НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 535.317

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

vychposp@yandex.ru

alex_krioukov@mail.ru

Введение

До недавнего времени для обнаружения объектов при низких уровнях освещённости и в темноте наибольшее распространение получили приборы ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) поколений 2+, 3, фотокатоды которых работают в области спектра от 0,4 до 0,9 мкм [1]. Последние несколько лет у нас и за рубежом ведутся работы по созданию неохлаждаемых сенсоров, имеющих спектральный диапазон чувствительности от 0,8 до 1,7 мкм (2,5 мкм), получивший название SWIR(англ. Short Wave Infrared – коротковолновая ИК область спектра). Освоение данного спектрального диапазона, по мнению специалистов, имеет определённые преимущества и может быть использовано как для военных, так и гражданских целей.

По сравнению с традиционной для ПНВ областью от 0,4 до 0,9 мкм в диапазоне SWIR достигаются более высокие уровни природных контрастов, в пять-семь раз большая величина естественной ночной освещенности, чем освещенность от звёзд, лучшее пропускание атмосферы [2].

Кроме того, камуфлирующие покрытия, эффективные в области спектра от 0,4 до 0,9 мкм, теряют свои маскирующие свойства в диапазоне длин волн от 1,0 до 1,7 мкм. Это позволяет, в частности, распознать фигуры людей в камуфлирующей форме на фоне зелени. Спектральный диапазон от 0,9 до 1,7 мкм характерен для линеек и матриц на базе InGaAs, на основе которых разрабатываются инфракрасные (ИК) телевизионные камеры [1].

Большого успеха по созданию камер для диапазона SWIR добилась фирма Goodrich [3]. Фирмой разработан целый ряд модификаций камер на базе матриц различного формата SU640 KTSX-1.7RT, SU320 KTSW-1.7RT. Неохлаждаемая ИК-камера высокого разрешения SU320 KTSW-1.7RT на основе InGaAs матрицы формата 320×256 для области спектра от 0,9 до 1,7 мкм имеет удельную обнаружительную способность равную 6×10¹² см×Гц^0,5×Вт^-1, размер пикселя 25×25 мкм, размер матрицы 16×12,8 мм (диагональ 20,5 мм), габариты ИК-камеры 158×76,2×76,2 мм. ИК-камера SU320 KTSWVIS-1.7RT имеет расширенный в видимую область спектральный диапазон чувствительности. На рис. 1 приведены графики относительной спектральной чувствительности модификаций камеры, указанных выше. В отличии от очков ночного видения, построенных с использованием ЭОП, камера преобразует сигнал в электрический и пригодна для хранения и передачи изображения.

Рис. 1. Относительная спектральная чувствительность камер фирмы Goodrich

Кроме ИК-камер на основе InGaAs в SWIR диапазоне существуют детекторы  MARSSW на основе CdHgTeс матрицей формата 320×256, размерами 9,6×7,68 мм (диагональ 12,3 мм), с размерами пиксела 30×30 мкм, график относительной спектральной чувствительности которых показан на рис. 2. К недостаткам этого типа камер относится необходимость термоэлектрического охлаждения для достижения приемлемого отношения сигнал/шум (рабочая температура от 200 до 250 К) [4].

Расширение традиционного для ПНВ спектрального диапазона и смещение чувствительности камер в ИК-область спектра приводят к необходимости предъявления новых требований к объективам для таких камер.  Это в свою очередь, делает актуальной задачу разработки специальных оптических систем с широкой областью ахроматизации, согласованной со спектральным диапазоном чувствительности камер.

Фирма «Navitar» объявила о создании набора объективов «SWIRHyperspectrallenses» с фокусными расстояниями от 8 до 50 мм, с относительными отверстиями 1:1,4, работающих в спектральном диапазоне от 0,5 до 1,7 мкм для камер с форматом кадра 1/3", 1/2", 2/3", 1" [5]. Оптические схемы и методы их проектирования неизвестны.

