Оптические системы ИКС 3-го поколения

Таблица 7. Параметры оптических систем опытного образца 3^rd Gen Demonstrator [9]

Аппаратура работоспособна в диапазоне окружающих температур от -40^о до +60^оС.

Эксперимент показал, что при диаметре апертуры порядка 100 мм с помощью разработанного образца можно продемонстрировать все преимущества систем 3-го поколения при заметном сокращении габаритов прибора по сравнению с системой 2-го поколения.

Агенство DARPA спонсирует программу MONTAGE по разработке компактной ОЭС, работающей одновременно в видимом и ИК диапазонах спектра [23]. Сокращение продольного габарита оптической системы достигается за счет использования сложного двухстороннего зеркала с несколькими отражательными концентрическими кольцевыми зонами различной кривизны на каждой стороне зеркала и делением входного зрачка на три концентрические зоны. Центральная зона в виде круга, заменяющая обычную для зеркальных и зеркально-линзовых зону затенения, используется для размещения широкопольного линзового объектива, работающего в видимом диапазоне. Следующая за ней кольцевая зона используется для работы зеркального объектива с троекратным изломом хода лучей, также работающего в видимом диапазоне. Третья, периферийная кольцевая зона работает в длинноволновом ИК диапазоне как зеркальный объектив с четырехкратным изломом хода лучей, отражающихся от четырех зеркальных поверхностей и собирающихся на чувствительный сой приемника - микроболометра формата 640 х 480. Ряд зеркальных поверхностей на обеих сторонах зеркала выполнен в виде концентрических кольцевых асферических поверхностей с помощью алмазного точения.

Рис. 8. Многодиапазонная оптическая система MONTAGE

Так как все три объектива (зоны) имеют общую оптическую ось, в системе отсутствует параллакс создаваемых ими изображений, что особенно важно для просмотра сцен с большой глубиной поля. С учетом сравнительно больших размеров пикселов современных микроболометров (17 …25 мкм) фокусное расстояние третьего объектива (зоны) было выбрано достаточно большим (164 мм), чтобы обеспечить такие же диафрагменное число, угловое поле и разрешение, какие имеют объективы (зоны), работающие в видимом диапазоне. Подбор требуемых фокусных расстояний для каждого объектива возможен путем изменения радиусов кривизны отражающих поверхностей в каждом канале (зоне) систнмы.

Из-за большого коэффициента затемнения в центральной зоне углового поля ИК канала может наблюдаться неоднородность облучения пикселов приемника. Это требует применения схемы коррекции этой неоднородности.

Как известно, одним из способов повысить геометрическое разрешение ОЭС без увеличения габаритов ФПУ и его формата, является микросканирование. Наиболее часто амплитуда принудительного перемещения изображения по поверхности фоточувствительного слоя ФПУ равна размеру двух пикселов по каждой из декартовых координат. Это позволяет удвоить эффективный формат ФПУ вдвое, т.е. повысить вдвое разрешение, не увеличивая размеры ФПУ, а также удвоить частоту Найквиста, определяющую предельную пространственную частоту в спектре изображения, передаваемую без искажений.

В [24] описывается ИКС с зеркально-линзовым объективом, построенным по схеме Кассегрена с коэффициентом затенения 0,5, и микроболометром формата 640х480 пикселов размером 25 мкм. Микросканирование в этой системе обеспечивается путем колебания второго зеркального компонента объектива (контр-рефлектора) с амплитудой 50 угл.с. по двум осям, совпадающим с осями матрицы ФПУ. Наклоны контр-рефлектора приводят к перемещениям изображения на два пикселя по каждой оси, т.е. эффективный формат ФПУ становиться равным 1280х960. Это позволило отказаться от увеличения вдвое фокусного расстояния объектива с целью повышения разрешения и, собственно, от увеличения его массы и габаритов.

