Активная атермализация двухдиапазонных ИК-вариообъективов

Одним из перспективных направлений в современном оптическом приборостроении является направление, связанное с разработкой и созданием оптики, предназначенной для работы в нескольких спектральных диапазонах [1, 2, 3]. В видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах это прежде всего массовая оптика фото- и видеофиксации (от камер мобильных телефонов и автомобильных видеорегистраторов до охранных систем видеонаблюдения). В более длинноволновом диапазоне, включающем среднее (3,7–5 мкм) и дальнее (8– 11 мкм) ИК-излучение, это оптика тепловизоров и систем технического зрения (в частности, беспилотных наземных, подводных и воздушных транспортных средств). При этом очевидно, что возможность непрерывного изменения масштаба изображения, формируемого объективом таких мультиспектральных оптических систем, позволяет минимизировать потери информации при его дальнейшей обработке. Это, в свою очередь, обуславливает всё возрастающий интерес, в частности, к двухдиапазонным ИК-вариообъективам (см., например, [4]).

Здесь следует заметить, что одним из основных требований, предъявляемых к ИК-системам, является сохранение заданных оптических характеристик в рабочем температурном диапазоне. Удовлетворить это требование невозможно без компенсации влияния температурных воздействий на параметры линз и деталей конструкции оптической системы. Действительно, при изменении температуры изменяются показатели преломления оптических сред, а также ли- нейные размеры оптических элементов (толщины, радиусы кривизны, коэффициенты асферичности поверхностей) и деталей конструкции, таких как линзовые оправы, промежуточные кольца и корпус системы. В результате чего смещаются положения фокальных плоскостей, меняются фокусные расстояния вариообъектива и ход лучей в нем. При этом превалирующее влияние на качество формируемого изображения оказывает температурное изменение величины рабочего отрезка объектива – расстояния от последней линзы или присоединительного торца вариообъектива до плоскости изображения, а точнее плоскости, в которой качество изображения наилучшее (плоскости наилучшей установки (ПНУ)). Если этот сдвиг превышает допустимую глубину резкости, его необходимо компенсировать в первую очередь. В ряде простейших случаев, относящихся, как правило, к монофокальным объективам, такая компенсация возможна методом пассивной атермализации, предполагающим в процессе проектирования оптикоэлектронного прибора, в том числе на этапе расчёта оптической схемы, произвести соответствующий подбор материалов линз, оправ и корпусных деталей [5, 6]. В случае же вариообъективов для компенсации сдвига ПНУ приходится использовать ручную или автоматическую электромеханическую подфокусировку, т.е. применять активную атермализацию [5, 7].

Цель настоящей статьи – рассмотреть несколько наиболее удачных вариантов активной атермализации двухдиапазонных (3,7 ≤λ≤ 11 мкм) рефракционного и рефракционно-дифракционного ИК-вариообъекти-вов, представленных в работе [8], и оценить эффективность каждого из них.

1.    Атермализация двухдиапазонного рефракционного ИК-вариообъектива

Схема рассматриваемого вариообъектива, представленная на рис. 1 работы [8], относится к N-P-P типу, т.к. состоит из трех двухлинзовых компонентов, и при этом первый из них имеет отрицательную (Negative), а последующие два положительные (Positive) оптические силы. Примерно трехкратное непрерывное изменение масштаба изображения, сопровождающее зуммирование, т.е. изменение фокусного расстояния объектива, достигается за счёт плавного перемещения его положительных компонентов. При этом фронтальный отрицательный компонент неподвижен относительно плоскости изображения, чем и обеспечивается неизменность габарита объектива при зуммировании.

Рис. 1. Оптическая схема атермализованного рефракционного ИК-вариообъектива в промежуточной конфигурации, соответствующей f ′ 2 = 54 мм

Тот или иной вариант атермализации объектива моделировался в программном пакете оптического проектирования ZEMAX [9]. При этом исходные конструктивные параметры вариообъектива, которые переносились из табл. 2 и 3 работы [8], полагались соответствующими температуре окружающей среды +20°С. Кроме того, полагалось, что такие детали конструкции объектива, как оправы линз, промежуточные кольца и корпусной тубус, будут выполнены из алюминиевого сплава Д16 (температурный коэффициент линейного расширения α = 22,2^10– 6°С – 1). Изменение температуры всех оптических элементов и деталей конструкции предполагалось одновременным в диапазоне ±40°С.