Рис. 2. Относительная спектральная чувствительность камер MARSSW

Фирма «CoastalOpticalSystems»  сообщила [6] о создании высокоразрешающего объектива, ахроматизованного для спектрального диапазона от 0,4 мкм до 1,7 мкм, имеющего следующие оптические характеристики: f¢ = 25 мм, D/f¢ = 1:2, 2w=27,6° (2y¢ = 12,3 мм). Значение контраста для частоты N=50 мм^-1 составляет 0,55 для центра поля и 0,3 для зоны поля w=0,8w_кр, интегральный коэффициент пропускания в заданном спектральным диапазоне составляет 0,87. Габаритные размеры – 52×46 мм, присоединительная резьба – С-mount. Объектив предназначен для камеры IndigoSystems.

Определённые успехи по разработке методов ахроматизации и созданию мультиспектральных оптических систем достигнуты в России, о чём можно судить по материалам научно-технических конференций, прошедших в 2010 году [7].

Целью настоящей работы является создание высококачественного объектива с расширенным спектральным диапазоном работы от 0,48 до 2,1 мкм, который может найти применение в телевизионных устройствах обнаружения объектов в сложных фоновых обстановках, устройствах машинного зрения и оптических системах, работающих при низких уровнях освещённости.

В настоящей статье представлены результаты проведенного авторами исследования по созданию такого объектива. В разделе 1 сформулированы требования к оптическим и габаритным характеристикам оптической системы. В разделе 2 рассмотрены вопросы методики синтеза окончательного варианта схемы на основе метода модификации объектива-аналога, представлены особенности оптимизации схемы с использованием программ OPAL и ZEMAX[8, 9], проведен подробный анализ оптических, габаритных и качественных характеристик двух вариантов объектива: на основе зарубежных и отечественных марок оптического стекла. Кроме того, оценена возможность повышения коэффициента пропускания объектива путём нанесения просветляющих покрытий. В разделе 3 рассмотрено использование просветляющих покрытий.

1. Постановка задачи

Известно, что цена многоэлементного приемника излучения напрямую зависит от геометрических размеров его светочувствительной области, поэтому одним из наиболее распространенных форматов камер является формат 1/3" с диагональю кадра 2y'=6 мм, сочетающий относительно высокое качество изображения с невысокой ценой.

В рамках данного исследования была поставлена задача создания широкоугольного объектива с углом поля 2w=90°, ахроматизованного в спектральном диапазоне от 0,48 до 2,1 мкм. При данных соотношениях углового поля, диагонали приемника излучения и возможной отрицательной дисторсии фокусное расстояние объектива лежит в диапазоне от 3,0 до 4,1 мм. Одним из наиболее важных требований являлось получение существенного заднего фокального отрезка s'_F¢=6 мм. В этом случае отношение заднего фокального отрезка к фокусному расстоянию должно составлять 1,5…2,0. Оптическая схема объектива такого типа структурно относится к реверсивным телеобъективам [10].

Большинство известных фотообъективов по совокупности параметров не отвечают предъявляемым требованиям, и их оптические схемы не могут быть положены в основу при разработке требуемой системы.

Разработке конкретной схемы объектива предшествовала работа по анализу дисперсионных характеристик оптических стекол ведущих производителей LZOS, SCHOTT, OHARA в выбранном спектральном диапазоне. Для этого были построены диаграммы P-, которые были использованы для выбора пар стекол, пригодных для уменьшения вторичного спектра. Значения P– относительной частной дисперсия  и   – коэффициента Аббе определялись для широкого спектрального диапазона ахроматизации.

2. Параметрический синтез объективов

В качестве метода синтеза окончательного варианта решения был выбран метод модификации объектива-аналога, а в качестве исходной оптической системы использовался модифицированный вариант одной из оптических схем трёхгруппового широкоугольного объектива из базы данных кафедры РЛ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Первая группа исходного объектива имела отрицательную оптическую силу и была построена из двух одиночных линз и склеенного элемента. Вторая и третья группы  положительной оптической силы каждая были построены из двух склеенных элементов. Апертурная диафрагма размещалась между второй и третьей группами.

Параметрический синтез объектива проводился с использованием программ оптимизации широко известных отечественного и зарубежного пакетов прикладных программ OPAL и ZEMAX[8, 9].