Система работает в спектральном диапазоне 7…14 мкм, фокусное расстояние объектива равно 50 мм, а угловое поле - 22,6°. Эффективное диафрагменное число - не менее 1,5. Поверхности первичного и вторичного зеркал, а также полевой линзы, помещаемой перед микроболометром, выполнены асферическими. Падение освещенности для углов в 6° не превышает 15%. Объектив снабжен блендами, снижающими засветку от боковых помех. Диаметр объектива равен 75 мм, а длина - 100 мм; его масса не превышает 250 г. Подбор материалов зеркал и их оправ позволяет осуществить атермализацию для диапазона окружающих температур -30°…+60°С. Глубина изображаемого пространства - от 25 м до бесконечности. Размер чувствительного слоя микроболометра - 16х12 мм². Значение ЭШРТ при эффективном относительном отверстии объектива 1:1 и частоте кадров 60 Гц составляет около 60 мК. Переход от одного пиксела к другому при микросканировании не превышает 1,5 мс, что гораздо меньше постоянной времени пикселов микроболометра (7,5 мс). В системе имеется ручная механическая система фокусировки с разрешением 5 мкм в диапазоне 2,5 мм. Общая длина оптического блока, включая бленду, составляет 114 мм.

Рис.9. Оптическая смстема с микросканированием

Микросканирование повышает разрешение системы до 40 лин/мм. Наибольшее разрешение достигается в центре углового поля. Виньетирование из-за затенения части пучка лучей контр-рефлектором на краю поля составляет около 69%. Этот эффект устраняется путем калибровки системы при которой между полевой линзой и микроболометром периодически вводится затвор-шторка. Дисторсия на краю поля не превышает 2%. Механизм микросканирования, потребляющий мощность порядка 1 Вт, может быть отключен, если не требуется высокое пространственное разрешение.

Помимо описанной ИКС, получившей название IRXCAM-60, была разработана аналогичная система для работы в средневолновом ИК, длинноволновом ИК и терагерцовом диапазонах, в которой используется микроболометр формата 160х120 с размером пикселов 52 мкм (IRXCAM-160). В [24] указывается, что возможно адаптировать систему для работы с охлаждаемыми ФПУ в любом из участков широкого ИК диапазона, а также для работы с микроболометрами компании Ulis, имеющими размер пикселов 17 мкм.

При разработке двухдиапазонных систем все чаще применяются оптические системы с переменным диафрагменным числом объектива, в состав которого входит охлаждаемая диафрагма. При меньшем диафрагменном числе К лучше решается задача обнаружения излучающих целей в длинноволновом ИК-диапазоне, а при большем К - задача идентификации целей в средневолновом диапазоне. Так, разрабатываемые компанией AIM Infrarot-Module GmbH системы будут иметь охлаждаемые диафрагмы и изменяемые диафрагменные числа - К=3 и менее в длинноволновом ИК-диапазоне и К=6 и более в средневолновом ИК-диапазоне [5].

Для ослабления или исключения вредного влияния собственного излучения оптических деталей на работу высокочувствительных ФПУ, охлаждаемых до криогенных температур, продолжаются попытки разработать такие ИКС, в которых оптическая система помещается вместе с ФПУ в единый охлаждаемый объем - DDCA (Detector-Dewar-Cooler Assembly).

Достоинством таких систем являются:

- отсутствие необходимости иметь механическую или электронную систему коррекции расфокусировки, возникающей при изменении температуры окружающей объектив среды;

- снижение требований к системе коррекции неоднородности чувствительности пикселов ФПУ, также возникающей при изменении окружающей температуры; кроме того, за счет уменьшения количества и длительности этапов калибровки ФПУ при такой коррекции уменьшается «нерабочее» время функционирования системы, когда, например, перед ФПУ помещается равномерно излучающая шторка;

- снижение уровня фона от внутриприборного излучения, т.е. собственного излучения оптических деталей и их оправ, находящихся при стабилизированной криогенной температуре охлаждения.

Интересной представляется конструкция ИКС со встроенной в сосуд Дьюара (дьюар) оптической системой, состоящей из трех линз и спектрального фильтра (рис.10) [25]. Перед дьюаром расположен неохлаждаемый защитный оптический компонент - обтекатель, представляющий собой тонкий выпуклый мениск с одинаковыми внешним и внутренним радиусами, т.е. имеющий нулевую оптическую силу.

