анализ влияния конструкции оправ на величину теплового

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ОПРАВ НА ВЕЛИЧИНУ
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Правдивцев А.В.
Научно-исследовательская группа «Конструктивная Кибернетика»
E-mail: avp@rdcn.ru
Рассмотрена применимость метода прямого расчета хода лучей для минимизации
величины теплового излучения оптических систем, посредством варьирования
конструкции оправ. Изучено влияние формы оправ на величину паразитного потока в
объективе, предназначенном для работы в диапазоне 8-14 мкм.
Введение
Зачастую в современных ОЭС ИК-диапазона применяют приёмники фотонного
типа, работающие в режиме BLIP (Background Limited Infrared Photodectors –
ограничение чувствительности приёмника флуктуациями фона). В этом случае
пороговый поток эквивалентный шуму приёмника лимитируется флуктуациями
фонового излучения, в состав которого также входит паразитное излучение
оптического тракта, которое негативно влияет на отношение «сигнал/фон». В случае
тепловизионных приборов, отношение «сигнал/фон» функционально связано с
минимально разрешаемой температурой. Таким образом, для создания системы,
высокоэффективной по критерию «обнаружительная способность», необходимо,
помимо всего прочего, минимизировать паразитный поток в оптическом тракте.
Охлаждение оптического тракта является основным и очень эффективным
способом уменьшения внутренних паразитных излучений, приходящих на приёмник.
Но, к сожалению, в ряде случаев он не может быть применён из-за технологических
или стоимостных ограничений. Другой способ – это варьирование оптических свойств
поверхности оправ и конструктивных элементов оптической системы, был рассмотрен
автором ранее [1]. В этом случае для улучшения качества работы не требуются
дополнительные постоянные энергозатраты, изменения вносятся только конструкцию
оправ, что выполняется однократно на этапе изготовления.
В работе проведено предварительное изучение влияния конструкции оправ и
элементов оптической системы на общий уровень её внутреннего паразитного
излучения.
Постановка задачи
Рассмотрим 3-х линзовый светосильный объектив, рассмотренный в
предыдущей работе автора [1], и предназначенный для работы в диапазоне LWIR (8.512 мкм). Объектив имеет следующие параметры: относительное отверстие – 1:0,95;
f   80 мм; 2   8.4 º. Схема объектива приведена на рисунке 1. Обозначения имеют
следующий смысл: 1, 2, 3 – линзы объектива; 4 – светофильтр; 5 – матричный
приёмник излучения типа Bird 384, производства компании SemiConductor Devices; A –
первая оправа, B – вторая оправа, C – третья оправа. Более полная информация о
рассматриваемом объективе и модели приведена в [1].
Требуется изучить влияние конструкции оправ на общий уровень его
внутреннего паразитного излучения. Также следует найти конфигурацию параметров
оправ, соответствующую минимальному уровню паразитного излучения.
230
1
B
A
4
2
5
C
3
Рис. 1. Схема моделируемого светосильного ИК-объектива
Численный эксперимент
Для решения поставленной задачи использовался метод MINOS [2] – метод
оценивания внутренних паразитных излучений инфракрасных оптических трактов,
основанный на прямом расчёте хода лучей в оптическом САПР Zemax [3].
При создании модели паразитных излучений изучаемого объектива, его
реальные оправы и конструктивные элементы разбивались на три группы A, B, C
(см. рисунок 1), и представлялись в упрощённом виде. Для предварительного анализа
каждая оправа представлялась в виде двух частей (Рис. 2).
