Атермальный объектив что это
Сохранение высокого качества изображения в широком интервале рабочих температур является важнейшим требованием к оптической части любого прибора, позволяющим обеспечивать его бесперебойное функционирование как в жару, так и в морозы.
Обычно оптические расчеты проводятся для нормальных климатических условий, характеризующихся температурой 20°C и давлением 1 атм. Однако жесткие требования стандартов для военной техники нормируют рабочий температурный диапазон в пределах как минимум от –50 до 50°C. Отсюда перепад плюсовых температур относительно расчетной температуры составляет всего 30°C, тогда как для минусовых он значительно больше – все 70°C. В этой связи становится очевидной трудность обеспечения работоспособности конструкций оптических и оптико-механических узлов приборов и прицелов в условиях минусовых температур. В большей степени это относится к объективам приборов как системам, строящим изображения объектов на фоточувствительных площадках различных фотоприемников или работающим в чисто визуальных системах наблюдения и прицеливания.
Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации прицельно-наблюдательных приборов температурный диапазон может быть значительно больше. Зафиксированными максимумом и минимумом температур на настоящий момент считаются 63°C [1] и –91,2°C [2], но рабочим температурным интервалом при проектировании объектов БТВТ принято считать диапазон в 100°C (±50°C), а в некоторых странах в 90°C (от –40°C до 50°C).
При работе в условиях переменных температур геометрические размеры оптических элементов изменяются в соответствии с коэффициентами теплового расширения материала, из которого они изготовлены. Также существенно меняется и показатель преломления большинства используемых оптических материалов [3].
В результате изображение бесконечно удаленного предмета сдвигается на некоторую величину, и когда этот сдвиг превысит допустимую глубину резкости, возникает необходимость его компенсации. Такая ситуация наиболее характерна для светосильных систем, имеющих минимальную глубину резкости, и в первую очередь актуальна для тепловизионных систем с неохлаждаемыми фотоприемниками, в которых светосила оптики, в значительной степени определяющая дальность видения, выбирается наибольшей.
Характерно, что для светосильных объективов прицельно-наблюдательных приборов, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра, ввиду незначительности величины смещения плоскости изображения при изменении температуры окружающей среды, компенсацию сдвига можно обеспечить посредством применения термокомпенсатора как отдельного конструктивного элемента. Такой способ применен в известных прицельных комплексах ТО1-КО1 и ТКН-4С.
Обеспечение термостабильности объективов оптико-электронных приборов возможно также при наличии механизмов ручной или автоматической фокусировки, предназначенных для компенсации смещения плоскости наилучшей установки (ПНУ) при перепаде температур и для сохранения расчетного качества изображения.
Но любой из названных способов ведет к усложнению конструкции из-за применения дополнительных элементов (микроэлектродвигателей, механических узлов с подвижными блоками), обеспечение работоспособности которых в большом интервале температур также проблематично.
В стремлении к простоте и надежности оптических систем военной техники при проектировании оптико-электронных приборов получили распространение разработки так называемых атермальных оптических узлов, в которых методами оптического расчета стремятся получить конструктивное решение оптической схемы, в которой комбинация оптических элементов, их материалов и конфигурации позволят скомпенсировать температурные уводы ПНУ и сохранить её совпадение с плоскостью чувствительных элементов фотоприемника.
Рассмотрим одно из таких чисто оптических решений – оптическую схему 50-мм объектива с линейным полем зрения 14 мм, в которой увод ПНУ минимизируется только за счет оптических компонентов.
Такая схема «далась» не просто, но получилась довольно простой, содержащей всего три оптические детали и одну асферическую поверхность (рис.2). Но именно при такой оптической конструкции плоскость фотоприемника остается в плоскости наилучшей установки и качество оптического изображения практически изменяется очень незначительно.
Конструктивные данные асферического атермального объектива при температуре +20°C приведены в табл. 1. Изменения конструктивных данных асферического атермального объектива при температуре –40°C приведены в табл. 2.