Описанная в [25] охлаждаемая до 80 К система с диафрагменным числом К=2 и угловым полем 105^о х 135,5^о, предназначена для получения изображения дальнего поля при фокусировке на бесконечность или на другое фиксированное большое расстояние. В связи с разными углами падения лучей на поверхности ее компонентов в системе использованы просветляющие покрытия двух типов - для малых и больших углов падения. Масса системы не превышает 5 г, а габариты невелики, что делает небольшой тепловую нагрузку (охлаждаемую массу) системы охлаждения.

Исследования этой системы показали, что качество полученного с ее помощью изображения точечного объекта близко к дифракционному пределу - значение функции передачи модуляции не падало менее 0,66…0,7 от максимума для угла визирования 72^о и пространственной частоты 24 периода/мм. В кружке рассеяния радиусом 7 мкм содержалось 70…75% от всего потока, собираемого системой. Изменение облученности чувствительного слоя ФПУ не превышало 10% на краю поля размером 65^о.

В [25] приводятся результаты исследований такой системы при ослаблении эффекта Нарцисса путем ввода специальной охлаждаемой диафрагмы, опоясывающей первый линзовый компонент, помещаемый сразу после неохлаждаемого обтекателя. Кроме того, исследовался процесс возникновения из-за наличия просветляющих покрытий ложных изображений (гало) при появлении мощных боковых излучающих помех, находящихся вне углового поля объектива, и рассеянного внутри корпуса дьюара паразитного излучения. Как указывается в [25], предложенные меры борьбы или ослабления этих вредных явлений оказались достаточно эффективными.

Рис.10. Охлаждаемая оптическая система

Расширение объема производства асферических и дифракционных линз заставило искать более дешевые методы их изготовления, нежели применявшийся многие годы метод одноточечного алмазного точения. Одним из таких методов является моллирование (прессование). В [26] сопоставляются достоинства и недостатки этих двух методов с точки зрения получения заданной формы оптической поверхности с определенными допусками. При экспериментальных исследованиях технологического процесса изготовления линз диаметром 10 мм время на изготовление методом моллирования составило 33 минуты, а методом алмазного точения таких же линз - 153 мин. При моллировании одновременно формируются обе поверхности линзы, исключается необходимость последующей центрировки, проще осуществляется контроль параметров линзы. Компания LightPath Technologies разработала технологию моллирования линз диаметром от 25 до 50 мм из халькогенидных стекол.

Одним из направлений развития современных ОЭС является создание адаптивных систем, способных изменять свои параметры и характеристики при изменении внешних условий. Простейшими являются системы, в которых автоматически изменяется величина потока при облученности на фоточувствительном слое ФПУ, что предотвращает насыщение ячеек схемы считывания зарядов с пикселов ФПУ или растекание зарядов по соседним пикселам, т.е. снижение разрешающей способности всей системы. Примером является устройство, работающее в видимом и ближнем ИК диапазонах и названное динамическим солнечным фильтром (DSF - Dynamic Sunlight Filter) [27].

В исходном(нормальном) состоянии, когда облученность не превышает некоторого заданного уровня, фильтр полностью прозрачен. Если же облученность превышает заданный порог, что может случиться при попадании прямого солнечного света на входной зрачок ОЭС или при возникновении засветки от фар встречного автомобиля, пропускание адаптивного фильтра падает, снижаясь практически до нуля. После устранения внешней мощной засветки фильтр восстанавливает свое первоначальное пропускание.

Описанный в [27] фильтр основан на новых наноструктурах и наночастицах, используемых для создания нелинейной рассеивающей среды. Эта среда при малых мощностях проходящего через нее сигнала вносит только поглощение потока, но не его рассеивание. При увеличении сигнала растет его рассеивание. Фильтр может работать в режиме блокирования сигнала - быстрого снижения пропускания до нуля и в режиме постепенного нелинейного снижения прозрачности до некоторого уровня насыщенности. В первом режиме происходит быстрое изменение взаимодействия металлических и неметаллических слоев, из которых состоит фильтр, вплоть до их разрушения. Во втором режиме возникает рассеяние излучения на наночастицах, находящихся на пути лучей и вызывающих поглощение потока. Авторы [27] предполагают, что время отклика (постоянная времени фильтра) не превышает 50 мс.

