تصميم جديد للنظام البصري ذو مجال الرؤية المزدوج LWIR بتقنية Step-Zoom

يعد النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء جزءًا مهمًا من جهاز تصوير الأشعة تحت الحمراء، والذي يستخدم لتركيز طاقة الأشعة تحت الحمراء والتكبير وتبديد الحرارة والتحكم في جودة التصوير وتركيز طاقة الأشعة تحت الحمراء على المستوى البؤري. نظرًا للوظيفة الفردية للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء أحادي المجال، فإن الاستخدام العملي محدود، ومن الصعب تلبية احتياجات التطوير للأنظمة البصرية الحديثة بالأشعة تحت الحمراء.

يحتوي النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال على مجالين للرؤية بأحجام مختلفة. يمكن استخدام مجال الرؤية الكبير للبحث عن الأهداف المشتبه بها في نطاق واسع، ويمكن استخدام مجال الرؤية الصغير لتحديد وتتبع الأهداف المشتبه بها. إنه ذو بنية بسيطة، ومجال رؤية قصير، ووقت تبديل، وتصوير. إنه يتميز بمزايا الجودة العالية والبساطة والتطبيق العملي، لذلك تم استخدامه على نطاق واسع في الأنظمة البصرية الحديثة بالأشعة تحت الحمراء.

يعتمد النظام البصري للتكبير بالأشعة تحت الحمراء المستخدم في كاشف التبريد في الغالب طريقة التصوير الثانوية لمطابقة حدقة الخروج للنظام البصري مع الشاشة الباردة للكاشف، ويمكنه التحكم بشكل فعال في فتحة العدسة الموضوعية، والتي عادة لا تسبب مجموعة متنوعة من مستوى الصورة المتوسطة أثناء عملية التكبير.

في هذه المقالة، تم تقديم نظام بصري جديد للأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال مع شكل تكبير، والذي يستخدم مجموعة التكبير للتحرك محوريًا أمام وخلف الصورة الأساسية لتحقيق التكبير والتركيز وتعويض درجة الحرارة، والذي لا يغير التركيز البؤري فقط طول النظام ولكنه يغير أيضًا الصورة المتوسطة. يتميز موضع السطح بمزايا عدد أقل من مكونات النظام وبنية مدمجة للغاية.

في هذه المقالة، بالنسبة لكاشف المستوى البؤري ذو الموجة الطويلة 320×256، يتم استخدام نموذج تكبير جديد، وتم تصميم نظام بصري مزدوج المجال للتصوير الثانوي بخمس عدسات فقط. مجالات الرؤية الواسعة والضيقة تكون عند تردد نيكويست (17lp/mm). MTFs قريبة من حد الحيود، وجودة التصوير ممتازة.

هناك أنواع قليلة من أوضاع التكبير/التصغير للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال. في الوقت الحاضر، عادةً ما يتم اعتماد وضع التبديل أو وضع التكبير/التصغير للتعويض البصري المكون من مكونين. لا يتسبب وضعا التكبير/التصغير هذين في حدوث تغييرات في مستوى الصورة، ولكل منهما مزايا وعيوب. يقوم نوع التبديل بشكل أساسي بتغيير البعد البؤري للنظام البصري عن طريق قطع داخل/خارج مجموعة التكبير/التصغير في النظام.

عندما تقطع مجموعة التكبير/التصغير المسار البصري، يصبح الطول البؤري للنظام أقصر، مما يشكل مجالًا واسعًا من وضع العرض؛ عندما تنقطع مجموعة التكبير/التصغير عن المسار البصري، يتغير البعد البؤري للنظام. طويلة، وتشكل مجالًا ضيقًا لوضع العرض، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: النظام البصري لتدوير التكبير/التصغير

يعمل وضع التكبير/التصغير للتعويض البصري المكون من مكونين بشكل أساسي على تغيير الطول البؤري للنظام البصري عن طريق تحريك مجموعة التكبير/التصغير في النظام بشكل محوري. تستخدم مجموعة التكبير عادةً مجموعة عدسات سلبية. عند المضي قدمًا، يصبح البعد البؤري للنظام أقصر، مما يشكل مجالًا واسعًا للعرض؛ عندما تتحرك مجموعة التكبير/التصغير إلى الخلف، يصبح البعد البؤري أطول، مما يشكل مجالًا ضيقًا لوضع العرض، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2 النظام البصري خطوة التكبير

تقدم هذه المقالة طريقة تكبير جديدة أخرى، والتي يتم تحقيقها أيضًا عن طريق تحريك مجموعة التكبير محوريًا لتحقيق تكبير النظام. تختلف طريقة التكبير/التصغير هذه عن طريقة التكبير/التصغير للتعويض البصري المكون من مكونين، وقد تم دمجها ببراعة مع نظام التصوير الثاني.

