Оптические системы ИКС 3-го поколения

Если в большинстве ИКС 1-го поколения со сканированием апертурная диафрагма находилась вблизи сканирующего зеркала, а чувствительность ограничивалась излучением фона, попадавшим на ФПУ, то в ИКС 2-го поколения появилась охлаждаемая диафрагма - экран, существенно ограничивающий фоновый поток (рис.1). Изображение охлаждаемой диафрагмы переносится на входной зрачок, с которым совмещается сканирующее зеркало, что минимизирует вредное излучение оптических деталей, попадающее на ФПУ. При этом диафрагменное число остается постоянным для всего поля обзора.

Рис.1. Примеры оптических систем ИКС 1-го (а) и 2-го (б) поколений: 1 - приемник излучения, 2 - охлаждаемая диафрагма

Ряд ИКС 3-го поколения работают в средневолновом и в длинноволновом ИК-диапазонах одновременно. Длинноволновый диапазон применяется для поиска и обнаружения целей, а средневолновый, обладающий лучшим пространственным разрешением, используется для их распознавания и идентификации. В спектральном канале (диапазоне), принимающем более длинноволновое излучение, обычно используется более широкое угловое поле, нежели в канале, предназначенном для приема излучения с меньшими длинами волн и часто работающем в активном режиме (в видимом или ближневолновом ИК-диапазоне).

Применение линзовых объективов в ИКС-3, работающих в двух и более спектральных диапазонах, ведет к усложнению хроматической коррекции, проблеме выбора надлежащих оптических материалов линз и их антиотражающих (просветляющих) покрытий. Увеличение числа линз, связанное с усложнением аберрационной коррекции в двух или нескольких спектральных диапазонах, а не в одном, как это свойственно ИКС 1-го и 2-го поколений, уменьшает пропускание оптической системы, увеличивает ее массу габариты и стоимость. При этом усложняется юстировка всей системы.

Использование зеркальных и зеркально-линзовых объективов позволяет иметь единый входной зрачок при работе в различных спектральных диапазонах, включая и видимый. Это позволяет избежать применения нескольких апертурных диафрагм. Иногда для работы в ИК-диапазоне в качестве зеркальных объективов применяют трехзеркальные анастигматы, т.е. афокальные внеосевые зеркала, не затеняющие зрачок. Благодаря этому не происходит ухудшения функции передачи модуляции (ФПМ). Пример оптической системы подобного типа приведен на рис.2 [9].

оптический инфракрасный дифракционный длинноволновой

Рис.2. Пример оптической системы ИКС 3-го поколения: 1 - входное окно, 2 - анастигматическая афокальная система, 3 - светоделитель, 4 - двухдиапазонный матричный фотоприемник

При использовании в ИКС охлаждаемого приемника очень часто приходится устанавливать охлаждаемую диафрагму перед его чувствительной площадкой, т.е. внутри дьюара. Это следует учитывать при выборе и расчете оптической схемы. Так, приходится применять схему с переносом плоскости изображения из фокальной плоскости приемного объектива, что приводит к вводу дополнительных компонентов и усложнению конструкции оптической системы.

Специфичным для многих оптических систем ИКС 3-го поколения является изменение величины их углового поля. Оптимальной оптической системой является такая, в которой каждому значению изменяющегося углового поля соответствует свое диафрагменное число при постоянстве диаметра входного зрачка объектива, т.е. система с переменным фокусным расстоянием объектива. В таких ИКС, работающих с охлаждаемой диафрагмой, для сохранения эффективности последней необходимо изменять диаметр диафрагмы, являющейся апертурной и располагаемой внутри охлаждаемого объема (дьюара). Это заметно усложняет конструкцию всей системы.