Учитывая значительную массу собранного объектива в корпусе и шлейфовый вывод электрических сигналов с фотоприемной матрицы, в качестве приемлемых вариантов подфокусировки рассматривалось не их взаимное смещение относительно друг друга, а перемещение отдельных оптических элементов объектива, выделенных в единый узел фокусировки, не задействованный в зуммировании.

Моделирование показало, что перемещение фронтального двухлинзового компонента как целого позволяет без дополнительной оптимизации остальных конструктивных параметров осуществлять подфокусировку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры. При этом термокомпенсация в пределах оговоренного выше перепада температур (без учёта фокусировки на дистанцию) и для любого фокусного расстояния (из расчётного диапазона зуммирования) обеспечивается перемещением первого компонента вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 1 мм. Что касается полихроматической частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), оценённой по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм – 1, то ее падение не превышает 1,6 %, 1,9% и 1 % в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

К недостаткам этого варианта активной атермали-зации следует отнести как существенную массу под-фокусирующего двухлинзового компонента, так и изменение при подфокусировке габарита системы (расстояния от фронтальной поверхности первого оптического элемента объектива до плоскости фотоприемника). Однако изменения габарита системы можно избежать путем небольшого удлинения корпуса объектива и установки перед фронтальным двухлинзовым компонентом жестко закрепленной в торце корпуса прозрачной в рабочем спектральном диапазоне плоскопараллельной пластины, выполняющей функцию защитного стекла.

Альтернативный вариант активной атермализации данного ИК-вариообъектива предполагает введение в его схему дополнительной близфокальной линзы, размещаемой в узле фокусировки перед фотоприемником. В результате оптическая схема атермализо-ванного объектива приобретает вид, представленный на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Фрагмент оптической схемы атермализованного рефракционного ИК-вариообъектива: 1– оконечный двухлинзовый компонент, перемещающийся при зуммировании; 2 – жёстко зафиксированный в корпусе объектива узел фокусировки; 3 – перемещаемая близфокальная линза; 4 – фотоприёмник

Этот вариант атермализации потребовал дополнительной оптимизации по целому ряду конструктив- ных параметров. При этом основные оптические характеристики объектива остались практически неизменными. Апертурная диафрагма фиксированного диаметра (24,15 мм) перемещается вместе с первым положительным компонентом. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения равно 121,5 мм. Фокусное расстояние, угловое поле в пространстве предметов и диафрагменное число вариообъектива в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно равны f ′1 =35 мм, 2ω1 = 29,86°, K1=1,3; f ′2=54 мм, 2ω2=19°, K2=1,79; f ′3=84 мм, 2ω3=12,41°, K3=2,42.

Конструктивные параметры и оптические характеристики объектива сведены в табл. 1 –4. Все выше- приведенные параметры и данные таблиц соответствуют температуре +20°С. Преломляющие поверхности объектива с номерами 2, 6, 7, 10, 14 – сферические, а остальные – асферические, задаваемые в Zemax уравнением чётной асферической поверхности [9, 10]. Термокомпенсация при перепаде температур ±40°С для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зуммирования) обеспечивается перемещением близфокальной линзы вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 0,12 мм. При этом падение ЧКХ в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм – 1 не превышает 2,3 %, 0,5 % и 1,9% в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Табл. 1. Основные конструктивные параметры рефракционного вариообъектива

Номер поверхности	Радиус r, мм	Толщина d, мм	Оптический материал
Плоскость предмета	∞	∞	–
1	43,194	10	SILICON
2	31,947	0,2	–
3	30,961	10	GERMANIUM
4	24,364	Изменяемая d 4	–
Апертурная диафрагма	∞	0,5	–
5	35,080	9,72	SILICON
6	252,887	0,55	–
7	497,513	8,9	GERMANIUM
8	43,256	Изменяемая d 8	–
9	26,703	5,03	SILICON
10	31,337	4,21	–
11	–101,704	8,98	GERMANIUM
12	–59,464	Изменяемая d 12	–
Фронтальная плоскость узла фокусировки	∞	Изменяемая d ФП	–
13	46,324	1,5	GERMANIUM
14	83,333	Изменяемая d 14	–
Задняя плоскость узла фокусировки		1,7	–
Плоскость изображения	∞	0	–