Библиография

1. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2011.-568 с.

2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 480 с.

3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Логос, 2007. -192 с.

4. Тарасов В.В., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы 3-го поколения. - М.: Логос, 2011. - 242 с.

5. Infrared Imaging News, Vol.15, № 9, September 2009

6. Infrared Imaging News, Vol.16, №7, July 2010

7. Wick R.V. Revitalized militarily critical technologies program.- SPIE Proc., V.5798 (2005), P.234-243

8. Dirbas J., Mireles T., Davies A. et al. MANTIS-3: A low cost, light-weight, turreted spectral sensor. - SPIE Proc, V.5787 (2005), P. 9-16

9. Vizgaitis J. 3rd Generation FLIR demonstrator. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400U-1…10

10.Vizgaitis J., Miller J., Hall J., Berube D. Third generation infrared optics. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400S-1…10

11. Vizgaitis J. Dual f/number optics for 3rd generation FLIR systems. - SPIE Proc., V.5783 (2005), P.875-886

12. Smith J.G., Borek G.T. Etching of chalcogenide glass for IR microoptics. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400W-1…7

13. Snyder M.P., Visgaitis J.N. Optical design study for the 1-5 m spectral band. - SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729810-1…12

14. Zadravec D., Franks J.W., Rodgers K.A. et al. A multi-spectral optical system (1,55 мm and 8-12 мm) of GASIR. 1 Design and coating aspects.- SPIE Proc., V. 7298 (2009), P.72982L-1…9

15. Zhao J., DiFilippo V. Low cost molded optics for IR imaging.-SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72983J-1…8

16. Rahmlow T.D., Lazo-Wasem J.E. Dual-band antireflection coatings for the infrared. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.69400T-1…8

17. Hendrix K.D., Bergeron A., Favot D.L. High performance MWIR dual bandpass filter for thermal imaging.- SPIE Proc., V.7298 (2009), P.72982K-1…12

18.Bjork C., Wan W. Mid-wave infrared (MWIR) panoramic sensor for various applications. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76600B-1…9

19. Nichols J.M., Waterman J.R. Performance characteristics of a submarine panoramic infrared sensor. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766005-1…9

20. Fontanella J.-C., Delacourt D., Klein Y. ARTEMIS: first naval staring IRST in service. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766006-1…11

21.Fisher J., Welch W.C. Survey and analysis of fore-optics for hyperspectral imaging systems. - SPIE Proc., V.6206 (2006), P.62062R-1…11

22.Mouroulis P. Compact infrared spectrometers. - SPIE Proc., V.7298 (2009), P.729803-1…10

23.Morrison R., Stack R., Athale R. et al. An alternative approach to infrared optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601Y-1…11

24.Le Noc L., Tremblay B., Martel A. et al. 1280 x 960 pixel microscanned infrared imaging module. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766021-1…10

25. Singer M. Design of a cryogenic IR detector with integrated optics. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.76601Z-1…9

26.Cogburn G., Symmons A., Mertus L. Molding aspheric lenses for low-cjst production versus diamond turned lenses. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766020-1…6

27. Donval A., Fisher T., Blecher G., Oron M. Dynamic sunlight filter (DSF) - a passive way to increase the dynamic range in visible and SWIR cameras - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.7660024-1…8

28.Martyniuk P., Rogalski A. Comparison of performance of quantum dot and other types of infrared photodetectors. - SPIE Proc., V.6940 (2008), P.694004-1…10

29.Breiter R., Ihle T., Wendler J. et al. MCT IR detection modules with 15 mcm pitch for high reliability applications. - SPIE Proc., V.7660 (2010), P.766039-1…11

Размещено на Allbest.ru