Такая специфика свойственна, например, оптическим системам обзорно-прицельных приборов легкого стрелкового вооружения, работающим одновременно в ближнем (коротковолновом) и длинноволновом ИК-диапазонах. Стремление уменьшить их размеры и массу приводит к необходимости уменьшать число оптических компонентов. В дополнение к требованию к объективам таких приборов иметь хорошее пропускание в широком спектральном диапазоне в случае использования в длинноволновом (8…12 мкм) ИК-диапазоне неохлаждаемого ФПУ, чаще всего микроболометра, добавляются дополнительные, специфические требования. Так, с учетом меньшей, по сравнению с охлаждаемыми фотонными ФПУ, чувствительности неохлаждаемых ФПУ требуется применять достаточно светосильные объективы, т.е. объективы с большими относительными отверстиями D/f' (малыми диафрагменными числами K= f'/D), состоящие из небольшого числа линз в целях обеспечения высокого коэффициента пропускания. Например, в лазерном целеуказателе-дальномере, построенном на базе микроболометра, с целью компенсации потерь потока в передающей части оптической системы и на трассе его распространения входной зрачок приемной части системы целесообразно, по возможности, увеличивать. Принимая во внимание тенденции уменьшения размеров отдельных элементов чувствительного слоя микроболометров и увеличения их числа (увеличение формата), качество изображения, создаваемого объективами таких приборов, должно быть достаточно высоким.

Для длинноволнового канала ИКС, работающих с неохлаждаемыми приемниками излучения, часто используются асферические и дифракционные поверхности. Однако, если этот же оптический канал используется для передачи и приема лазерного пучка в ближневолновом ИК диапазоне, например на безопасной для глаза длине волны 1,55 мкм, то возникает ряд трудностей. Например, использование линз с асферическими и дифракционными поверхностями может затруднить формирование лазерного пучка с требуемой для работы целеуказателя - дальномера расходимостью. Использование дифракционных элементов в оптических системах ИКС- 3 часто затруднено, так как они обычно позволяют улучшить качество изображения только в одном, сравнительно узком спектральном диапазоне.

Следует особенно тщательно подбирать материалы светоделительных и просветляющих покрытий отдельных оптических компонентов ИКС, работающих активно-пассивным методом. Эти покрытия должны быть достаточно стойкими к лазерному излучению и в то же время хорошо пропускать длинноволновое ИК излучение. Светоделительный компонент, используемый для разделения спектральных каналов и в приемо-передающей лазерной оптической системе, должен располагаться перед компонентами, формирующими изображение в тепловизионном (длинноволновом ИК) канале.

Иногда для обеспечения хорошего качества тепловизионного изображения используются системы с управляемой (активной) фокусировкой.

Для ИКС 3-го поколения для наблюдения полей (сцен) большого размера все чаще требуются ФПУ с большими размерами матрицы и малыми размерами пикселов, например, ФПУ формата 1280х720 с пикселами порядка 20 мкм. Эффективное использование двухдиапазонных ИКС с такими ФПУ предусматривает возможность работы как в одном, так и в двух спектральных диапазонах в сочетании с объективами переменного увеличения, обладающими достаточно большими диафрагменными числами (порядка 6). При использовании охлаждаемых ФПУ необходимо, чтобы диафрагменное число дьюара могло изменяться в зависимости от выбранного режима работы ИКС, т.е. внутрь охлаждаемого объема желательно помещать диафрагму с переменной апертурой, обеспечивающую почти идеальную эффективность «холодного экранирования», и при этом сохранять неизменным размер входного зрачка объектива.

Примеры объективов таких систем с переменным диафрагменным числом К (К=3 и К=6) приведены в [10]. Переменный диаметр охлаждаемой диафрагмы приводит к масштабированию входного зрачка, поскольку он является изображением охлаждаемой диафрагмы в обратном ходе лучей. Поэтому система с двойным полем обзора (5^ох6,6^о и 10,4^ох13,8^о) сохраняет постоянным диаметр входного зрачка (17,5 мм) несмотря на различие в два раза фокусного расстояния объектива. Размер чувствительного слоя ФПУ остается постоянным. В [11] приводится пример системы с четырьмя величинами поля обзора (от 0,9^ох1,2^о до 10,4^ох13,8^о). Конструкция этой системы, в которой используются два афокальных элемента, достаточно сложна.

Важно отметить, что с увеличением форматов (1280 х 960, 1024 х 1024 и т.д.) чувствительного слоя ФПУ труднее обеспечить требуемую высокую точность оптической и механической сборки и юстировки, чтобы устранить различие в поворотах изображений и согласовать положения оптических осей различных спектральных каналов.

Для ФПУ очень больших форматов (1280 х 960, 1920 х 1080, 2000 х 2000 и др.) необходимо иметь объективы с малой дисторсией, чтобы избежать применения специальных программных алгоритмов компенсации дисторсии.