Табл. 2. Дополнительные характеристики асферических поверхностей рефракционного вариообъектива

Номер поверхности Коэффициент асферичности при конической постоянной к = 0 α2, мм – 3 α3, мм – 5 α4,мм – 7 α5, мм – 9 α6, мм – 11 1 –1,150^10 – 6 4,328^10 – 9 –1,178^10 – 11 9,755^10 – 15 –2,872^10 – 18 3 6,566^10 – 8 – 2,079^10 – 8 4,738^10 – 11 –3,426^10 – 14 – 4,493^10 – 19 4 –5,415^10 – 6 –5,732^10 – 8 1,557^10 – 10 –1,684^10 – 13 3,204^10 – 17 5 1,508^10 – 6 2,795^10 – 8 –2,857^10 – 10 1,494^10 – 12 –2,976^10 – 15 8 1,534^10 – 5 – 9,660^10 – 8 2,404^10 – 9 –2,116^10 – 11 6,796^10 – 14 9 –5,684^10 – 6 2,080^10 – 8 –8,041^10 – 11 5,108^10 – 13 –1,667^10 – 15 11 3,997^10 – 5 – 8,416^10 – 8 –6,045^10 – 10 4,741^10 – 12 –7,702^10 – 15 12 3,971^10 – 5 – 2,913^10 – 8 –5,638^10 – 10 3,486^10 – 12 –4,511^10 – 15 13 –8,876^10 – 6 –2,697^10 – 7 5,046^10 – 9 –2,994^10 – 11 6,696^10 – 14 шей к апертурной диафрагме, размещена двухслойная двухрельефная дифракционная микроструктура, а оптический материал GERMANIUM во всех трех компонентах объектива заменен на халькогенидное стекло марки IRG26. В результате увеличена светосила объектива во всем диапазоне зуммирования при сохранении остальных оптических характеристик.

Исследование возможностей атермализации рефракционно-дифракционного ИК-вариообъектива показало, что, как и в случае рефракционного вариообъектива, имеются как минимум два эффективных варианта решения этой задачи.

Табл. 3. Параметры рефракционного вариообъектива, изменяемые при зуммировании

Параметр	Номер конфигурации
	1	2	3
Толщина d 4 , мм	37,314	22,359	6,684
Толщина d 8 , мм	16,932	34,084	50,979
Толщина d 12 , мм	3,856	1,659	0,439
Значения дифракционноограниченной полихроматической ЧКХ на пространственной частоте 25 мм – 1	0,69	0,60	0,49
Минимальные значения полихроматической ЧКХ, оценённые по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения, на пространственной частоте 25 мм – 1	0,55	0,38	0,4

Табл. 4. Параметры рефракционного вариообъектива, изменяемые в процессе автофокусировки

Параметр	Конфигурация	Температура
		–40 С	+20 С	+40 С
Толщина d ФП , мм	1	0,917	1	1,008
	2	0,938		0,991
	3	0,947		1,038
Толщина d 14 , мм	1	1,195	1,114	1,106
	2	1,174		1,123
	3	1,165		1,076

Первый вариант предполагает перемещение вдоль оптической оси фронтальной рефракционной линзы отрицательного компонента вариообъектива. Это позволяет без дополнительной оптимизации остальных конструктивных параметров осуществлять подфокусировку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры. При этом термокомпенсация в пределах оговоренного выше перепада температур (без учёта фокусировки на дистанцию) для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зуммирования) обеспечивается перемещением фронтальной линзы на расстояние не более 0,3 мм. Что касается ЧКХ, оценённой по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм – 1, то ее падение не превышает 6,3 %, 4,3 % и 2% в короткофокусной, промежуточной и в длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Альтернативный вариант активной атермализации данного рефракционно-дифракционного ИК-варио-объектива с целью сохранения габаритных размеров системы предполагает перемещение вдоль оптической оси не фронтальной, а второй рефракционной линзы отрицательного компонента вариообъектива. Эта линза размещается в узле фокусировки, как показано на рис. 3, и позволяет осуществлять подфокуси- ровку, компенсирующую смещение ПНУ, вызванное изменением как дистанции до объекта съемки, так и температуры.