Различные варианты оптимизаторов, отличающиеся числом лучей в осевом и наклонных пучках, а также требованиями к значениям исправляемых аберраций, были опробованы в процессе поиска оптимального варианта оптической схемы объектива. Практика показала, что при оптимизации необходимо задавать желаемое значение дисторсии отличное от нуля. В противном случае, трудно получить оптимальное решение. Параллельно проводилась оптимизация аберраций по волновому критерию [8, 9].

Модификация двух последних групп проводилась с помощью специальной программы, вклад в хроматические аберрации каждой из групп определялся расчётом их аберраций [11, 12].

С целью уменьшения хроматической аберрации положения и вторичного спектра выбирались пары стекол с близкой по значению Pотносительной частной дисперсией. Для поиска оптимального решения, с точки зрения ахроматизации, стёкла выбирались как из отечественного каталога LZOS, так и из зарубежных каталогов SCHOTT и OHARA. Исследования показали, что использование стекол с особым ходом дисперсии (марки ФК-14, ОФ-6, ОК-4, ФФС-2) затруднительно, так как приводит к усложнению оптической схемы из-за малых значений показателей преломления. В связи с этим диаграмма P- относительных частных дисперсий от коэффициента средней дисперсии была построена для широкого спектрального диапазона ахроматизации. Это позволило подобрать пары стекол с традиционным значением дисперсии в видимом диапазоне, но с лучшим соотношением относительной частной дисперсии в широком спектральном диапазоне ахроматизации.

На конечных этапах проектирования использовалась программа ZEMAX. Для контроля дисторсии в оптимизационной модели программы ZEMAXбыли заданы ограничения на ее значения. Максимальное значение дисторсии, лежащее в диапазоне от минус 18 % до минус 20 %, задавалось с помощью оператора DIMX для крайнего и зонального значения углового поля объектива. Дополнительно был использован метод Hammer оптимизации с заменой марок оптического стекла [9].

Оценка качества изображения исходной схемы и полученных вариантов проводилась с использованием таких критериев, как среднеквадратичный (СКВ) радиус пятна рассеяния и значение полихроматической модуляционной передаточной функции (МПФ) для меридиональной и сагиттальной ориентации штрихов на пространственных частотах N = 40 мм^-1 и N = 60 мм^-1. Выбранные значение частот соответствуют частотам разрешения зарубежных многоэлементных приемников излучения, работающих в спектральных диапазонах от 0,48 до 1,7 мкм и от 0,9 до 2,2 мкм с размерами отдельной светочувствительной ячейки (пикселя) от 25 до 30 мкм [3, 4].

Сравнительные результаты оценки качества изображения вариантов объектива для трёх диапазонов ахроматизации сведены в таблицы 1, 2. Полученные варианты отличаются использованными марками стекол. Основные оптические и габаритные характеристики вариантов объектива представлены в таблице 3.

Таблица 1

СКВ радиус пятна рассеяния вариантов объектива

Таблица 2

Значения МПФ вариантов объектива

Таблица 3

Основные характеристики вариантов объектива

Анализ приведенных результатов позволяет оценить уровень аберрационной коррекции каждого из полученных вариантов. Из рассмотрения результатов видно, что лучшее качество достигнуто в варианте 22D, полученном с помощью Hammer оптимизации. Для точки на оси значение МПФ составляет 0,47 на пространственной частоте N = 60 мм^-1, а для точки вне оси для угла поля ω=0,866w_maxзначения МПФ равны 0,43/0,45 (мер/саг) на частоте N = 40 мм^-1. СКВ радиус пятна рассеяния составляет для точки на оси 13,48 мкм, а для точки вне оси для угла поля ω=0,866w_max– 15,16 мкм в широком спектральном диапазоне от 0,48 до 2,1 мкм. Как видно из таблиц 1, 2 работа в более узком спектральном диапазоне приводит к повышению контраста и уменьшению СКВ радиуса пятна рассеяния.

Недостатком варианта 22D является использование большого числа различных марок стекол (девять марок) зарубежного производителя (SCHOTT).