Для качественной стабилизации и согласования пикселов при смешении изображений, получаемых в разных каналах системы, и при автоматическом распознавании целей необходимо оптимальное сочетание оптической, механической и электронной юстировок.

Только одними оптико-механическими способами трудно выполнить юстировку положения оптической оси и увеличения оптических систем. Так, сложно обеспечить допуск на увеличение менее 3% из-за жестких требований к допускам на конструктивные элементы оптических систем, например, к величинам температурного коэффициента показателя преломления линз и величинам коэффициентов температурного расширения их оправ. Погрешность увеличения может быть эквивалентной нескольким пикселам. Она может быть ослаблена путем калибровки и исследований объектива и всей системы, но этот путь очень дорогостоящий.

Использование электромеханических схем для частичной фокусировки путем шагового изменения фокусного расстояния в целях согласования увеличения отдельных каналов ИКС позволяет провести балансировку увеличения двух изображений с допуском менее 1%.

Электронные способы регулировки увеличения могут быть эффективными для юстировки системы. Часто используют простые интерполяционные методы, например, билинейную интерполяцию, или ручные способы регулировки переменного увеличения. Используемые при этом многофазные фильтры с выборкой обычно предусматривают очень хорошее качество изображения. Современные интегральные схемы (чипы) обеспечивают до 128 фазовых шагов, что обеспечивает согласование увеличения с погрешностью лучше, чем 0,8%. Фиксированные установки переменного увеличения, определяемые в процессе калибровки системы, могут быть использованы для грубого согласования увеличений в разных каналах системы. Для изменения увеличения при вариациях температуры разрабатываются методы автоматической юстировки.

Программные методы не являются панацеей при проектировании систем с очень большими форматами ФПУ. Электронными средствами возможно достичь согласования оптических осей и ФПУ для разных спектральных каналов системы с допуском в один пиксел относительно положения оптических осей. Однако, современные технологии управления увеличением могут приводить к исключению части изображения на краях углового поля, составляющей несколько пикселов. Например, размер изображения объекта в середине углового поля, которому соответствует формат ФПУ 1000 х1000 пикселов, может оказаться на 8 пикселов большим, чем тот же размер, получаемый в другом канале с недостатком увеличения на 3%.

Это же ограничение имеет место при электронной коррекции дисторсии. Такие методы обработки информации хороши при калибровке систем и использовании интерполяционных фильтров. Сегодня для улучшения согласования пикселов отдельных спектральных каналов многодиапазонной системы требуется сложная калибровка с использованием десятков опорных точек и коррекции с высокой степенью точности.

Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно отметить, что при проектировании оптических систем ИКС 3-го поколения целесообразно:

- выбирать диафрагменное число К в соответствии с размерами чувствительного слоя ФПУ и охлаждаемой диафрагмы, а также их расположением;

- выбирать механизм фокусировки с учетом точности его осевого перемещения, так чтобы изображение сохраняло свое расположение на чувствительном слое ФПУ при перефокусировке;

- применять объективы с малой дисторсией, чтобы уменьшить необходимость использовать сложные алгоритмы программной компенсации дисторсии и сложную калибровку (дисторсия менее 0,2% достижима для современных объективов);

- использовать механическую юстировку камер для исключения различия в поворотах изображений (достижима угловая регистрация поворота с допуском менее 1 мрад);

- применять механические, электронные и программные способы для точной юстировки положения оптических осей, например, если невозможно согласовать точно положение центров пикселов ФПУ двух или более раздельных каналов ИКС.

2. Оптические материалы

В отличие от известных халькогенидных стекол, работающих в видимой области спектра и имеющих температуру размягчения более 900С, стекла фирмы Agiltron имеют температуру размягчения немного ниже 200С, что заметно удешевляет, упрощает и ускоряет технологический процесс изготовления деталей методом моллирования (прессования). В [15] сообщается, что моллированные поверхности сферических, асферических и цилиндрических линз, изготовленных из этих стекол, имеют высокую степень чистоты и не нуждаются в шлифовке и полировке. Линзы могут впрессовываться непосредственно в термообработанные алюминиевые оправы, изготавливаемые способом алмазного точения.

