Проектирование трехпольной средневолновой инфракрасной системы масштабирования
Трехпольная система масштабирования имеет преимущества простой механической конструкции, большей надежности, короткого времени изменения фокусного расстояния по сравнению с другими системами масштабирования. Используя охлаждаемый детектор с разрешением 320×240 и размером пикселей 30×30 мкм, методом вторичной визуализации была разработана средневолновая трехпольная оптическая система. Число F системы равно 4, диапазон поля зрения составляет 1,4–23,8 °, она может реализовать трехпозиционное фокусное расстояние 30 мм/100 мм/500 мм.
В процессе проектирования для балансировки хроматической аберрации были использованы материалы германий и кремний, а для балансировки сферической аберрации была введена одна сфера. В системе используются два зеркала, уменьшающие размер оси. Размеры системы лучше, чем 210 мм × 160 мм × 120 мм, она имеет небольшие размеры, простую структуру масштабирования, хорошее качество изображения и т. д. Передаточная функция модуляции (MTF) превышает 0,5 при пространственной частоте 17 л/мм и коэффициент концентрации энергии внутри чувствительного элемента детектора превышает 70%.
В последние годы, с развитием инфракрасной обработки и полупроводниковой промышленности, инфракрасные системы стали использоваться все более широко. Поскольку инфракрасная система обладает некоторыми характеристиками, которых нет у системы видимого света, такими как ночная визуализация, бесконтактное измерение температуры и т. д., инфракрасная визуализация все чаще используется в ночных спасательных операциях, ночном наблюдении и других областях.
С развитием требований к применению инфракрасных систем недостатки системы с фиксированным фокусом становятся все более очевидными. Он имеет одно поле зрения и не может обеспечить общий обзор с большим полем зрения и детальный осмотр с небольшим полем зрения. Система масштабирования может как раз восполнить этот недостаток.
По сравнению с системой непрерывного масштабирования, трехпольная система масштабирования может устранить необходимость в сложном проектировании кривой кулачка. С помощью простой механической компенсации можно реализовать три различных фокусных расстояния: длинное, среднее и короткое, что соответствует трем типам: узкому, среднему и широкому. Для разных полей зрения соответствующее поле зрения или фокусное расстояние можно выбрать в зависимости от различных случаев использования.
По сравнению с традиционной системой масштабирования трехпозиционная система масштабирования имеет преимущества меньшего дрожания визуальной оси и более короткого времени масштабирования. В данной работе на основе охлаждаемого детектора с разрешением 320×240 и размером пикселя 30×30 мкм спроектирована трехпольная зум-оптическая система, работающая в средневолновом спектре.
Системное число F — 4, фокусное расстояние телеобъектива — 500 мм, фокусное расстояние — 100 мм, короткофокусное расстояние — 30 мм, углы поля зрения — 1,4°, 6,8° и 23,8° соответственно. Система состоит из 9 линз и двух зеркал, обеспечивающих 100% эффективность холодной диафрагмы, компактную конструкцию, хорошее качество изображения и другие характеристики.
1. Параметры проектирования и обсуждение
При использовании охлаждаемого детектора с разрешением 320×256 расчетные параметры оптической системы приведены в таблице 1.
Поскольку система представляет собой охлаждаемую инфракрасную оптическую систему, то, как уменьшить холодное отражение системы, является важным фактором при проектировании. Холодное отражение — обычное явление в охлаждаемых инфракрасных системах. В отличие от системы видимого света, в инфракрасной системе каждый кадр или ствол является источником излучения, которое отражается от нерабочей поверхности оптической части и попадает в инфракрасный детектор.
Если распределение этого полного поля зрения неравномерно, во время визуализации будут генерироваться градиенты оттенков серого. В большинстве случаев оттенки серого в центре ниже, чем оттенки серого по краям, и система обработки изображений будет выглядеть черной в центре и яркой по краям. Его можно рассматривать как фоновый шум, который накладывается на целевое изображение во время визуализации. Когда холодное отражение сильное, оно может серьезно повлиять на качество изображения. Поэтому при проектировании необходимо сосредоточиться на анализе и оценке эффекта холодного отражения.
2. Процесс проектирования системы и анализ результатов проектирования.