Оптическая схема варианта объектива 22D представлена на рис. 3. Объектив включает 17 сферических поверхностей, образующих 10 линз, три склеенных элемента. Оптическая схема объектива обеспечивает следующие оптические и габаритные характеристики: f¢=3,93 мм, s'_F¢=5,81 мм, L=42,77 мм, D/ f'=1:2,01, 2ω=90° (2y'=6 мм). Дисторсия на краю поля составляет минус 24,0 %.

Рис. 3. Оптическая схема объектива 22Dиз стекол производства SCHOTT

Более полное представление об аберрационной коррекции можно получить из рассмотрения графиков аберраций объектива 22D, построенных в программе ZEMAXи представленных на следующих рисунках: зависимости астигматических отрезков и относительной дисторсии от углового поля объектива (рис. 4), распределение дифракционной функции концентрации энергии в пятне рассеяния (рис. 5), модуляционная передаточная функция для диапазонов от 0,48 до 2,1 мкм (рис. 6), от 0,48 до 1,7 мкм (рис. 7).

Рис. 4. Кривизна поля и дисторсия объектива 22D

Рис. 5. Полихроматическая дифракционная функция концентрации энергии в пятне рассеяния объектива 22D

Рис. 6. МПФ объектива 22D для диапазона длин волн от 0,48 до 2,1 мкм

Рис. 7. МПФ объектива 22D для диапазона длин волн от 0,48 до 1,7 мкм

Несколько худшие результаты получены при аберрационной коррекции варианта 21NR (табл.1, 2). Важным преимуществом этого варианта является использование марок стекол только отечественного производства, выпускаемых LZOS. Из рассмотрения результатов видно, что для спектрального диапазона от 0,48 до 2,1 мкм на пространственной частоте N = 60 мм^-1 для точки на оси получено значение МПФ 0,31, а СКВ радиус пятна рассеяния составляет 11,11 мкм. Для точки вне оси на частоте N = 40 мм^-1 значения МПФ равны 0,23/0,41 (мер/саг), СКВ радиус пятна рассеяния – 16,44 мкм. При переходе в спектральный диапазон от 0,48 до 1,7 мкм несколько повышается контраст и уменьшается СКВ радиус пятна рассеяния.

Оптическая схема варианта объектива 21NR представлена на рис. 8. Объектив включает 17 сферических поверхностей, образующих 10 линз, три склеенных элемента. Оптическая схема объектива обеспечивает следующие оптические и габаритные характеристики: f'=4,13 мм, s'_F¢=5,52 мм, L=55,99 мм, D/ f'=1:2,06, 2ω=86°53' (2y'=6 мм). Дисторсия на краю поля составляет минус 23,2 %.

Рис. 8. Оптическая схема объектива 21NR(из стекол LZOS)

Ниже представлены построенные в ZEMAXграфики зависимостей астигматических отрезков и относительной дисторсии от углового поля объектива (рис. 9), распределение дифракционной функции концентрации энергии в пятне рассеяния (рис. 10), модуляционная передаточная функция для диапазонов от 0,48 до 2,1 мкм (рис. 11), от 0,48 до 1,7 мкм (рис. 12).

Рис. 9. Кривизна поля и дисторсия объектива 21NR

Рис. 10. Полихроматическая дифракционная функция концентрации энергии в пятне рассеяния объектива 21NR

Рис. 11. МПФ объектива 21NRдля диапазона длин волн от 0,48 до 2,1 мкм

Рис. 12. МПФ объектива 21NR для диапазона длин волн от 0,48 до 1,7 мкм

Использование просветляющих покрытий

Программа ZEMAXEE позволяет проводить расчёт коэффициента пропускания ОС по формуле Френеля с учётом поглощения в материалах линз реальной толщины как при отсутствии просветляющих покрытий, так и при нанесении покрытий. Характеристики некоторых просветляющих покрытий, представленных в программе ZEMAXEE, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Характеристики просветляющих покрытий