Условия работы многих ИКС военного назначения заметно изменились за последние десятилетия. Часто обнаружение и идентификацию источников возможных угроз (целей) необходимо проводить на малых дальностях в широких угловых полях, за короткое время, в темное время суток и при наличии пыледымовых помех. Этапами работы таких систем являются: предварительное обнаружение источника угрозы и определение направления, на котором он находится; обнаружение факта атаки с его стороны; идентификация источника угрозы и определение его положения в трехмерной системе координат. Атака во многих случаях может вестись с любого направления, что вынуждает иметь большое поле обзора аппаратуры. Дальность до источника угрозы (до цели) и его тип могут изменяться значительно. В связи с этими и другими факторами все большее внимание разработчиков ИКС в последние годы привлекают панорамные оптические системы.

Несмотря на то, что угловое разрешение панорамных ИК-систем хуже, чем в системах с меньшими угловыми полями, они успешно используются на первых этапах работы комплексов, состоящих из широкоугольной панорамной системы обнаружения цели (или угрозы) и сравнительно узкопольной системы распознавания, классификации и идентификации цели и определения её координат и параметров движения. Предлагается, что панорамные ИК-системы пассивного типа будут эффективно работать в сложных погодных условиях (снег, туман, дождь, пылегазовые помехи и т.п.) в сочетании с низкоуровневыми телевизионными системами видимого и ближнего ИК диапазонов. Такие комплексы предлагается использовать в системах предупреждения атаки со стороны противника, обнаружения позиций его огневых средств, при пилотировании летательных аппаратов, в охранных системах, системах защиты кораблей, в портативных системах вооружения, устанавливаемых на подвижных основаниях и др.

Важнейшим компонентом этих комплексов являются оптические панорамные блоки (ОПБ). В качестве примера на рис.4 приводятся схемы ОПБ, разработанных на кафедре оптико-электронных приборов МИИГАиК (рис.5,а) и на кафедре светотехники МЭИ (рис.5,б).

Рис.5. Оптические схемы ОПБ: 1 - входная преломляющая поверхность, 2,3 - зеркальные сферические (асферические) поверхности, 4 - плоская выходная поверхность, 5 - плоскость изображения

Типичные современные линзовые панорамные объективы ИК-систем имеют следующие параметры и характеристики:

- общее угловое поле составляет 180?…220?;

- диаметр первого компонента примерно в 1,5 раза и более превышает размер используемого в системе чувствительного слоя ФПУ;

- разрешение в отдельных зонах поля обзора изменяется в 5…10 раз; причем в соседних зонах с угловым размером 5…10^о это разрешение может изменяться в два раза;

- спад функции передачи модуляции на частоте Найквиста составляет 65…80%;

- диафрагменные числа в ИК-области превышают 0,8;

- коэффициент пропускания объективов превышает 0,6;

- рабочими спектральными диапазонами могут быть 3…5, 8…12 мкм или двухдиапазонная комбинация 3…5/8…12 мкм.

В схемах панорамных объективов дисторсия получаемых изображений рассчитывается так, чтобы получить хорошее разрешение в заданной зоне поля обзора (дисторгирующие объективы). Если всё поле разбито на n зон, а угловой размер i-ой зоны (i=1… n) равен И_i, причем в угле И_i необходимо иметь N_i разрешаемых элементов, соответствующих пикселам ФПУ, то соответствующая N_i частота Найквиста f_Ni, при которой не происходит искажения спектра сигнала, равна

f_Ni=N_i/(2И_i)

Общее для всех зон число разрешаемых пикселов N определяется как

В последние десятилетия был разработан ряд ИК-систем с панорамными объективами. В [18] описан зеркально-линзовый объектив APTIS, предназначенный для автоматического обнаружения, локации и слежения за множественными целями и работающий в сочетании с ФПУ формата 640х480 пикселов. Как и у других систем подобного типа, в этой системе трудно обеспечить одновременно малые аберрации и большие приемные апертуры. С точки зрения простоты, компактности и надежности конструкции, а также уменьшения влияния ошибок из-за разъюстировки объектива выбор зеркального первого компонента объектива с «крутыми» радиусами также не является удачным.

