Сверхсветосильный тепловизионный триплет с градиентной линзой: этапы моделирования композитного градиентного материала и потенциальные возможности оптической схемы

Ссылка для цитирования:

Грейсух Г.И., Левин И.А., Ежов Е.Г. Сверхсветосильный тепловизионный триплет с градиентной линзой: этапы моделирования композитного градиентного материала и потенциальные возможности оптической схемы // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 5–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-5-13

Greisukh G.I., Levin I.A., Ezhov E.G. Ultra-high-aperture infrared triplet with grin lens: Modeling stages of composite gradient-index material and potential possibilities of the optical scheme [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 3. P. 5–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-5-13

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Модель ламинируемого композитного градиентного материала и сверхсветосильный тепловизионный объектив с радиально-градиентной линзой из такого материала. Цель работы. Представить этапы моделирования композитного материала для радиально-градиентной линзы и продемонстрировать потенциальные возможности тепловизионного триплета с такой линзой, рассчитанного на работу с неохлаждаемым приемником инфракрасного излучения. Метод исследования. Теоретический анализ, компьютерное моделирование и оптимизация с использованием программы оптического проектирования ZEMAX. Основные результаты. Продемонстрированы этапы моделирования на основе ряда новых бескислородных стекол композитного материала для градиентной линзы с радиальным распределением показателя преломления, значения оптических постоянных которой являются результатом расчета и оптимизации конструктивных параметров проектируемого объектива. Представлены результаты расчета трехлинзового инфракрасного объектива с задним фокусным расстоянием 40 мм, угловым полем 19,5° и диафрагменным числом 0,84, который в рабочем спектральном диапазоне 3–5 мкм формирует изображение с контрастом 0,6 на пространственной частоте 30 мм^–1. Модуль дисторсии не превышает 1,5%. Одна из трех линз этого объектива выполнена из композитного оптического материала с радиальным распределением градиента показателя преломления. Полученные значения оптических характеристик позволяют эффективно использовать данный объектив с микроболометрами, имеющими диагональ матрицы не более 14 мм при шаге не менее 6 мкм. Практическая значимость. Результаты настоящего исследования открывают возможность создания на основе уже разработанной специальной серии бескислородных стекол радиально-градиентных линз с такими распределениями показателя преломления, которые позволяют использовать их для достижения высоких оптических характеристик у простых по конструкции инфракрасных объективов.

Ключевые слова:

сверхсветосильный инфракрасный объектив, бескислородные инфракрасные стекла, композитный градиентный материал, радиально-градиентная линза

Благодарность:

исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-19-00081)

Коды OCIS: 110.2760, 110.3080, 220.3620

Список источников:

1. Bayya S., Gibson D., Nuygen V., et al. Design and fabrication of multispectral optics using expanded glass map // Proc. SPIE. 2015. V. 9451. P. 94511N (7 p). https://doi.org/10.1117/12.2177289

2. Beadie G., Stover E., Gibson D. Temperature-dependent dispersion fitting for a recent infrared glass catalog // Proc. SPIE. 2019. V. 10998. P. 1099804 (6 p). https://doi.org/10.1117/12.2518494

3. Gibson D., Bayya S., Nguyen V., et al. IR GRIN optics for imaging // Proc. SPIE. 2016. V. 9822. P. 98220R (9 p). https://doi.org/10.1117/12.2224094

4. Gibson D., Bayya S., Nguyen V., Sanghera J., Kotov M., Drake G. GRIN optics for multispectral infrared imaging // Proc. SPIE. 2015. V. 9451. P. 94511P (7 p). https://doi.org/10.1117/12.2177136

5. Moore D.T. Design of singlets with continuously varying indices of refraction // JOSA. 1971. V. 61. № 7. P. 886–894. https://doi.org/10.1364/JOSA.61.000886

6. Moore D.T., Salvage R.T. Radial gradient-index lenses with zero Petzval aberration // Applied Optics. 1980. V. 19. № 7. P. 1081–1086. https://doi.org/10.1364/AO.19.001081

7. Грейсух Г.И., Степанов С.А. Возможности коррекции монохроматических аберраций градиентных линз с радиальным распределением показателя преломления // Опт. и спектр. 1995. Т. 79. № 1. С. 173–176.

8. Greisukh G.I., Bobrov S.T., Stepanov S.A. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems. Bellingham: SPIE Press, 1997. 414 p. ISBN: 978-0819424518

9. Кулакова Н.А., Насыров А.Р., Несмелова И.М. Современные тенденции создания оптических систем для инфракрасной области спектра // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 5. С. 36–44.

10. McCarthy P.W. Gradient-index materials, design, and metrology for broadband imaging systems // PhD (Optics) thesis. Rochester: University of Rochester, 2015. 219 p.

11. Yee A.J. Mid-wave and long-wave infrared gradient-index optics: metrology, design, and athermalization // PhD (Optics) thesis. Rochester: University of Rochester, 2018. 164 p.

12. Schaub M., Schwiegerling J., Fest E.C., Symmons A., Shepard R.H. Molded optics design and manufacture. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011. 260 p. ISBN: 978-1-4398-3256-1

13. ZEMAX [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.zemax.com/pages/opticstudio/

14. SemiConductor Devices. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.scd.co.il/wp-content/uploads/2019/07/Bird640-17-ceramic_brochure_v3_PRINT.pdf (дата обращения 28.06.2022).

15. АСТРОН-64017-2. Микроболометрический матричный детектор. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://astrohn.ru/product/astrohn-64017-2/ (дата обращения 15.04.2023).

16. Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Казин С.В., Степанов С.А. Отклик матричного фотоприемника на составляющие оптического сигнала с различными пространственными частотами // Квант. электрон. 2017. Т. 47. № 1. С. 71–74. https://doi.org/10.1070/QEL16256