Кружки рассеяния и графики контрастных характеристик при рабочих температурах +20 и –40°C приведены на рис. 3 и 4 соответственно. Из графиков видно, что объектив имеет высокое качество изображения по всему полю зрения, практически совпадающее с дифракционным. Небольшое снижение сагиттальной составляющей края линейного поля зрения 14 мм при температуре –40°C существенной роли не играет.
Атермальность объектива и высокое качество изображения достигают за счет применения особых инфракрасных стекол IG4 и IG6 импортного производства и одной асферической поверхности высокого порядка.
Дальнейшие работы велись в направлении упрощения конструкции объектива в части устранения асферики и обеспечения работоспособности при минусовых температурах до –50°C без потери качества изображения. Для этого дополнительно к оптическим решениям был применен метод температурной компенсации механическими составляющими оптических узлов с использованием так называемого метода «стакана».
Это позволило не только расширить температурный диапазон, но и упростить оптическую систему, так как комбинация материала корпуса и «стакана» дает дополнительные возможности для атермализации даже при простой оптической системе.
Вариант оптической схемы такого тепловизионного объектива без асферических поверхностей выглядит следующим образом (рис.5). Конструктивные данные объектива приведены в табл. 3. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения равна
110 мм при линейном поле зрения 13,6 мм.
Параметры объектива при расчетной температуре 20°C очень высоки – кружки рассеяния, приведенные на рис.6, не превышают размеров диска Эйри.
Изменение температуры практически не влияет на качество объектива, меняется только величина заднего фокального отрезка – S′f′ (или воздушного промежутка от последней линзы объектива до защитного стекла фотоприемного устройства). Плоскость наилучшей установки (ПНУ) попросту «уплывает». Причем она «плывет» в значительных пределах.
Изменение заднего фокального отрезка в рамках привычного стоградусного диапазона рабочих температур от нормальной температуры 20°C до ±50°C приведено в табл.
Таким образом, при повышении температуры ПНУ смещается в сторону уменьшения заднего фокального отрезка на величину 0,23 мм, тогда как при понижении температуры воздушный промежуток от последней поверхности объектива до защитного стекла фотоприемника увеличивается на 0,54 мм. Фотоприемник должен как бы «отодвинуться» от последней линзы объектива на весьма значительную величину.
На рис.7 представлен вариант механической температурной компенсации «увода» ПНУ. В данном варианте решения крепежный торец корпуса совпадает с вершиной последней поверхности последней линзы объектива. С корпусом соединён «стакан», в котором закреплён фотоприемник. При таком креплении фотоприемника изменение линейных размеров «стакана» будет происходить в направлении, обратном изменению линейных размеров корпуса при изменении температуры. Таким образом, «стакан» играет роль термокомпенсатора. Из рисунка видно, что:
Оценка возможности подбора комбинации материалов, температурные коэффициенты линейного расширения которых позволили бы обеспечить совпадение ПНУ с плоскостью фотоприемника за счет разницы коэффициентов, привела к следующим результатам.
В соответствии с рис.7 и значениями температурных коэффициентов линейного расширения наиболее широко применяемых конструкционных материалов, для достижения ожидаемого результата необходимо выбрать для размера A материал с минимальным коэффициентом линейного расширения, а для размера B – с максимальным.
Такая комбинация может быть составлена из широко применяемого в приборостроении титана для корпусной детали и полиамида или фторопласта-4 для термокомпенсатора. Их температурные коэффициенты линейного расширения kt равны 8,6 · 10–6 °C-1 (титан) и 110 · 10–6 °C-1 (полиамид или фоторопласт-4).
Линейное удлинение Δl вычисляется по формуле:
где
L – длина детали по опорным поверхностям;
kt – температурный коэффициент линейного расширения материала детали;
ΔT – диапазон изменения температуры.
Работая с интервалом температур от +20 до –50°C и приняв размер А корпусной детали при +20°C произвольным, например равным 100 мм, получим уменьшение его длины на Δl = 0,0602 мм.