Система принимает структуру одной группы масштабирования и одной группы компенсации, а ее гауссово решение должно удовлетворять следующему уравнению:
Смещение группы масштабирования:
Смещение группы компенсации:
Интервал между группой масштабирования и фиксированной группой после масштабирования:
Интервал между группой масштабирования и группой компенсации:
Его можно узнать из формулы связи изображения объекта геометрической оптики:
Сопряженное расстояние системы:
В приведенной выше формуле: T — коэффициент масштабирования системы; β2– вертикальное увеличение исходного положения группы переменного увеличения; β3– вертикальное увеличение исходного положения компенсационной группы;β*2— вертикальное увеличение группы переменного увеличения после масштабирования; β*3— увеличение по вертикальной оси группы компенсации после масштабирования; ж1' — фокусное расстояние передней фиксированной группы; ж2' – фокусное расстояние переменного увеличения; ж3' — фокусное расстояние компенсационной группы; дs12— начальное положение группы переменного увеличения, как и предыдущая фиксированная группа «Интервал»; дs23— интервал между группой масштабирования и группой компенсации; д*s12— интервал между группой масштабирования после масштабирования и предыдущей фиксированной группой; д*s23— это интервал между группой масштабирования и группой компенсации после масштабирования.
Подставив формулы (8) и (9) в формулу (10), получим:
Подставьте полученное значение β*2 в приведенные выше формулы для расчета основных параметров оптической системы. Изменяя положение группы масштабирования и группы компенсации для изменения комбинированного увеличения, система может переключаться между различными фокусными расстояниями. При фактическом использовании фокусное расстояние можно выбрать в соответствии с размером и расстоянием до цели, а фокусное расстояние можно быстро переключить в указанное положение в зависимости от необходимости сократить время масштабирования. Тенденция движения системы масштабирования негативной группы показана на рисунке 1.
Рис.1 Принципиальная схема оптической системы
В конструкции диафрагма оптической системы размещена в положении холодного экрана детектора, а второй метод визуализации используется для достижения 100% эффективности холодной диафрагмы. По соответствующей формуле можно рассчитать положение диафрагмы при различных конструкциях фокусных расстояний системы, обеспечивающих разные фокусные расстояния. Позиция может обеспечить 100% эффективность холодной апертуры.
In order to reduce the axial size of the system, the system adopts a negative group compensation zoom method without object image exchange. It can be known from related references that when the focal length of the compensation group |f3′| is too large, the total length of the system will increase, so in the system, the size of |f3′| is limited during optimization.
The final normalized focal length of the compensation group of the system is |f3'|=1.3. When the focal length of the compensation group decreases, the relative aperture of the compensation group will increase, which will increase the difficulty of system aberration correction.
В конструкции используется асферическая поверхность для коррекции сферической аберрации и комы, а асферическая поверхность добавляется к шестой отрицательной линзе из германиевого материала в системе. Германиевый материал с большим коэффициентом дисперсии в диапазоне средних волн используется в качестве отрицательной линзы, а кремниевый материал с небольшим коэффициентом дисперсии в диапазоне средних волн используется в качестве положительной линзы, чтобы система могла обеспечить хорошее качество изображения при каждое положение масштабирования. Результат проектирования показан на рисунке 2.
Рис.2 Оптическая схема конструкции
Изменяя положения линз 3 и 4, система реализует длинные, средние и короткие фокусные расстояния, устраняя необходимость в проектировании кривой кулачка и уменьшая сложность системы. До преломления светового пути длина системы составляет 400 мм, а коэффициент телефото (общая длина/фокусное расстояние) = 400/500 = 0,8. После того как световой путь преломляется зеркалом, общий размер системы составляет менее 210×160×120 мм. Система имеет компактную конструкцию и отвечает требованиям миниатюризации.
Оптическая передаточная функция характеризует способность объектива отображать цели разных пространственных уровней, среди которых низкая частота характеризует контур, промежуточная частота характеризует уровень, а высокая частота характеризует разрешающую способность. В обычных системах визуализации передаточная функция превышает 0,2, а передаточная функция инфракрасной линзы обычно должна быть больше 0,4.