تتحرك مجموعة التكبير/التصغير ذهابًا وإيابًا في موضع مستوى الصورة الأساسي، الأمر الذي لا يغير البعد البؤري للنظام فحسب، بل يغير أيضًا موضع مستوى الصورة المتوسط. تأكد من أن مستوى الصورة النهائية للنظام مستقر وأن جودة الصورة جيدة.

كما هو موضح في الشكل 3، يتكون النظام من المجموعة الثابتة الأمامية 1، ومجموعة التكبير 2، ومجموعة التكبير الخلفية الثابتة 3. وعندما تتحرك مجموعة التكبير في اتجاه المجموعة الثابتة الأمامية، فإنها تشكل مجموعة عدسات موضوعية مع المجموعة الأمامية الثابتة تتقارب فيها الأشعة الإشعاعية للمشهد المستهدف ويتشكل مستوى الصورة الأولية.

في هذا الوقت، تشكل المجموعة الثابتة الخلفية مجموعة ترحيل لإجراء التصوير الثانوي على مستوى الصورة الأساسي لتشكيل مجال ضيق من وضع العرض؛ عندما تتحرك مجموعة التكبير/التصغير نحو المجموعة الثابتة الخلفية، فإنها تشكل مجموعة ترحيل مع المجموعة الثابتة الخلفية. ، قم بإجراء التصوير الثانوي على مستوى الصورة الأساسي الذي شكلته المجموعة الثابتة الأمامية، وحرك موضع مستوى الصورة الأساسي للأمام لتشكيل مجال واسع من وضع العرض.

يحتوي نظام مجال الرؤية المزدوج على طريقة تكبير جديدة. يتم دمج مجموعة العدسات الموضوعية ومجموعة التتابع بشكل وثيق من خلال مجموعة التكبير، مما يقلل بشكل فعال الفاصل الزمني بين مجموعة العدسات الهدف ومجموعة التتابع، مما يجعل هيكل النظام بأكمله مضغوطًا للغاية ويقصر الطول الإجمالي للنظام بشكل كبير. بالمقارنة مع طريقة التكبير/التصغير للتعويض البصري المكون من مكونين، فإن طريقة التكبير/التصغير تحتوي على مجموعة عدسات أقل وعدسات أقل ونفاذية أعلى وتكلفة أقل وهيكل أكثر إحكاما.

الشكل 3: النظام البصري Novel Step-Zoom

مع الأخذ في الاعتبار القيود المختلفة مثل الحجم والوزن والأداء، يتم عرض المؤشرات الفنية للتصميم الرئيسي للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء الحراري ثنائي المجال طويل الموجة في الجدول 1.

الجدول 1: معلمات التصميم البصري

بالنسبة لكاشف المستوى البؤري للأشعة تحت الحمراء المبرد بموجة طويلة 320×256، تم اختيار هيكل أولي مناسب، وتم استخدام برنامج التصميم بمساعدة بصرية ZEMAX لتحسين تصميم النظام البصري للأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال. تظهر نتيجة التصميم في الشكل 4. يحتوي النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال على إجمالي 5 عدسات. يتكون من مجموعة التثبيت الأمامي (قطعتين)، مجموعة التكبير (قطعة واحدة)، ومجموعة التثبيت الخلفي (قطعتين)، ويعتمد هيكل التركيز البصري +، -، -، +، +.

تستخدم مواد الأشعة تحت الحمراء Ge وZnSe، وتتميز مادة الجرمانيوم بخصائص التشتت المنخفض ومعامل الانكسار العالي، ولها أداء تشتت جيد عند الأطوال الموجية الطويلة، ولكن من الصعب تصحيح الانحراف اللوني لأنظمة التكبير المعقدة باستخدام مادة واحدة فقط، في حين أن ZnSe يستخدم بشكل أساسي تستخدم في اللوني. من أجل تقليل عدد العدسات، وتحسين نفاذية النظام، والتحكم بشكل فعال في انحراف النظام، وتحسين جودة الصورة، تم تقديم ثلاثة أسطح شبه كروية عالية الترتيب.

