Исследование и разработка атермализованных оптических систем тепловизионных приборов с матричным приемником излучения

• Автор: Шилин, Аркадий Александрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Задача атермализации тепловизионного прибора
1.1 Тепловизионный прибор
1.2 Влияние температуры на тепловизионный прибор
1.3 Способы атермализации оптической системы тепловизионного прибора
1.4 Задача пассивной атермализации и известные методы ее решения
1.5 Обзор дополнительных источников публикаций
1.6 Выводы по Главе
Глава 2. Синтез оптической системы тепловизионного прибора
2.1 Принцип таутохронности как критерий оценки оптической системы
2.2 Свойства оптических материалов для ИК-диапазона длин волн
2.3 Матричные приемники излучения ИК-диапазона длин волн
2.4 Исходные данные для расчета оптической системы
2.5 Выводы по Главе
Глава 3. Пассивная атермализация оптической системы тепловизионного прибора
3.1 Влияние составляющих термооптической постоянной на ход лучей в линзе
3.2 Методика расчета пассивно атермал изованно го тепловизионного прибора
3.3 Оценка параметров тегаговизионных приборов
3.4 Выводы по Главе
Глава 4. Экспериментальные данные исследований
4.1 Примеры построения пассивно атермализованных оптических систем тепловизионного прибора
4.2 Выводы по Главе
Заключение
Список использованной литературы
Приложения
Графическое представление метода выбора материалов для диапазона
3-5 мкм
Графическое представление метода выбора материалов для диапазона 8-14 мкм
Акт о внедрении результатов диссертационной работы в производство

Введение.
Актуальность темы. Тепловидение - это направление в технических измерениях, изучающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возможность наблюдения объектов с различной радиационной температурой поверхности. Приборы, которые позволяют фиксировать распределение радиационной температуры объектов, называют тепловизионными приборами (тепловизорами). Современные тепловизоры способны решать множество задач военного и гражданского назначения: видеонаблюдение и рекогносцировка подразделений противника, целеуказание для высокоточного оружия, мониторинг и охрана особо важных объектов, выявление скрытых бункеров и скрытых очагов пожаров, проверка состояния электрооборудования, контроль технологических линий, поиск и оценка теплопотерь в конструкциях сооружений, обнаружение утечек из газопроводов и пр.
Постоянно расширяющийся круг задач, для решения которых привлекаются тепловизионные средства визуализации, а также успехи полупроводниковой технологии создания приемников излучения стимулировали в последнее десятилетие появление большого количества несканирующих тепловизионных приборов, т.е. тепловизоров с матричным приемником излучения, расположенным в фокальной плоскости оптической системы прибора. Многообразие существующих тепловизионных систем способствовало выпуску большого количества публикаций, посвященных вопросам создания схем построения, конструкций и изучения параметров тепловизионных систем, среди которых, как наиболее фундаментальные и значимые можно выделить работы [16,49, 50, 73].
Исследовательскими работами и вопросами в области модернизации тепловизионных приборов в настоящее время занимается ряд ведущих университетов России, таких как: Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии (ФГБОУ ВПО МИИГАиК); Санкт-Петербургский Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики (НИУ ИТМО);

Новосибирский Национальный Исследовательский Государственный Университет (НИУ НГУ), Казанский (Приволжский) федеральный университет (ФГАОУ ВПО КФУ). Среди отраслевых институтов России, которые помимо разработки теории имеют обширный опыт создания тегоювизионных систем, стоит отметить научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики» (ОАО «НПО ГИПО») и центральный научно-исследовательский институт «ЦИКЛОН» (ОАО «ЦНИИ Циклон»), внесших значительный вклад в развитие отрасли тепловидения.
Для решения широкого спектра задач к современным несканирующим тепловизионным приборам предъявляются высокие требования по разрешающей способности, чувствительности и надежности функционирования в различных условиях окружающей среды. Среда распространения излучения может существенно влиять на оптический сигнал, ослабляя поток излучения и снижая контраст изображения. Чаще всего такой средой является земная атмосфера, которая содержит не только поглощающие и рассеивающие излучение атмосферные газы (азот, кислород, водяные пары, углекислый газ, озон, угарный газ, окислы азота и т.д.), но и аэрозольные частицы природного или промышленного происхождения. Состав атмосферы и ее оптические характеристики непостоянны и зависят от различных факторов, например таких, как давление, влажность, температура, которые оказывают влияние не только на оптический сигнал, проходящий через атмосферу, но и на сам тепловизионный прибор. При этом воздействие изменения температуры на оптическую систему тепловизионного прибора может привести к значительному искажению хода лучей в системе.
При повышении температуры изменяются как показатель преломления оптических сред, так и линейные размеры оптических элементов. В результате перечисленных изменений меняется фокусное расстояние и ход лучей в оптическом приборе, что приводит к увеличению аберрационного кружка рассеяния и смещению плоскости наилучшего изображения оптической системы относительно чувствительной поверхности приемника излучения. Это приводит к

максимума в т. 5", который и является изображением источника S, обусловлено взаимным усилением отдельных частей волны, пришедших в фокальную точку 5’ без разности фаз. Тогда как пути, ведущие от S ко всякой другой точке пространства, таковой разностью будут обладать и во всех иных точках кроме 5’ взаимная интерференция приведет к ослаблению излучения.
На Рисунке 2.1.1 показано, что изображение источника S при помощи линзы строится в фокальной точке S’. При этом геометрический путь SABS’ короче пути SMNS’, а часть, приходящаяся на путь внутри линзы, соответственно больше (АВ > MN). Поскольку скорость распространения излучения в материале линзы меньше, чем в воздухе, то запаздывание на участке АВ компенсирует опережение на участках SA и BS’ по сравнению с соответствующими участками пути SM и NS’. Тогда условие таутохронизма для ОС, состоящей из одной линзы, можно записать как:
SA +nAB + BS’ = SM + nMN + NS’, (2.1.2)
где п = п2 / щ - относительный показатель преломления материала линзы.