Рис. 3. Оптическая схема атермализованного рефракционно-дифракционного ИК-вариообъектива в промежуточной конфигурации, соответствующей f ′ 2 = 54 мм: 1 и 2 – фронтальная и задняя плоскости узла фокусировки

Данный вариант атермализации потребовал дополнительной оптимизации объектива практически по всем конструктивным параметрам. При этом основные оптические характеристики остались неизменными. Апертурная диафрагма фиксированного диаметра (28,6 мм) перемещается вместе с первым положительным компонентом. Расстояние от вершинной касательной плоскости фронтальной линзы до плоскости изображения равно 121,5 мм. Фокусное расстояние, угловое поле в пространстве предметов и диафрагменное число вариообъектива в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно равны f ′ 1 =35 мм, 2ω 1 = 29,86°, K 1 =1,15; f ′ 2 =54 мм, 2ω 2 =19°, K 2 =1,62; f ′ 3 =84 мм, 2ω 3 =12,41, K 3 =2,35.

Конструктивные параметры и оптические характеристики объектива сведены в табл. 5–8. Все вышеприведенные параметры и данные таблиц соответствуют температуре +20°С. Преломляющие поверхности объектива с номерами 2, 7, 8, 11 – сферические, с номерами 1, 3 –5, 9, 10, 12, 13 – асферические, а дифракционная микроструктура, размещенная на плоской поверхности третьей рефракционной линзы (на поверхности номер 6), смоделирована бесконечно тонкой фазовозадерживающей поверхностью, называемой в Zemax Binary2 [9, 10]. Термокомпенсация при перепаде температур ±40°С и для любого фокусного расстояния (в пределах диапазона зуммирования) обеспечивается перемещением подфокусирую-щей линзы вдоль оптической оси объектива на расстояние не более 0,34 мм. При этом падение ЧКХ в пределах всего поля зрения на пространственной частоте 25 мм – 1 не превышает 2,6 %, 1,2 % и 0% в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях соответственно.

Заключение

На примере ИК-вариообъективов, представленных в работе [8], для простых по конструкции средне- и длинноволновых двухдиапазонных (3,7 ≤λ≤ 11 мкм)

рефракционных и рефракционно-дифракционных тепловизионных вариообъективов показана возможность сохранения во всем интервале изменения фо- кусного расстояния высоких и практически неизменных оптических характеристик при перепаде температур от –40 до +40°C.

Табл. 5. Основные конструктивные параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива

Номер поверхности	Радиус r , мм	Толщина d , мм	Оптический материал
Плоскость предмета	∞	∞	–
1	64,128	14	SILICON
2	37,326	2,5	–
Фронтальная плоскость узла фокусировки	∞	Изменяемая d ФП
3	28,043	10,27	IRG26
4	29,047	Изменяемая d 4	–
Задняя плоскость узла фокусировки	∞	Изменяемая d ЗП
Апертурная диафрагма	∞	0,5	–
5	153,304	4,0	SILICON
6*	∞	1	ZNS_BROAD
7	∞	0,198	–
8	28,588	11,9	IRG26
9	21,024	Изменяемая d 9	–
10	-102,161	5,920	SILICON
11	-83,248	10,370	–
12	255,152	11,97	IRG26
13	-62,397	Изменяемая d 13	–
Плоскость изображения	∞	0	–

*– поверхность типа Binary 2: m = 1, A 1 = - 0,14333 мм ^-2, A 2 = 4,26873⋅10 ^{– 4} мм ^{– 4}, A 3 = - 2,01999⋅10 ^{– 6} мм ^-6, A 4 = - 7,58874⋅10 ^{– 9} мм ^{– 8}, A 5 =8,87845⋅10 ^{– 11} мм ^{– 10}, A 6 = - 1,99086⋅10 ^{– 13} мм ^{– 12}.