В этом случае термокомпенсатор при температуре +20°C должен иметь размер В = 87,1 мм, а его Δl составит величину 0,67067 мм.
Таким образом, при температуре –50°C размер A станет равным 99,9398 мм, а размер B – 86,42933 мм. В итоге воздушный промежуток d6 увеличится и примет значение 13,51046 мм вместо требуемого 13,44 мм (табл. 4). Для устранения явной «перекомпенсации» и обеспечения необходимого значения воздушного промежутка d6 необходимо подбором уменьшать длину корпуса и длину термокомпенсатора.
Однако такие конструкции способны обеспечить перемещения как правило незначительной величины. В случаях более сильной расфокусировки оптической системы при изменениях температуры, когда необходимы большие значения перемещения для компенсации увода плоскости наилучшей установки (ПНУ), не удается подобрать соответствующий материал для изготовления компенсационного элемента.
При обеспечении возможности регулировки положения ПНУ в больших пределах необходимо также учитывать наличие разброса значений коэффициента линейного расширения у разных партий поставок материала, из которого изготавливаются компенсационные элементы.
Для решения поставленной задачи была предложена конструкция трехлинзового инфракрасного объектива, представленная на рис.8.
Объектив содержит линзы 1, 2 и 3. Линза 3 установлена в собственной оправе с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно корпуса 5 оптической системы. Узел температурной компенсации включает компенсационный элемент 9, изготовленный из материала с коэффициентом линейного расширения, существенно отличающимся от материала корпуса, и установленный параллельно оптической оси объектива с упругим односторонним упором в оправу 7. На другом конце компенсационного элемента, жестко закрепленном на оправе 6, сформированы продольные пазы. Между корпусом 5 и фотоприемником 4 установлен второй компенсационный элемент, состоящий из двух компонентов 10 и 11. Компонент 10 изготовлен из материала с коэффициентом линейного расширения, существенно отличающимся от материала корпуса 5, а второй компонент 11 – из материала с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициенту расширения материала корпуса. Двухкомпонентный компенсационный элемент установлен параллельно оптической оси и одним концом упруго прижат к оправе фотоприемника 8, другим – к корпусу объектива 5 через жесткий упор 12. Между оправами третьей линзы 7 и фотоприемника 4 установлен упругий элемент 13 с соблюдением следующих соотношений:
где
d4 – воздушный промежуток между второй и третьей линзами;
fоб – фокусное расстояние объектива;
Lп – длина продольного паза в первом компенсационном элементе;
L1к – длина первого компенсационного элемента;
n – число продольных пазов в первом компенсационном элементе.
В предложенной оптической схеме объектива величина d4 сравнима с фокусным расстоянием объектива и выбрана из соотношения:
где
d4 – воздушный промежуток между второй и третьей линзами;
fоб – фокусное расстояние объектива.
Продольные пазы, сформированные на компенсационном элементе 9, выбираются из следующих соотношений:
где
Lп – длина продольного паза в первом компенсационном элементе;
L1к – длина первого компенсационного элемента;
n – число продольных пазов в первом компенсационном элементе.
При изменении температуры меняется длина компенсационного элемента 9 и, вследствие разности коэффициентов линейного расширения материалов корпуса 5 и компенсационного элемента 9, происходит изменение взаимного положения линзы 3, компенсируя большую часть рассогласования ПНУ и фотоприемника 4.
Продольные пазы, выполненные на жестко закрепленном конце компенсационного элемента 9, обеспечивают пружинными свойствами посадочный диаметр этого элемента на участках, равных длине пазов, и исключают растрескивание жестко закрепленного конца компенсационного элемента 9 из-за разницы в изменении диаметральных размеров сопрягаемых деталей (корпуса 5, оправы 6 и компенсационного элемента 9) при изменении внешней температуры.
Для достижения полной компенсации (компенсации оставшейся меньшей части рассогласования ПНУ и фотоприемника 4) между корпусом 5 и фотоприемником 4 установлен второй компенсационный элемент, состоящий из двух компонентов 10 и 11.
