018. Выпуск 9. №6. С. 74–75.

3. Русинов М.М. Композиция оптических систем М.: Кн. дом «ЛИБРОКОМ», 2011. 384 с.

4. ZEMAX® Optical design program. User«s guide. Tucson, Arizona, USA: Zemax LLC, 2014. 879 p.

5. В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков Инфракрасные системы «смотрящего» типа М.: Логос, 2004. 444 с.

6. C. Hughes, P. Denny, E. Jones, M. Glavin Accuracy of fish-eye lens models // APPLIED OPTICS. 2010. V. 49. №17. P. 3338–3347.

7. M. Vollmer, K-P. Möllmann Infrared Thermal Imaging. Fundamentals, Research and Applications. Second Edition, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018.

8. J.W. Howard, I.R. Abel Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems // APPLIED OPTICS. 1982. V. 21. №18. P. 3393–3397.

© Habrahabr.ru