Табл. 6. Дополнительные характеристики асферических поверхностей рефракционно-дифракционного вариообъектива

Номер поверхности	Коэффициент асферичности при конической постоянной k =0
	α 2 , мм – 3	α 3 , мм – 5	α 4 , мм – 7	α 5 , мм – 9	α 6 , мм – 11
1	–1,378^10 – 6	–1,284^10 – 9	3,191^10 – 13	–5,225^10 – 16	6,736^10 – 19
3	–7,597^10 – 6	–2,237^10 – 9	1,642^10 – 11	1,076^10 – 14	–2,961^10 – 17
4	–6,901^10 – 6	–2,766^10 – 9	4,756^10 – 11	7,908^10 – 14	–9,187^10 – 17
5	4,216^10 – 7	2,499^10 – 9	–2,602^10 – 11	1,207^10 – 13	–2,116^10 – 16
9	3,333^10 – 6	7,862^10 – 9	–5,093^10 – 12	7,540^10 – 14	–2,140^10 – 16
10	–6,422^10 – 6	1,583^10 – 8	–2,351^10 – 10	1,303^10 – 12	–3,228^10 – 15
12	3,209^10 – 6	4,041^10 – 8	–1,678^10 – 10	3,242^10 – 13	4,263^10 – 17
13	5,168^10 – 6	3,519^10 – 9	1,706^10 – 10	–1,176^10 – 12	2,678^10 – 15

Табл. 7. Параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива, изменяемые при зуммировании

Параметр	Номер конфигурации
	1	2	3
Толщина d ЗП , мм	23,861	10,015	0,3
Толщина d 9 , мм	4,563	21,922	37,067
Толщина d 13 , мм	11,932	8,419	2,99
Значения дифракционноограниченной полихроматической ЧКХ на пространственной частоте 25 мм -1	0,72	0,62	0,47
Минимальные значения полихроматической ЧКХ, оценённые по меридиональным и сагиттальным составляющим в пределах всего поля зрения, на пространственной частоте 25 мм -1	0,56	0,38	0,37

При этом рассмотрены различные варианты атер-мализации, предполагающие, что за изменение фокусного расстояния и за компенсацию терморасфокусировки будут отвечать разные элементы оптической схемы. Это дало возможность совместить (за исключением варианта, предполагающего использование дополнительной близфокальной линзы) процессы атермализации и фокусировки вариообъектива на дистанцию до объекта съемки с помощью ручного или автоматического фокусировочного механизма, а также сохранить габариты и герметичность оптической системы, что защитит механизм перемещения от воздействия неблагоприятных условий внешней среды в процессе эксплуатации системы.

Табл. 8. Параметры рефракционно-дифракционного вариообъектива, изменяемые в процессе фокусировки

Параметр	Конфигурация	Температура
		–40 С	+20 С	+40 С
Толщина d ФП , мм	1	0,711	0,454	0,369
	2	0,535		0,388
	3	0,528		0,436
Толщина d 4 , мм	1	7,793	8,062	8,151
	2	7,9690		8,132
	3	7,976		8,084

У рефракционного вариообъектива в указанном диапазоне перепада температур и для любого фокусного расстояния в пределах диапазона зуммирования термокомпенсация обеспечивается перемещением вдоль оптической оси объектива либо первого ком- понента на расстояние не более 1 мм, либо дополнительной фокусирующей линзы на расстояние не более 0,12 мм. При этом падение ЧКХ на пространственной частоте 25 мм – 1 в пределах всего поля зрения в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях в первом случае не превышает 1,6 %, 1,9 % и 1 %, а во втором 2,3 %, 0,5 % и 1,9% соответственно.

У рефракционно-дифракционного вариообъектива при перепаде температур ±40°C и для любого фокусного расстояния в пределах диапазона зуммирования термокомпенсация обеспечивается перемещением вдоль оптической оси фронтальной или последующей линзы первого компонента на расстояние не более 0,35 мм. При этом падение ЧКХ в короткофокусной, промежуточной и длиннофокусной конфигурациях в первом случае не превышает 6,3 %, 4,3 % и 2 %, а во втором – 2,6 %, 1,2 % и 0% соответственно.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00081).