Пассивная механическая атермализация тепловизионных вариообъективов, сопряженных с неохлаждаемыми приемниками излучения

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Грейсух Г.И., Левин И.А., Казин С.В. Пассивная механическая атермализация тепловизионного вариообъектива, сопряженного с неохлаждаемым приемником излучения // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 14–27. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-14-27

Greisukh G.I., Levin I.A., Kazin S.V. Passive mechanical athermalization of the thermal
imaging zoom lenses coupled to an uncooled matrix infrared detectors [in Russian] // Opticheskii
Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 14–27. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-14-27

Ссылка на англоязычную версию:

G. I. Greisukh, I. A. Levin, and S. V. Kazin, "Passive mechanical athermalization of thermal imaging zoom lenses coupled to an uncooled infrared matrix detector," Journal of Optical Technology. 90(9), 498-506 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000498

Аннотация:

Предмет исследования. Оптические схемы и варианты конструкций термокомпенсаторов объективов переменного увеличения для ин-фракрасной области спектра, работающих с неохлаждаемыми приемниками излучения и допускающих устранение терморасфокусировки пассивным механическим методом. Цель работы. Обоснование возможностей достижения высоких оптических характеристик в широком интервале рабочих температур простых по конструкции инфракрасных вариообъективов с бинарно изменяемым фокусным расстоянием, сопряженных с неохлаждаемыми приемниками излучения. Метод исследования. Теоретический анализ и математическое моделирование с применением уравнений геометрической оптики, дилатометрии и строгой теории дифракции. Основные результаты. Предложена трехкомпонентная четырехлинзовая исходная оптическая схема с поворотным узлом, обеспечивающим бинарное изменение фокусного расстояния инфракрасного вариообъектива. Продемонстрированы потенциальные возможности предложенной компоновки оптической схемы на примере расчета рефракционно-линзового и рефракционно-дифракционного вариообъективов, предназначенных для работы с инфракрасным излучением длинноволнового (8–12 мкм) и двойного средне- и длинноволнового диапазонов (3,4–11,4 мкм) соответственно. Обоснована возможность сохранения высоких оптических характеристик этих вариообъективов в широком интервале рабочих температур (от –40 до +60 °C) благодаря устранению терморасфокусировки пассивным механическим методом. Рассмотрены структурные особенности термокомпенсаторов и получены математические соотношения их конструктивных параметров и значений терморасфокусировки. Практическая значимость. Предложенные оптические схемы и технические решения по составу и структуре термокомпенсаторов позволяют проектировать простые по конструкции тепловизионные вариообъективы, сохраняющие высокие оптические характеристики в широком интервале рабочих температур.

Ключевые слова:

инфракрасное излучение, вариообъектив, пассивная механическая атермализация, неохлаждаемый матричный приемник излучения, двухслойная дифракционная микроструктура

Коды OCIS: 110.0110, 220.0220

Список источников:

1. Jamieson T.H. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint // Proc. SPIE. 1992. V. 10265. P. 131–159. https://doi.org/10.1117/12.61105

2. Ford E.H. Active temperature compensation of an infrared zoom lens // Proc. SPIE. 1997. V. 3129. P. 138–143. https://doi.org/10.1117/12.279085

3. Грейсух Г.И., Левин И.А., Казин С.В. Активная атермализация двухдиапазонных ИК вариообъективов // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. № 6. С. 931–936. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-775

4. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Атермализация объективов прицельно-наблюдательных комплексов как средство обеспечения жизнедеятельности объектов БТВТ // Фотоника. 2016. № 2(56). С. 94–109.

5. Tissot J.L., Trouilleau C., Fieque B., et al. Uncooled microbolometer detector: Recent developments at Ulis // Opto-Electron. Rev. 2006. V. 14. № 1. P. 25–32. https://doi.org/10.2478/s11772-006-0004-2

6. Keskin S., Akin T. The first fabricated dual-band uncooled infrared microbolometer detector with a tunable micro-mirror structure // Proc. SPIE. 2012. V. 8353. Р. 83531C. 11 p. https://doi.org/10.1117/12.964551

7. Smith E.M., Panjwani D., Ginn J., et al. Dual band sensitivity enhancements of a VOx microbolometer array using a patterned gold black absorber // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 8. P. 2071–2078. https://doi.org/10.1364/AO.55.002071

8. Alaruri S.D. f/1.6 diffraction-limited air-spaced Cooke triplet photographic lens designs for MWIR and LWIR imaging applications: Geometrical optics performance comparison between Ge–ZnSe–Ge and Si–Ge–Si triplet designs using ZEMAX // Optik. 2016. V. 127. № 1. P. 254–258. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.10.085

9. Greisukh G.I., Levin I.A, Ezhov E.G. Design of ultra-high-aperture dual-range athermal infrared objectives // Photonics. 2022. V. 9. № 10. P. 742. https://doi.org/10.3390/photonics9100742

10. Wenfeng M., Xin Z., Hemeng Q., et al. Broad dual-band kinoform infrared double-layer diffractive optical system design // Acta Optica Sinica. 2014. V. 34. № 10. P. 1022002. https://doi.org/10.3788/AOS201434.1022002

11. Dong J., Zhang Y., Chen S., et al. Optical design and athermalization analysis of infrared dual band refractive-diffractive telephoto objective // Proc. SPIE. 2017. V. 10250. P. 102500H. https://doi.org/10.1117/12.2266733

12. Mao S, Zhao J., He D. Analytical and comprehensive optimization design for multilayer diffractive optical elements in infrared dual band // Opt. Commun. 2020. V. 472. Р. 125831. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125831

13. Вячин В.В., Гринкевич А.В. Инфракрасный объектив с переменным фокусным расстоянием // Патент РФ № 2578268. Дата публикации 2016.03.27.

14. SemiConductor [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.scd.co.il/wp-content/uploads/2019/07/Bird640-17-ceramic_brochure_v3_PRINT.pdf (дата обращения 06.02.2023).

15. ZEMAX [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.zemax.com/products/opticstudio (дата обращения 06.02.2023).

16. IR Coatings Technical Information ISP [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ispoptics.wpengine.com/wp-content/uploads/2018/11/Broad-Band-AR-Coating-for-8-12-µm_Ge-1.pdf (дата обращения 06.02.2023).

17. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Степанов С.А. Учет дифракционной эффективности при проектировании рефракционно-дифракционных оптических систем // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 3. C. 32–38.

18. Rahmlow Jr., T.D., Lazo-Wasem J.E., et al. Dual-band antireflection coatings on 3rd Gen lenses // Proc. SPIE. 2011. V. 8012. Р. 80123D (9 p). https://doi.org/10.1117/12.888100

19. CDGM [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.cdgmgd.com/go.htm?url=goods&k=HWS_Infrared_Glass (дата обращения 06.02.2023).