Моделирование и оптимизация инфракрасных объективов в программной среде ZEMAX

Разработка высококачественных инфракрасных (ИК) объективов для современных оптико-электронных систем невозможна без применения передовых методов компьютерного моделирования, которые позволяют не только проектировать сложные оптические схемы, но и точно прогнозировать их характеристики ещё до изготовления опытного образца.

В данной работе проведено моделирование трёх объективов специального назначения, предназначенных для использования в комбинированном двухканальном дневно-ночном зенитном прицеле ТКН-4ГА-01, устанавливаемом на бронетехнику типа БТР-80 и его модификации.

Рис. 1. Параметры и характеристики ОС объектива-аналог

Все три объектива работают в ближнем инфракрасном диапазоне (0,75–1,0 мкм) и отличаются угловым полем: ±46°, ±32° и ±20°, что обуславливает различия в их фокусных расстояниях (50 мм, 80 мм и 110 мм соответственно), диаметрах апертурной диафрагмы (42 мм, 26 мм и 18 мм) и габаритах.

Моделирование выполнялось в программной среде ZEMAX в последовательном режиме (Sequential mode), который является стандартным инструментом для проектирования изображающих оптических систем.

Рис. 2. Оптическая система

На первом этапе в редакторе Lens Data Editor были введены исходные конструктивные параметры каждого объектива: радиусы кривизны всех поверхностей, толщины линз, воздушные промежутки, марки используемых стёкол (в основном отечественные марки ТК21, ЛК3 и ТФ4), а также спектральный диапазон и угловое поле. После построения начальной модели проводился предварительный анализ параксиальных характеристик и аберраций, включая сферическую аберрацию, кривизну плоскости изображения, дисторсию и пятно рассеяния.

Рис. 3. Аберрация

Результаты показали, что все три системы демонстрируют значительные остаточные аберрации, особенно сферическую, что снижает разрешающую способность и не соответствует требованиям технического задания, предъявляемым к прицельным системам военного назначения. Для улучшения оптических характеристик была применена процедура оптимизации с использованием асферических поверхностей второго порядка. Замена сферических поверхностей на асферические позволяет скорректировать сферическую аберрацию без увеличения числа оптических элементов, что особенно важно для ИК-систем, где каждый дополнительный компонент вносит потери из-за отражений и поглощения, а также усложняет юстировку и повышает стоимость. В ZEMAX это реализуется путём задания конической постоянной (conic constant) и коэффициентов асферичности в свойствах поверхности. Оптимизация проводилась с использованием оценочной функции (Merit Function), включающей операнд EFFL для фиксации фокусного расстояния и другие цели, направленные на минимизацию волновой и поперечной аберраций. Процесс был выполнен в автоматическом режиме с последующей ручной корректировкой параметров для достижения наилучшего компромисса между качеством изображения и технологичностью изготовления.

Рис. 4. Сферическая аберрация 1, 2, 3 ОС до и после оптимизации

По результатам оптимизации во всех трёх объективах наблюдалось снижение сферической аберрации: в первой системе – на 3,251 мкм (с 12,476 до 9,225 мкм), во второй – на 1,806 мкм (с 6,084 до 4,278 мкм), в третьей – на 0,676 мкм (с 25,803 до 25,127 мкм). Наибольший эффект достигнут во второй оптической системе, которая продемонстрировала не только минимальные остаточные аберрации, но и наиболее компактную конструкцию, что делает её предпочтительной для применения в условиях ограниченного пространства, характерного для бронетехники. Также было отмечено уменьшение диаметра пятна рассеяния, что напрямую влияет на разрешающую способность прибора и точность наведения. Важно отметить, что выбор именно ближнего ИК-диапазона (0,75–1,0 мкм) обусловлен спецификой работы прицела ТКН-4ГА в пассивном ночном режиме при освещённости от 1·10⁻³ лк и ниже, когда используется собственное тепловое излучение объектов или подсветка ИК-прожектором. Условия эксплуатации прибора крайне жёсткие: температура от –50°C до +50°C, влажность до 98%, вибрации и ударные нагрузки, что требует не только высокого качества оптики, но и её термомеханической стабильности. Хотя в рамках данной работы термостабилизация не моделировалась, использование отечественных стёкол и асферических поверхностей уже на этапе проектирования закладывает основу для дальнейшей пассивной атермализации. Таким образом, применение программного моделирования в ZEMAX в сочетании с методами параметрической оптимизации и асферизации поверхностей позволяет значительно повысить качество ИК-объективов без усложнения их конструкции. Полученные результаты подтверждают эффективность данного подхода и могут быть использованы при разработке новых поколений отечественных тепловизионных и прицельных систем, отвечающих современным требованиям по точности, надёжности и устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации, а также способствуют снижению зависимости от импортных компонентов в области оптоэлектроники оборонного назначения.