يتم تشغيل مجموعة التكبير/التصغير بواسطة محرك DC للتحرك للأمام والخلف على طول المحور البصري لتحقيق وظائف تبديل مجال الرؤية والتركيز وتعويض درجة الحرارة. بعد التصميم الأمثل، يتمتع النظام بمستويات صورة مستقرة ذات مجالات رؤية واسعة وضيقة، وتكون جودة التصوير قريبة من حد الحيود. ميزاته الرئيسية هي:

(1) شكل التكبير/التصغير جديد، ويتم تحقيق تبديل مجال الرؤية عن طريق تحريك مجموعة التكبير/التصغير أمام الصورة وخلفها، مما يقلل عدد عناصر النظام؛

(2) الهيكل أكثر إحكاما، والطول الإجمالي للنظام قصير، والمسافة من المرآة الأولى إلى المستوى البؤري لكاشف الأشعة تحت الحمراء أقل من 130 مم، ونسبة الطول الإجمالي / الطول البؤري حوالي 0.7؛

(3) عدد العدسات صغير، 5 قطع فقط، مما يحسن نفاذية النظام، ويوفر مواد الأشعة تحت الحمراء بشكل فعال، ويقلل التكاليف؛

(4) تم اعتماد طريقة التصوير الثانوية، والتي تساعد على المطابقة الكاملة لتلميذ الخروج للنظام البصري والشاشة الباردة لكاشف الأشعة تحت الحمراء، ويمكن ضمان كفاءة الشاشة الباردة بنسبة 100٪، وفتحة العدسة يمكن ضغط العدسة الشيئية بشكل فعال؛

(5) يمكن لمجموعة التكبير/التصغير المتحركة المحورية تحقيق وظائف التكبير/التصغير والتركيز وتعويض درجة الحرارة، مما يبسط الهيكل والتصميم الإلكتروني؛

(6) حجم صغير، خفيف الوزن، جودة صورة عالية، تكلفة منخفضة، وأداء عالي التكلفة.

الشكل 4: النظام البصري للأشعة تحت الحمراء ثنائي مجال الرؤية

تعد وظيفة النقل طريقة تقييم مهمة للنظام البصري. بعد التصميم الأمثل، يصبح النظام مستقرًا في مجال الرؤية الضيق والواسع، وتكون جودة الصورة ممتازة. ويبين الشكل 5 والشكل 6 الرسوم البيانية لوظيفة نقل التشكيل البصري لمجالات الرؤية الضيقة والواسعة في درجة حرارة الغرفة، على التوالي. يمكن أن نرى من الأشكال أن MTF عند تردد Nyquist (17lp/mm) قريب من حد الحيود (الخط الصلب الأسود العلوي هو حد الحيود)، وهو ما يكفي لضمان جودة التصوير الممتازة للنظام البصري .

الشكل 6: منحنى MTF لـ WFOV

المخطط البقعي هو بقعة الصورة الهندسية التي شكلها النظام البصري الذي يصور الهدف النقطي. يوضح الشكل 7 والشكل 8 الجذر التربيعي المتوسط (RMS) لقطر البقعة المتناثرة في مجالات الرؤية الضيقة والواسعة عند درجة حرارة الغرفة، وهو أقل من حجم عنصر كشف واحد (30 ميكرومتر × 30 ميكرومتر)، والذي يلبي جيدًا متطلبات النظام.

الشكل 8: الرسم التخطيطي الموضعي لـ WFOV

نظرًا لأن مؤشر انكسار المواد الضوئية بالأشعة تحت الحمراء يتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة، وهو أعلى بحوالي أمرين من المواد الضوئية للضوء المرئي، فإن تغيرات درجة الحرارة ستؤدي إلى إلغاء تركيز النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، مما يؤدي إلى تدهور جودة الصورة. من أجل ضمان الأداء المستقر للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء في نطاق واسع من درجات الحرارة. يجب مراعاة تصميم فرق تبديد الحرارة في التصميم.