Для оценки возможности повышения коэффициента пропускания объектива путём нанесения покрытий, представленных в табл. 4, были проведены расчёты коэффициента пропускания объектива при наличии и отсутствии покрытий, а также путём нанесения идеального широкополосного просветляющего покрытия с остаточным коэффициентом отражения r=1 %. Результаты расчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Коэффициент пропускания объектива 21NR

Результаты расчёта показывают, что нанесение одно, двух и трёхслойных покрытий из-за их узкополосности не приводит к существенному увеличению коэффициента пропускания. С целью повышения коэффициента пропускания во всём спектральном диапазоне проведен синтез широкополосных покрытий на спектральные диапазоны от 0,48 до 2,1 мкм и от 0,48 до 1,7 мкм, который показал, что существуют предпосылки по созданию широкополосных покрытий с коэффициентами отражений от 1 % до 1,5 %.

Заключение

В рамках создания широкоугольного реверсивного телеобъектива с широкой областью ахроматизации были решены задача оптимального выбора стекол с традиционным значением дисперсии в видимом диапазоне, но с лучшим соотношением относительной частной дисперсии в широком спектральном диапазоне ахроматизации, задача создания оптимизационных моделей для синтеза объективов в программах OPALи ZEMAXи задача моделирования просветляющих покрытий в программе ZEMAX. Расчет коэффициента пропускания объектива показал актуальность более детального исследования в области создания многослойных широкополосных просветляющих покрытий с коэффициентами отражений от 1 % до 1,5 %.

Были рассчитаны два варианта (22D и 21NR) объектива на основе зарубежного и отечественного каталогов стекол. Экспериментальный образец объектива 21NR на основе отечественного каталога был разработан и изготовлен. Испытания объектива продемонстрировали хорошее соответствие расчетных и реальных параметров и подтвердили возможность разработки высококачественного объектива 22D на основе зарубежных стекол, который может найти применение в телевизионных устройствах обнаружения объектов в сложных фоновых обстановках, устройствах машинного зрения и оптических системах, работающих при низких уровнях освещённости.

Настоящая работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы «Исследование возможности создания параметрического ряда объективов с расширенным спектральным диапазоном работы (№ государственной регистрации 01 2011 77489 от 01 ноября 2011 года)».

Список литературы

1. Белоконев В.В, Волков В.Г. Приборы ночного видения с фотоприёмниками на основе  InGaAs // Электроника. 2009. № 2. С. 82-85.

2. TechBriefs. Режим доступа: http://www.defensetechbriefs.com/ (дата обращения 01.02.2012).

3. GoodrichCorporationSU640KTSX, SU320KTSW. Режим доступа: http://www.sensorsinc.com/ (дата обращения 01.02.2012).

4. MARSSW 320х256. Режим доступа: http://microbolometer.ru/catalog/2-irsensors/18-mars-sw.html (дата обращения 01.02.2012).

5. Navitar. SWIRHyperspectralLenses. Режим доступа: http://machinevision.navitar.com (дата обращения 01.02.2012).

6. HyperspectralCoastolOptLens. Режим доступа: http://www.jenoptik-inc.com/ (дата обращения 01.02.2012).

7. Понин О.В., Архипова Л.Н., Тарабукин В.Н. Новые апохроматические объективы для аппаратуры широкозахватной мультиспектральной космической съёмки // Международная конференция «Прикладная оптика 2010»: тез. докл. Санкт-Петербург, 2010. С. 60.

8. Пакет программ автоматизированного проектирования оптических систем OPAL-PC : руководство для пользователя. Электрон. программа / Ленинград. инст. точной механики и оптики. Спб., 1992.

9. ZEMAXOpticalDesignProgram. User’s Guide. Tucson, Arizona, USA: Zemax Development Corporation. 2008. 732 p.

10. Ровенская Т.С., Крюков А.В. Проектирование реверсивных телеобъективов с вынесенным входным зрачком. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.  36 с.

11. Крюков А.В., Поспехов В.Г., Ровенская Т.С., Сушков А.Л. Компьютерный синтез оптических систем : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 37 с.

12. А.В. Крюков, В.Г. Поспехов, Т.С. Ровенская, А.Л. Сушков. Компьютерный синтез оптических систем : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 62 с.