Основы инфракрасной оптики: фокусное расстояние, число F и угол обзора

Инфракрасная оптика подчиняется тем же геометрическим законам, что и видимая оптика, однако материалы для её изготовления существенно отличаются. Германий, кремний, халькогенидное стекло и селенид цинка — основные материалы инфракрасной оптики, которые вы вряд ли найдете в обычном фотомагазине. Понимание оптических характеристик вашего тепловизионного модуля необходимо для принятия обоснованных решений на уровне всей системы.

Фокусное расстояние и мгновенный угол обзора (IFOV)

Мгновенный угол обзора (IFOV) — это телесный угол, соответствующий одному пикселю детектора. Это базовая единица углового разрешения вашей системы:

IFOV (радианы) = шаг пикселя (мкм) / фокусное расстояние (мм) × 10⁻³

Для модуля 640×512 с шагом пикселя 12 мкм и объективом 25 мм:

IFOV = 12 × 10⁻⁶ / 0.025 = 0.48 мрад

Это означает, что каждый пиксель охватывает угол в 0.48 мрад. На расстоянии 1000 м один пиксель покрывает 0.48 м. Для надежного обнаружения цели необходимо минимум 2 пикселя, значит дальность обнаружения для цели размером 1 м:

R_обнаружения = размер_цели / (IFOV × мин_пикселей) = 1.0 / (0.00048 × 2) = 1041 м

Общий угол обзора

Горизонтальный и вертикальный углы обзора зависят от фокусного расстояния и формата матрицы:

HFOV = 2 × arctan(ширина_детектора / (2 × фокусное_расстояние))

Для детектора 640×512 с шагом 12 мкм (7.68 мм × 6.14 мм) и объективом 25 мм:

HFOV = 2 × arctan(7.68 / 50) = 17.6°
VFOV = 2 × arctan(6.14 / 50) = 14.1°

Такой угол обзора 17.6° × 14.1° соответствует площади на земле 307 м × 246 м на высоте 1000 м. Для широкозонного наблюдения часто используют объективы 35 мм или даже 50 мм с матрицей 1280×1024, чтобы сохранить разрешение при увеличении охвата.

Компромисс числа F

Число F (или диафрагменное число) — это отношение фокусного расстояния к диаметру входной апертуры:

F/# = фокусное расстояние / диаметр апертуры

Объектив с меньшим числом F (более светосильный) собирает больше света — это критично для инфракрасной съемки, где поток фотонов ограничивает чувствительность. Однако:

Для неохлаждаемых LWIR систем с уже ограниченным NETD часто применяют объективы F/1.0, несмотря на их стоимость. Для охлаждаемых MWIR с высокой чувствительностью детектора обычно достаточно F/2.0 или F/4.0, что позволяет использовать более компактные телескопы с длинным фокусным расстоянием.

Аттермализация: особенность инфракрасной оптики

Тепловое расширение вызывает изменение показателя преломления всех оптических материалов с температурой — dn/dT. В видимой оптике этот эффект обычно незначителен, но в инфракрасной оптике он критичен.

Неаттермализированный германиевый объектив LWIR смещает фокус на десятки микрометров при изменении температуры на 60°C. В системах с фиксированным фокусом это проявляется размытием изображения на крайних температурах.

Три подхода к аттермализации:

1. Активное управление фокусом: моторизированная фокусировка, компенсирующая температуру — эффективно, но усложняет систему и увеличивает энергопотребление
2. Пассивная аттермализация: конструкция корпуса из материалов с компенсирующими коэффициентами теплового расширения (например, алюминиевый корпус + германиевый объектив) — корпус расширяется вместе с изменением фокусного расстояния, поддерживая резкость автоматически
3. Дифракционные элементы: добавление дифракционного оптического элемента (DOE) с отрицательным dn/dT для компенсации положительного dn/dT преломляющих элементов

IRmodules стандартно интегрирует пассивно аттермализированные объективы во все модули серии SPECTRA. Сборка объектива и корпуса оптимизирована под заданный температурный диапазон эксплуатации (обычно от -40°C до +70°C) без необходимости активной фокусировки.

Быстрый выбор фокусного расстояния

Фокусное расстояние определяет все последующие параметры: угол обзора, дальность обнаружения, размер объектива и стоимость. Правильный выбор на раннем этапе упрощает интеграцию оптики. Ошибка в этом решении приведет к необходимости переделывать корпус уже в процессе производства.