Панорамная система с полусферическим угловым полем компании ImmerVision может устанавливаться на платформах различного типа. В ней полусферическое угловое поле делится на пять зон. В одних зонах, где важно иметь большую вероятность распознавания и идентификации различных объектов, обеспечивается хорошее разрешение, в других оно хуже, т.е. относительное угловое разрешение, характеризуемое отношением «пиксел (элемент разрешения)/градус», различно для отдельных зон поля обзора. В этой системе аберрационная коррекция проведена для панорамного изображения, получаемого специально рассчитанным объективом для обеспечения хорошего разрешения ИК-камеры, работающей в среднем и длинноволновом ИК-диапазонах.

Для систем предупреждения о возможной угрозе в [19] предложен панорамный объектив с угловым полем 180^о х 360^о, работающий в спектральном диапазоне 8…12 мкм и диафрагменным числом К= 1. Объектив может работать совместно с ФПУ формата 640 х 480 пикселов размером 25 мкм. На частоте Найквиста спад функции передачи модуляции доходит до 75 %. Все угловое поле объектива делится на три зоны с различным разрешением. Наибольшее разрешение достигается в средней зоне, а наихудшее - на краях поля. Изображение поля имеет вид эллипса с размерами осей 620 и 460 пикселов. Первоначальная конструкция объектива состояла их четырех германиевых линз. Затем было предложено выполнять одну из линз гибридной, делая одну первую ее поверхность дифракционной с помощью алмазного точения, что значительно увеличило разрешение системы.

Как указывается в [19], применение двух цилиндрических германиевых линз и двух асферических поверхностей линз из Ge и ZnS в составе пятилинзового объектива позволяет обеспечить работу панорамной системы в диапазонах 3…5 и 8…12 мкм. При этом разрешение на краю углового поля в зоне порядка 20^о приближается к разрешению в центре поля.

Линзовые панорамные объективы, описанные в [19], работают в спектральном диапазоне 3…5 мкм, а другие системы этого типа - в диапазоне 3…12 мкм.

Наряду с разработкой панорамных систем с объективом в виде единого моноблока продолжают появляться ИКС с комбинированием отдельных широкопольных объективов в единую систему с азимутальным угловым полем 360^о. Примером может служить противоракетная корабельная ИК следящая система ARTEMIS, предназначенная для автоматического обнаружения и слежения за низколетящими воздушными и надводными целями по их собственному излучению [20]. Система состоит из трех сопряженных по азимуту (расположенных вокруг одной вертикальной оси) датчиков, объективы которых имеют угловые поля 120^о х 26^о. Система работает в спектральном диапазоне 3…5 мкм с частотой кадров 10 Гц.

Так, в [20] описывается панорамный ИК датчик, работающий в спектральном диапазоне 3,4…4,9 мкм и имеющий угловое поле 360^о (по азимуту) х 60^о (по углу возвышения). В датчике используется ФПУ на базе InSb формата 640 х 512 пикселов размером 20 мкм. Угловое разрешение датчика близко к 6 мрад, но изменяется по углу возвышения. Частота кадров достигает 120 Гц. Датчик имеет цифровой выход на 14 бит. Габариты датчика - 228 мм (длина) и 218 мм (диаметр); масса - менее 9 кг, потребляемая мощность - от 30 до 50 Вт в зависимости от режима эксплуатации. Приводятся некоторые результаты полевых испытаний датчика, в частности, по обнаружению факела выхлопных газов двигателя летящего самолета и обнаружения вспышек выстрела из стрелкового оружия.

Для перископов подводных лодок была разработана панорамная ИКС с угловым полем 360^о х 40^о (-10^о х +30^о), работающая в средневолновом ИК диапазоне [20]. В ней использовано ФПУ на базе InSb, охлаждаемое до 80 К и имеющее формат 2048 х 2048 пикселов размера 15 мкм. Система охлаждения обеспечивает хладопроизводительность порядка 750 мВт при комнатной окружающей температуре и 50 Вт потребляемой мощности. Для двухточечной коррекции неоднородности пикселов в реальном масштабе времени в систему введен эталонный источник. Испытания системы показали, что она обеспечивает ЭШРТ порядка 30 мК по всей площади ФПУ при остаточной неоднородности по всему изображению менее 0,3 %. Частота кадров при различных временах накопления зарядов составила 30 Гц. Габариты системы - около 200 мм (высота) и 166 мм (диаметр).

4. Примеры оптических систем ИКС 3-го поколения