L
hc
S
lc
Образующая
оправы
C
O
Линия оправы
hop
Граница пучка
Границы оправы
Оптическая ось
системы
Рис. 2. Схема расположения точки излома оправы
На точки O и L натягивалась образующая оправы S – кусочно-ломанная 2-х
сегментная кривая. Координаты экстремума этой кривой – точки C задавались
относительно точки O : hc и lc . Причём: hc  (hop , h* ] , lc [0, OL] . В общем случае hc
может быть как отрицательным, так и положительным. В данной работе
использовалась система, рассчитанная в предыдущей работе [1], в ней оправы
231
располагались максимально близко к световому пучку. По этой причине в настоящем
исследовании были рассмотрены только положительные значения hc . При расчете
паразитного потока рассматривалось нулевая «номинальная» конструкция оправ
(приведена на Рис. 1), а так же ряд точек с различным соотношением hc и lc . Для всех
оправ рассчитывали конструкции, в которых смещения точек составили lc  OL 3 и
lc  2OL / 3 ; величины hc для оправы А были выбраны 3, 6 и 9 мм, для B - 2, 4 и 6 мм,
для C – 2 и 4 мм. Были рассмотрены смешанные комбинации (2 оправы из 3-х) для всех
указанных точек; случай варьирования три оправы из 3-х рассматривался только для
положений 4-х точки перегиба для каждой оправы. Так же рассматривалась
конфигурация, форма оправ для которой являются типичным для подобного объектива
(конструирование велось с учетом прочности и жесткости конструкции, а так же
способа установки объектива в составе оптико-электронного комплекса). Размер
расчётного массива, таким образом, включал в себя 160 расчётных конфигураций.
Для каждой расчётной конфигурации оценивались величины двух потоков
излучения, приходящего на приёмник:  M – от оправ и конструктивных элементов
объектива;  L – от линз объектива. При расчете предполагалось, что все внутренние
части оправ имею коэффициентом отражения равным 0.01. При расчёте учитывались
просветляющие покрытия оптических элементов и коэффициенты поглощения
материалов линз. Для получения несмёщённых и эффективных оценок вычисляемых
величин [4] использовался метод Монте-Карло, для каждой конфигурации
осуществлялось 30 розыгрышей.
Температура линз и оправ объектива принималась равной T  293.15 K,
коэффициент отражения внутренних полостей приёмника – 0.99.
По
результатам
численного
эксперимента
вычислялась
величина
 OS   M   L , и для неё рассчитывалась оценка математического ожидания. После
чего массив расчётных конфигураций упорядочивался по возрастанию M OS  . Здесь и
далее M – оператор математического ожидания. Конфигурация с меньшим
порядковым номером имеет меньшую величину паразитного потока. Изучалось
поведение паразитного потока в функции координат (hc , lc ) .
Анализ результатов
 
На рисунке 3 приведены график изменения M  'OS (толстая линия) для каждой
из расчётных конфигураций nc , а так же интервал значений по уровню 3 (тонкие
линии). Величина  'OS – нормированный на единицу паразитный поток от объектива.
Анализ рисунка 3 показывает, что величина внутреннего паразитного потока,
приходящего на приёмник, действительно зависит и от формы оправ. Паразитный
поток для случая объектива с типичными оправами в 1.42 раза больше значения для
наилучшего среди рассмотренных вариантов.
Оправы по увеличению вклада в общий поток располагаются следующим
образом: C, B, A. Но если расположить оправы по величине изменения потока среди
рассмотренных вариантов, порядок будет другим: A, B и C, причём изменение формы
оправы A влияют в рассмотренной схеме гораздо сильнее прочих.
При рассмотрении рис. 3 можно выделить три области с существенно
отличающимся уровнем паразитного потока. Первая область соответствует
минимальному потоку; конструкция близка к варианту с минимальным отклонением
радиусов оправ от световых высот, набор значений получен варьированием формы
232
второй оправы. Резкий рост потока во второй области возникает из-за введения точки
перегиба оправы A lc  2OL / 3 , hc = 3 мм. Начало третьей области – соответствует
точке перегиба первой A lc  2OL / 3 , hc = 6 мм. Из-за ограниченного объема работы,
описание оптимальных точек перегиба для каждой оправы среди рассмотренных
конфигураций приводить не будем.
Конструкция с типичными оправами лежит по уровню потока в области 3 (на
графике значение выделено белой точкой), что показывает её неоптимальность по
сравнению с другими вариантами.
