Системы тепловидения - Оптические материалы для тепловизионных систем

1. Оптические материалы для тепловизионных систем

Для линз и окон в тепловидении обычно используются три класса оптических материалов: полупроводниковые материалы кремний и германий (как в монокристаллической, так и в поликристаллической форме); поликристаллические соединения II — IV групп, полученные горячим прессованием, типа керамических оптических материалов «Иртран» (фирма «Истмен кодак»); полученные химическим путем слои ZnSe и ZnS, а также халькогенидные стекла типа TI 1173 (фирма «Тексес инструменте»). Кремний и германий используются особенно широко, поскольку высокий показатель преломления, большая механическая прочность и твердость облегчают проектирование оптических деталей из этих материалов.
В идеальном случае желательно, чтобы материал линз, используемых в тепловизионных системах, обладал высоким показателем преломления, не зависящим от температуры и не меняющимся с длиной волны, т. е. имел бы нулевую дисперсию. Материал должен иметь нулевой коэффициент теплового расширения, высокую поверхностную твердость, высокую механическую прочность, совместимость с просветляющими покрытиями, не растворяться в воде и слабо поглощать инфракрасное излучение. Высокий показатель преломления требуется для уменьшения кривизны линз и их толщин, а также числа линз в системе с данным относительным отверстием. Низкий температурный коэффициент показателя преломления необходим для предотвращения дополнительных аберраций и изменений фокусного расстояния линз с изменением температуры. Малая дисперсия необходима для минимизации хроматической аберрации и числа линз для ее компенсации. Сохранение размеров линз при изменении температуры нужно для исключения несбалансированных аберраций и изменений фокусных расстояний, а также для упрощения монтажа линз в оправах.

Фиг. 6.32. Показатели преломления оптических материалов, используемых обычно для изготовления линз в тепловидении.
1 —'германий; 2 — кремний; 3 —«Иртран» 6; 4 — TI 1173; 5 —«Иртран» 4 и селенид цинка; 6 —«Иртран» 2 и сульфид цинка; 7 —«Иртран»; s — «Иртран»23; .9 — <<Иртрано 1.

Высокая твердость предохраняет поверхность от царапин и истирания, а высокая механическая прочность позволяет применять тонкие линзы (с большим отношением диаметра к толщине). Совместимость с просветляющими покрытиями совершенно необходима, поскольку потери на отражение от поверхности увеличиваются с ростом п. Нерастворимость в воде нужна для того, чтобы линзы не разрушались под дождем и при высокой влажности. Низкий показатель поглощения снижает потери на поглощение и обеспечивает эффективное проектирование систем.
Ни один из известных материалов не обладает всеми этими качествами, однако кремний, германий, селенид цинка ZnSe, сульфид цинка ZnS и стекла TI 1173 наиболее близки к совершенству. Эти материалы имеют высокие показатели преломления, высокую твердость и прочность, совместимы с просветляющими покрытиями, нерастворимы и характеризуются малым поглощением. Чаще всего для изготовления линз систем тепловидения применяются кремний и германий. Важнейшие свойства наиболее употребительных оптических материалов приведены в табл. 6.1.
Герцбергер и Зальцберг [4] установили, что дисперсия инфракрасных оптических материалов достаточно точно описывается уравнением
где

Свойства наиболее употребительных влагостойких инфракрасных оптических материалов

Коэффициенты дисперсии оптических материалов, применяемых & тепловизионных системах

Значения коэффициентов, полученных в работе [4], приведены в табл. 6.2. Уравнение такого вида полезно для получения интерполяцией промежуточных значений показателя преломления, заключенных между измеренными значениями п. Дисперсия некоторых материалов показана на фиг. 6.32. Более подробное изложение вопросов, рассмотренных в этом разделе, можно найти в литературе [8—12].

6.11. Качество изображения за пределами центра поля зрения
При расчете и проектировании систем часто необходимо решить, до какой степени допустимо ухудшение качества изображения на некотором расстоянии от оси по сравнению с качеством изображения в центре поля зрения.
В разд. 4.11 было показано, как чувствительность наблюдателя к изменениям разрешающей способности зависит от величины последней. Одна пороговая единица при низкой разрешающей способности составляет обычно 5—10% ее величины; при улучшении разрешающей способности ее изменения заметить труднее. Очевидно, если ухудшение качества по полю зрения составит примерно одну пороговую единицу, такое ухудшение будет практически незаметно и не приведет к ухудшению характеристик системы. В разд. 10.2 будет показано, что, осуществляя поиск объекта по полю зрения, наблюдатели обычно концентрируют внимание на участке размером 9° в центре экрана индикатора, и, следовательно, чем больше угловой размер экрана, тем меньше используются его края. Ясно, что если нужно пожертвовать качеством изображения в какой-то части экрана, то это должна быть мало используемая часть. Таким образом, можно допустить ухудшение разрешения на краях большого экрана, однако не в таких пределах, чтобы дезориентировать наблюдателя. Некоторое ухудшение разрешения на краях поля зрения оптической системы неизбежно из-за дисторсии и поперечной хроматической аберрации. Обычно ухудшение разрешения в два-три раза незаметно, если только специально не разглядывать край поля. В этом можно убедиться на опыте работы систем FLIR с круговым сканированием, в которых намеренно изменяют разрешение от центра к краю поля зрения [13].