Разработка и исследование линзовых объективов для тепловизионных приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Чан Куок Туан

• Чан Куок Туан
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Куок Туан

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВИРОВ И ТИПОВ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ ОБЪЕКТИВОВ

1.1. Назначение и короткая история тепловизионных приборов.

1.2. Классификация и тенденция развития ТП.

1.3. Объективы для тепловизоров разных поколений.

1.4. Характеристики некоторых современных объективов для ТВП

1.5. Постановка задачи.

Глава 2: ОСНОВЫ ПРИЕМА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1. Основы теплового излучения.

2.2. Оптические материалы, используемые в дальней ИК области спектра

2.2.1. Типы ИК материалов.

2.2.2.1.

Пропускание оптических материалов для теплового излучения 2.2.3. Покрытие поверхностей оптических деталей для увеличения коэффициента пропускания в ИК области.

2.3. Прием теплового излучения и типы приемников.

2.3.1. Прием теплового излучения.

2.3.2. Приемники теплового излучения.

2.4. Критерий оценки качества тепловизионных объективов по ^ характеристикам матричных приемников.

2.5. Выводы.

Глава 3:.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗОРА

3.1. Расчет энергии и габаритов оптических систем в тепловизионных приборах.

3.1.1. Определение фокусного расстояния линзового объектива.

3.1.2. Определение диаметра входного зрачка.

3.2. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов.

3.2.1.

Определения зависимости величины Р0 от линейного увеличения V для одиночных линз с одной асферической поверхностью при условии (3.4)

3.2.2. Принцип построения исходных систем для тепловизионного объектива.

3.3. Линзовые тепловизионные объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы.

3.4. Спектроделительная оптическая система для приборов, работающих одновременно в двух различных диапазонах ИК области спектра.

3.4.1. Расчет аберраций децентрировки. Эмпирические формулы их расчета.

3.4.2. Принцип компенсации аберраций, вносимых наклонной плоскопараллельной пластиной.

3.4.3. Расчет компенсатора аберраций.

3.4.3. Некоторые типовые варианты расчета спекроделительной оптической системы.

3.5. Выводы.

Глава 4: РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.

4.1. Объективы, исходные системы которых рассчитаны по предлагаемой методике.

4.1.1. Запатентованный объектив.

4.1.2. Другие типовые объективы.

4.2. Типовые объективы, исходные системы которых имеют особенные оптические схемы.

4.3. Численные расчеты чувствительности полученных систем к малым изменениям их конструктивных параметров.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование линзовых объективов для тепловизионных приборов»

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 f' = 300мм, диаметром входного зрачка £) = 175мм, угловым полем 2\у = 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 для 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,

3. Разработка методики расчета линзовых объективов, работающих с выше перечисленными матричными приёмниками,

4. 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.

2. Разработка оригинальной и эффективной методики синтеза исходных систем для расчета линзовых объективов тепловизоров.

3. 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.

3. Разработана эффективная методика синтеза исходных систем для расчета линзовых объективов тепловизоров.

4. 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%.

5. Разработана новая спектроделительная оптическая схема для ИК области спектра и выполнен расчет компенсатора аберраций децентрировки.

6. Выполнены численные расчеты нескольких типовых линзовых объективов по предлагаемой методике.

7. Определены чувствительности полученных систем к малым изменениям конструктивных параметров (допускам).

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Эффективная методика для расчета тепловизионных линзовых объективов.

2. Эмпирические формулы для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под угол 45° плоскопараллельной пластиной.

3. Спектроделительная оптическая схема для дальней ИК области спектра и расчет компенсатор аберраций децентрировки.

4. 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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Чан Куок Туан

Основные результаты и перспективы развития данной работы:

1. Разработана эффективная методика синтеза исходных линзовых ИК объективов, основанная на использовании усовершенствованного метода Г.Г. Слюсарева построения оптических систем из бесконечно тонких компонентов без асферических поверхностей для последующей оптимизации.

2. На примерах расчета семи объективов подтверждена эффективная разработанная методика.

3. Путем сравнения результатов расчетов чувствительности разработанных по предлагаемой и традиционной методиками показана, что разработанная методика обеспечивает получение оптических систем более устойчивых к погрешности изготовления.

4. Получены эмпирические формулы с достаточной точностью для расчета аберраций децентрировки, вносимых расположенной в сходящемся пучке лучей наклонной под угол 45° плоскопараллельной пластиной.

5. Предложена новая спектроделительная оптическая схема для дальней ИК области спектра и расчет компенсатор аберраций децентрировки.

6. Показаны результаты практических расчетов типовых линзовых объективов для тепловизоров и их чувствительности к малым изменениям конструктивных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Куок Туан, 2008 год

1. Ллойд Дж. Системы тепловидения Шер.с англ. Н.В. Василъчен ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978. 414 с.

2. Мирошникол М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.- 696с.

3. Жуков А.Г. и др. Тепловизионные приборы и их применения / Под. ред. Н. Д. Девяткова. М.г Радио и связь, 1983. - 16S е.: ил.

4. М.М. Русинов; Вычислительная оптика- справочник; Ленинград; 1984.

5. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, .то Пер. с франц./ Под ред. л.Н. Курбатова.-М.: Мир, Ш

6. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев E.H. Теория оптико-электронных систем: Учебник для студентов вузов по оптическим-специальностям, М.: Машиностроение, 1990.-432 е.: ил.

