Анализ материалов и конструкций объективов для инфракрасного диапазона

Разработка высококачественных оптических систем для инфракрасного (ИК) диапазона спектра (0,75–14 мкм) является одной из приоритетных задач современного приборостроения, обусловленной растущими требованиями в военной технике, медицинской диагностике, системах безопасности и дистанционного зондирования Земли. В отличие от видимого диапазона, где широко применяются стандартные оптические стёкла, проектирование ИК-объективов требует использования специализированных материалов, обладающих высокой прозрачностью именно в длинноволновой области спектра.

Рис. 1. Схема различных типов объективов для ик-спектра

Наиболее распространенными среди них являются германий (Ge), кремний (Si), фторид кальция (CaF₂) и халькогенидные стёкла. Германий, благодаря своему высокому показателю преломления (~4,0) и отличной прозрачности в диапазоне 2–14 мкм, активно используется в тепловизионных системах, работающих в длинноволновом ИК-диапазоне (8–12 мкм), который является основным для наблюдения за тепловыми объектами при комнатной температуре.

Однако его значительная термооптическая нестабильность, сильная зависимость показателя преломления от температуры, делает необходимым применение мер пассивной или активной термостабилизации. Кремний, в свою очередь, находит применение в средневолновом диапазоне (3–5 мкм), где он демонстрирует хорошую прозрачность и механическую прочность при относительно низкой стоимости, что делает его привлекательным для массовых систем. Фторид кальция ценится за низкую дисперсию и широкий диапазон прозрачности (от ультрафиолета до 9 мкм), что позволяет эффективно использовать его в двухдиапазонных объективах, совмещающих работу в 3–5 мкм и 8–12 мкм. Халькогенидные стёкла открывают новые возможности для серийного производства сложных оптических элементов, включая асферические поверхности, методом горячего прессования, что значительно снижает себестоимость и повышает технологичность сборки. Современные ИК-объективы подразделяются на рефракционные, термостабилизированные и двухдиапазонные. Рефракционные системы строятся на основе комбинации линз из различных материалов и обеспечивают высокое качество изображения при условии точной коррекции аберраций.

Рис. 2. Термостабилизированные объективы

Термостабилизированные объективы проектируются с учётом компенсации термических деформаций, что особенно важно для приборов, эксплуатируемых в экстремальных климатических условиях, например, в прицелах типа ТКН-4ГА, предназначенных для работы при температурах от –50°C до +50 C. Такая стабилизация достигается либо за счёт подбора материалов с противоположными знаками термооптического коэффициента, либо за счёт механических компенсаторов, изменяющих положение элементов при нагреве. Двухдиапазонные объективы представляют собой универсальные решения, способные функционировать одновременно в двух ключевых ИК-диапазонах, что расширяет их функциональность и позволяет использовать один прибор как днём, так и ночью.

Коррекция аберраций, сферической, хроматической и комы, является центральной задачей при проектировании ИК-оптики. Одним из наиболее эффективных методов является использование асферических поверхностей, которые позволяют устранить сферическую аберрацию без увеличения числа оптических элементов, тем самым упрощая конструкцию и снижая вес и стоимость системы. Кроме того, комбинирование материалов с различными дисперсионными свойствами (например, Ge и CaF₂) позволяет минимизировать хроматизм.

Рис. 3. Сравнительная таблица оптических характеристик объективов

Пассивная атермализация, при которой изменения фокусного расстояния вследствие нагрева компенсируются взаимно, также играет ключевую роль в обеспечении стабильности характеристик. Таким образом, эффективное проектирование ИК-объективов требует комплексного подхода, сочетающего глубокое понимание физических свойств материалов, методов аберрационной коррекции и требований конкретного приложения. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых поколений отечественных тепловизионных систем, а также способствовать снижению зависимости от импортных компонентов и развитию собственных технологий в области инфракрасной оптики.