Рис. 3. Оценка мат. ожидания нормированного паразитного потока от объектива  'OS
Ширина доверительного интервала для математического ожидания на рис. 3 (с
доверительной вероятностью   0.95 ) равна толщине линий.
Чтобы оценить реальный выигрыш от минимизации паразитного потока
объектива, сравним его абсолютную величину с опорным потоком  B 0 – от чистого
безоблачного неба аналогично работе [1]. Отношение паразитного потока к опорному,
для оптимальной конфигурации параметров оправ равно  OS /  B 0  5.34 , а для
типичной конструкции – 7.60. Из этих данных явственно следует, что потенциальная
чувствительность ИК-системы (для случая «идеального приёмника»), существенно
возрастает при оптимизации параметров оправ оптического тракта, и минимизации его
внутреннего паразитного излучения.
Заключение
По результатам проведённой работы возможно сформулировать ряд
предварительных выводов, по крайней мере действительных для диапазона 8-14 мкм:
1. Статистически значимо показано влияние конструкций оправ элементов
оптического тракта на общий уровень его внутреннего паразитного излучения.
Потенциальная чувствительность ИК-системы (для случая «идеального приёмника»),
существенно возрастает при оптимизации параметров оправ оптического тракта и
минимизации его внутреннего паразитного излучения.
2. Продемонстрирована применимость метода MINOS [2, 3] для решения обратных
оптимизационных задач связанных с минимизацией уровня внутреннего паразитного
излучения оптических трактов ИК-диапазона.
233
3. Показано, что использование оптимальной конструкции оправ может уменьшить
паразитный поток в 1.42 раза относительно типичной конструкции объектива при
отсутствии оптимизации.
4. Определены вклады каждой из частей в общий поток, что позволяет выбрать
технологию охлаждения, для дополнительного уменьшения паразитного потока.
5. Минимальный поток в данной схеме соответствует случаю, когда оправы
расположены наиболее близко к световому пучку. Однако данный результат вступает в
противоречие с рекомендацией по уменьшению внешнего паразитного излучения в [5],
в которой предлагается увеличивать внутренние диаметры по сравнению со световыми.
Поэтому требуется провести дополнительное изучение данного вопроса.
6. Рекомендуется использовать данный подход при конструировании оптических
систем для диапазона 8-14 мкм.
В дальнейшем планируется расширить исследования по данному направлению
на объединение результатов, полученных в [1] (совместное варьирование формы и
оптических свойств оправ), рассмотрение реальных покрытий согласно данным,
например, из [6], а так же провести оптимизацию формы оправ. Интересными для
рассмотрения являются варианты с прогибом, для случая h c  0 , а так же с
увеличенным числом точек излома на оправе.
Автор благодарит Андрея Макаренко за полезные обсуждения в процессе
подготовки и написания работы.
Литература
1. Макаренко А.В., Правдивцев А.В. Анализ влияния свойств поверхности оправ на
величину теплового излучения оптических систем. // Международная конференция
«Прикладная Оптика-2010» / Сборник докладов, т.3. с 208-212. – Санкт-Петербург:
ИТМО, 2010.
2. Технология MINOS. // Официальный web-сайт научно-исследовательской группы
«Конструктивная Кибернетика». / URL: http://www.rdcn.ru/theory/results/minos.shtml.
3. Макаренко А.В., Правдивцев А.В., Юдин А.Н. Метод оценивания внутреннего
паразитного
излучения
оптических
трактов
инфракрасных
систем.
// Электромагнитные волны и электронные системы. 12. 2009.
4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Высш. Школа., 2006. – 575 с.
5. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники и приёмники
излучения. Спб.: Политехника, 1991. 240 c.
6. John Lester Miller, "Multispectral infrared bidirectional reflectance distribution function
forward-scatter measurements of common infrared black surface preparations and
materials", Opt. Eng. 45, 056401 (May 31, 2006).
234