7. Колючкин В.Я-, Мосягин Г.М; Тепловизионные приборы и системы; Учебное пособие,- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 52с.: ил.

8. Якушенков Ю.Г Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов,-5-е изд., перераб. и доп. М.: Логос, 2004/- 472 е.: ил.

9. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. - 444 е.: ил.

10. Криксунов Л.З, Г.А. Падалко. Тепловизоры: Справочник. К.: технжа, ШТ.- 166с.: ил.

11. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: Изд-ви. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 е.: ил.

12. Тарасов В.В:. Якушкенков Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем- второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования. -М.: Центральный научно-исследовательский институт "Циклон"-МИИГАиК, 2004.

13. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для студентов оптических специальностей вузов/Л.П. Лазарев, В.Я. Колючкнн, А.Ы. Метелкин, и др.; Под ред. Л.П.Лазарева, М: Машиностроение, 1986. - 216 е.: ил.

14. Криксунов Л.З, Справочник по основам инфракрасной техники- М.: Советское радио, 1978. -400 е.: ил.

15. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов /Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Пахли и др.; Под ред. Р.Дж. Киеса: Пор. с англ./ Под ред. В.В. Поспелова.-М.: Радио и связь, 1985. -328 е.: ил.

16. Богомолов П.А., Сидоров'В.И., Усольцев И.Ф. Приёмные устройства ИК-сисгем/ Под ред. В.И. Сидорова. М.: Радио и связь, 1987. - 208 е.: ил.

17. Пресс Ф.П. Фоточуаствитеяьные приборы с зарядовой связью. М:: Радио и связь, 1991. - 264 с.

18. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. -М.:Наука, 1986.-320с.

19. Пороговые фотоприёмники и матрицы ИК- диапазона/ В.Т. Хрлпов, В.И. Пономарекко, В.Г. Буткенич и др.// Оптический журнал.-1992. ->12.-С.ЗЗ-44.

20. Ерофейчев В.Г, Мирошников М.М. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении// Оптический журнал. 1997. - Т. 64, №2. - С. 5-12.

21. Л.В.Васильева и др. Проектирование и изготовление линзовых объективов для работы в ИК области спектра// Оптический журнал. -2003.-Т.70. №4. С.72-75.

22. Заявка на патент. Светосильный объектив для тепловизора. Номер регистрации: 2006142127. Дата поступления: 28.11.2006.

23. Фам.Ч.Х. Тепловизионные приборы (на Вьетнамском языке). Ханой. 2003. С.3-5.

24. А.П. Грамматин., Методы синтеза оптических систем, СПб ГУ ИТМО. СПб. 2002.

25. Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, В. П. Челибанов. Приемники излучения. Санкт- Петербург. 2003.

26. Якушенков Ю.Г Проектирование оптико-электронных приборов.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Логос. 2000. 487 с.

27. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969- 670с.

28. Кириченко Е. В. Принцип построения оптических систем из бесконечно тонких компонентов//ОМП. 1978. № 9. С. 17-20.

29. Чан К. Т., Грамматин А. П. Методика построения исходных систем для тепловизионных линзовых объективов/Юптический журнал. 2008. Т.75. № 07.

30. Чан К. Т. Светосильный анастигматический объектив типа «Триплет» для ИК- области спектра. Сборник трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2007». СПб. 2007. С.290- 291.

31. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1937- 698с.

32. Чан К. Т., Грамматин А. П. Аберрации наклонной плоскопараллельной пластины в сходящемся пучке лучей. Доклад на XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО. 1- 2008.

33. Чан К. Т., Грамматин А. П. Спектроделительная оптическая система для приборов, работающих одновременно в двух различных областях ИК спектра // Научно-технический выпуск 43, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. С.54- 57.

34. Чан К. Т., Грамматин А. П. Заявка на патент. Оптическая система спектроделителя для ИК- области спектра. Номер регистрации: 2007145791. Дата поступления: 10.12. 2007.

35. Л.Н. Андреев., В.А. Панов. Оптика микроскопов. Л.: Машиностроение. 1976.

36. Патент США № 4030805; дата опубликования 21.06.1977.Г.

37. Патент США № 4537464, опубликованный^1985.Г.

38. Российский патент № 2183340, опубликованный в 2002 .г.39: Бажанов Ю.В., Берденников А.В. и др. Объективы для работы' с. матричными приемниками, излучения в области: спектра 8- 14 мкм //Оптический журнал. 2002. Т.69. № 12.

39. Российский патент № 2050566, опубликованный 20.12.1995.г.

40. А.Марешаль, М. Франсон. Структура оптического, изображения. Мир. 1964 г., 295 стр.

41. Родионов С. А., Основы оптики: СПб:: ИТМО, 2002.,43 . Авдеев; С .П., Анализ и синтез оптико- электронных ; приборов; С-Петербург, 2000.44; Зверев. В. А., Точилина Т. В., Основы оптотехники, СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.

42. Запрягаева JI.A., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. М.: Логос, 2000.

43. Якушенкова Ю.Г., Теория и расчет оптико-электронных приборов; М.: Голос, 2004

44. Ишанин. Г.Г., Н. К. Мальцева, В. JI. Мусяков, Источники и приемники излучения, СПб ГУ ИТМО. СПб. 2006

45. Андреев JI.II. Прикладная теория аберраций. Учебное пособие. СПб: СПбГИ'ГМО (ТУ), 2002.

46. Зверев В.А. Основы геометрической оптики. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002.218 с. ;V

47. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.