من أجل أن تكون مناسبة لهيكل تكبير مجال العرض المزدوج المحوري المتحرك، ولتقليل صعوبة تصميم الضوء والآلة. في هذا البحث، تم اعتماد طريقة تبديد الحرارة الكهروميكانيكية النشطة، أي أنه عند درجات حرارة مختلفة، يتم دفع عدسة التكبير المتغير للتحرك قليلاً في الاتجاه المحوري عن طريق التحكم في محرك التيار المستمر للتعويض عن انجراف سطح الصورة. توضح الأشكال من 9 إلى 12 وظائف النقل البصري لمجالات الرؤية الضيقة والواسعة عند درجات الحرارة العالية والمنخفضة، على التوالي.

الشكل 12 منحنى MTF لـ WFOV عند +60 درجة مئوية

يلعب النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة ثنائي المجال دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في المجال العسكري الحديث. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الاستطلاع والكشف والبحث وتتبع الأهداف وأصبح وسيلة مهمة للحصول على معلومات ساحة المعركة.

تستهدف هذه الورقة كاشف المستوى البؤري للأشعة تحت الحمراء طويل الموجة 320×256 CMT، وتصمم نظامًا بصريًا للأشعة تحت الحمراء ثنائي المجال عن طريق تخصيص الطاقة الضوئية بشكل معقول والمطابقة المعقولة لمادتين شائعتين للأشعة تحت الحمراء، Ge وZnse، وتحقيق 183 مم/61 مم ثنائي- تكبير السرعة، تتمتع مجالات الرؤية الواسعة والضيقة بجودة تصوير جيدة.

تعد طريقة التكبير/التصغير للنظام جديدة، وتجمع مجموعة التكبير بذكاء بين مجموعة العدسات الموضوعية ومجموعة التتابع، مما يضغط بشكل فعال الطول الإجمالي للنظام ويقلل عدد المكونات في النظام، وهو مناسب بشكل خاص للتبريد البؤري كاشفات الطائرة.

تتميز بمزايا عدد صغير من العدسات، والنفاذية العالية، والهيكل المدمج والمعقول، وسهولة التعديل، وخفيفة الوزن، وصغيرة الحجم، وتوفير المواد، والأداء عالي التكلفة، وجودة التصوير تلبي تمامًا متطلبات التطبيق، وتلبي الأداء العالي والتصغير والتكلفة المنخفضة لكاميرات التصوير الحراري.

في جميع أنحاء العالم

كشركة مصنعة من ذوي الخبرةالمكونات الكهروميكانيكية البصرية، تم تجهيز Quanhom بنظام فحص الجودة الاحترافي وفريق إدارة شامل ويتمتع بسمعة عالية في الصناعة. تُباع منتجاتنا في جميع أنحاء العالم وتُستخدم في جميع مناحي الحياة. كما حظيت خدمة التسوق الشاملة المدروسة لدينا بإشادة بالإجماع من العملاء. إذا كنت مهتمًا بالعدسات البصرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فيرجى الاتصال بنا على الفور!

المؤلفون: تشن لوجي، تشن جينجين، لي بينغ

مصدر المجلة: Infrared Technology Vol.33 No.7 يوليو 2011

[1] 白清兰، 马彩文، 孙东岩.红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算[J].红外技术, 2006, 28(2): 95-97.

[2] 郜洪云، 熊涛.中波红外两档变焦光学系统[J].光学精密工程، 2008، 16(10): 1891-1894.

[3] 陈吕吉، 李萍، 冯生荣، 等.中波红外消热差双视场光学系统设计[J].红外技术, 2011, 33(1): 1-3.

[4] ستيوارت كروفورد وآخرون.. ما بعد الجيل الثالث MCT- SXGA QWIP[C]// Proc. سبي، 2005، 5783: 777-787.

[5] أوليفييه كوكل، كريستوف رانو وآخرون. جهاز التصوير الحراري المضغوط Qwip: كاثرين-Xp وتطوراته[C]//SPIE, 2007, 6542, 654234.

[6] 任德清.红外双视场透镜的光学设计[J].红外技术, 1998, 20(3): 19-22.

[7] 陈吕吉، 徐曼، 王红伟، 等.手持双视场红外光学系统设计[J].红外技术, 2011, 33(2): 100-103.

[8] 陈吕吉.一种紧凑的红外消热差光学系统[J].红外技术, 2007, 29(4): 203-205.

[9] ألين مان. عدسات تكبير بالأشعة تحت الحمراء في التسعينيات[J]. يختار، يقرر. المهندس، 1994، 33(1): 109-115.