Параметры объективов для тепловизоров (LWIR)
Как оптика формирует итоговое изображение в дальнем инфракрасном диапазоне (8–14 мкм)
Введение в LWIR оптику
Обычное силикатное стекло непрозрачно для теплового излучения. LWIR-объективы изготавливают из специальных материалов — в первую очередь из монокристаллического германия (Ge). Правильный выбор объектива важнее, чем переплата за сверхчувствительную матрицу.
1. Фокусное расстояние (Focal Length)
Определяет масштаб изображения. Увеличение фокусного расстояния сужает угол обзора, но увеличивает объект (как телескоп).
- Короткое (7.5–25 мм): Широкий угол. Идеально для навигации БПЛА, обзора помещений.
- Длинное (50–100 мм): Узкий угол. Для поиска людей/техники на дистанциях в несколько километров.
Инженерное правило: Увеличение фокусного расстояния утяжеляет объектив и нелинейно (быстрее, чем пропорционально) повышает его стоимость — растёт объём дорогой германиевой заготовки.
2. Поле зрения (FOV) и размер пикселя
FOV жестко привязано к фокусному расстоянию и физическому размеру матрицы (шаг пикселя × количество пикселей).
При одинаковом разрешении сенсора один и тот же объектив 35 мм на матрице с пикселем 17 мкм даст одно FOV, а на матрице с пикселем 12 мкм (физически меньшей) — более узкое FOV: объект будет казаться ближе (эффект кроп-фактора).
Важно: сравнение корректно только при одинаковом разрешении матрицы (например, 640×480 в обоих случаях) — иначе на размер сенсора влияет и число пикселей.
3. Светосила / Диафрагменное число (F/#)
Отношение фокусного расстояния к диаметру входного зрачка. Критически влияет на NETD и шумы.
f/1.0— Пропускает максимум энергии. Идеальная резкость и минимум шума.f/1.4— Пропускает в 2 раза меньше энергии. Появляется "зернистость".
В LWIR диафрагма, как правило, зафиксирована в полностью открытом положении — регулируемая диафрагма или холодная диафрагма (cold stop) встречается в основном в охлаждаемых радиометрических системах.
4. Материал оптики
Определяет коэффициент пропускания в диапазоне 8–14 мкм.
- Монокристаллический германий (Ge): Золотой стандарт. Пропускает до 98% (с покрытиями). Минусы — цена (как золото), вес, хрупкость.
- Халькогенидные стекла: Дешевле и легче, позволяют отливать асферические формы. Типично пропускают 70–80% в зависимости от конкретного состава (GASIR, AMTIR, IG-6 и др.) и качества покрытия — некоторые просветлённые составы дают показатели выше (требуют более светосильной оптики для компенсации потерь).
5. Просветляющие покрытия (AR Coatings)
Голый германий отражает ~36% теплового излучения на каждой поверхности раздела Ge/воздух (эффект Френеля при показателе преломления n≈4.0). У линзы таких поверхностей минимум две, поэтому без покрытий сильные источники дают паразитные засветки («ленты»), а суммарные потери сигнала через объектив оказываются значительно выше, чем 36%.
DLC (алмазоподобное углеродное покрытие) снижает отражения до <1% на поверхность, обеспечивая высокий контраст и защиту от царапин.
36% отражения
<1% отражения
Значения указаны на одну поверхность линзы, а не суммарно на весь объектив.
6. Минимальная дистанция фокусировки (MFD)
Стандартные объективы фокусируются от 0.5–2 метров. Ближе — картинка "мылит".
Для специфических задач (инспекция плат, облёт ЛЭП дронами, медицина) применяют макрообъективы с MFD от 5–10 см.
7. Оптическое разрешение (MTF) и Искажения
Дисторсия: Дешевые широкоугольные объективы дают «бочкообразную дисторсию» — прямые линии по краям изгибаются.
MTF: Дешевая оптика не может сфокусировать краевые лучи точно на пиксель. В центре картинка резкая, по краям — "мыльная". Профессиональная оптика держит резкость от края до края.
Матрица принятия решений
Выбор всегда строится на балансе между дальностью, углом обзора и бюджетом.
Решение: Длиннофокусные объективы (75 мм, 100 мм).
Ограничения: Крупные габариты, большой вес, высокая цена. Диаметр входной линзы германия при f/1.0 равен фокусному расстоянию.
Решение: Короткофокусные объективы (15 мм, 25 мм).
Преимущества: Компактность, малый вес, низкая стоимость. Идеально для БПЛА и автотранспорта.
Решение: «Золотая середина» — 35 мм или 50 мм с диафрагмой f/1.0 / f/1.2.
Результат: Оптимальный компромисс. Уверенное различение фигуры человека на 500–1000 метров.