При достижении температуры –50°C в соответствии с оптическим расчетом ПНУ объектива смещается от исходного положения на максимально большую величину, увеличивая задний фокальный отрезок объектива на
Если в качестве материала корпуса 5, оправ и колец 6, 7, 8, 11, 12 взять титан (типа ВТ-1), полное смещение ПНУ, которое необходимо компенсировать компонентами 9 и 10, составит величину 1,364 мм.
Этого можно добиться, выбрав в качестве материала для первого компенсационного элемента 9 и компонента 10 материал фторопласт Ф-4 при длине компонента 9, равной
120,4 мм, и длине компонента 10 элемента, равной 47 мм.
Суммарная величина компенсационного смещения ПНУ составит нужные нам 1,364 мм, обеспечивающие совпадение ПНУ объектива с плоскостью фотоприемника 4 при понижении температуры до –50°C.
При внешней температуре +20°C, соответствующей нормальным климатическим условиям, величина коэффициента передачи контраста (КПК) объектива имеет следующие значения:
•.. для точки на оси
(дифракционное качество) . КПК = 45,3%;
•.. для точки на оси
(аберрационное качество) . КПК = 42,1%;
•.. для точки поля 6 мм от центра
изображения . КПК М = 39,6%, КПК С = 39,4%.
Для внешней температуры –50°C, соответствующей минимальной заданной температуре для рабочих условий:
•.. для точки на оси
(дифракционное качество) . КПК = 45,4%;
•.. для точки на оси
(аберрационное качество) . КПК = 42,0%;
•.. для точки поля 6 мм от центра
изображения . КПК М = 36,9%, КПК С = 37,4%.
Как видно из расчетов, инфракрасный объектив, при изменениях внешней температуры, обеспечивает совпадение плоскости ПНУ с плоскостью фотоприемника, сохраняя близкое к дифракционному приемлемое качество изображения для оптико-электронных приборов, использующих микроболометрические матрицы в качестве фотоприемников с размером пиксела до 17 мкм.
Однако материал, из которого изготавливаются компенсационные элементы 9 и 10, имеет разброс коэффициентов линейного расширения в области температур от –10 до +20°C, который регламентируется ГОСТ 10007–80 и составляет (80–250) · 10–6. Приведенные выше расчеты базируются на средней величине коэффициента, принятого равным 165 · 10–6 и длине компонента 10, равной 47 мм. При поставках материала для первого компенсационного элемента 9 и компонента 10 второго компенсационного элемента на разных партиях поставок возможны отклонения значения коэффициента линейного расширения от средней величины, а компенсацию этих отклонений можно обеспечить изменением длины компонента 10 и соответствующим изменением длины компонента 11 с сохранением их суммарной длины:
где
L2к–1 – длина компонента 10;
L2к–2 – длина компонента 11.
Увеличение (или уменьшение) длины L2к–1 компонента 10 и, соответственно, уменьшение (или увеличение) длины L2к–2 компонента 11, сохраняя неизменной их суммарную длину, позволяет устранять влияние разброса коэффициентов линейного расширения у материалов компенсационных элементов 9 и 10, которые имеются на разных партиях поставок этих материалов, простым методом подбора длин элементов 10 и 11.
Определение длины компонента 10 и соответствующей длины компонента 11 производится один раз для каждой партии материала методом коллимационного измерения величины «недокомпенсации» или «перекомпенсации» фокусировки в условиях камеры холода при –50°C.
Таким образом, рассмотренный здесь комплекс конструктивных приемов позволяет обеспечить атермальность оптических частей приборов наблюдения и прицеливания, повышает их эксплуатационные свойства и обеспечивает живучесть объекта в реальных условиях эксплуатации.
1. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практические достижения в оптико-электронной технике. – ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2010.
2. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практика конструктора оптико-электронной техники. – ОАО «Ростовский оптико-механический завод», ОАО «Ярославский полиграфкомбинат», 2015.
3. Ллойд Дж. Системы тепловидения/Пер. с англ. – М.: Мир, 1978.
Источник