В конструкцию введена система коррекции сферических аберраций, расположенная в шестой линзе, размер пикселя системы 30 мкм, частота Найквиста 16,7 лин/мм, три фокусных расстояния системы по 17 лин/мм, Кривая передаточной функции показана на рисунке 3.
Рис.3 Кривые MTF
Из рисунка видно, что все значения передаточной функции системы превышают 0,5, что близко к дифракционному пределу, что указывает на то, что система имеет хорошее качество изображения и высокое разрешение. На рис. 4 представлена энергетическая кривая дифракционной окружности системы. Из рисунка видно, что около 70% энергии сосредоточено в чувствительном элементе детектора, что соответствует основным требованиям ИК-детектирования холодильного оборудования.
Рис.4 Дифракционное пятно
3. Анализ холодного отражения
Поскольку холодная диафрагма охлаждаемого детектора может отражаться через преломляющую поверхность передней оптической системы, она может получать холодное излучение от себя и окружающей среды, формируя изображение холодного отражения. Холодное отражение образует темное пятно в центре целевой поверхности, в результате чего коэффициент шума сигнала системы снижается, поэтому его необходимо учитывать при проектировании, чтобы минимизировать его влияние на изображение системы.
Для подавления холодного отражения обычно используются следующие методы:
(1) Антибликовое покрытие наносится для улучшения коэффициента пропускания оптических элементов и уменьшения отражательной способности, чтобы уменьшить энергию, содержащуюся в отраженном луче изображения;
(2) Контролируйте угол отраженного визуализирующего света, чтобы максимально избежать его падения вдоль нормального направления поверхности. Падающий свет вдоль нормали к поверхности легко отражается от целевой поверхности детектора.
При анализе холодного отражения важными параметрами для исследования являются YNI и I/IBAR, где Y — высота краевого луча, N — показатель преломления поверхности, I — угол падения, соответствующий краевому лучу Y, а IBAR — падающий луч. угол главного луча. Обычно, когда YNI≥1, это указывает на то, что вклад этой грани в холодное отражение можно игнорировать. Когда значение YNI мало и I/IBAR<1, поверхность может создавать сильное холодное отражение.
Анализ показывает, что система может иметь сильные холодные отражения на коротком фокусе. В таблице 2 представлены результаты анализа коротких позиций фокуса системы. Из таблицы видно, что холодные отражения на поверхностях 3, 6 и 7 могут быть более серьезными. Поскольку значение YNI и значение I/IBAR поверхности 6 являются наименьшими, сосредоточьтесь на шестой поверхности.
Переверните систему, используйте детектор в качестве источника света, проследите свет в обратном направлении и установите шестую поверхность системы в качестве отражающей поверхности для трассировки лучей. На рисунке 5 показан результат трассировки лучей. Из рисунка видно, что изображение, формируемое светом из плоскости изображения, отраженным поверхностью 6, находится далеко от плоскости изображения, и вызываемым им эффектом холодного отражения можно пренебречь.
Рис.5 Принципиальная схема трассировки лучей холодного отражения.
4. Вывод
В статье подробно представлены характеристики трехпольной оптической системы с зумом и использован охлаждаемый инфракрасный детектор с разрешением 320×240 для разработки средневолновой инфракрасной трехпольной оптической системы с зумом и тремя фокусными расстояниями: 30 мм, 100 мм и 500 мм. Приведен процесс проектирования и результаты проектирования.
В конструкции используются два материала для коррекции хроматической аберрации системы, а сферическая аберрация системы корректируется асферической поверхностью, что улучшает качество изображения системы. Метод вторичной визуализации используется для достижения 100% эффективности системы с холодной диафрагмой. Общая длина оптического пути системы до поворота составляет 400 мм, а телеобъектив достигает 0,8. После использования двух зеркал для поворота оптического пути общая длина составляет менее 210 мм.
Кривая передаточной функции системы близка к дифракционному пределу, а концентрация энергии окружающего круга высока, что указывает на хорошее качество изображения системы. В конце статьи анализируется холодное отражение, приводятся метод анализа холодного отражения и результаты анализа. Результаты анализа показывают, что влиянием холодного отражения можно пренебречь. Система имеет небольшие размеры, компактную конструкцию, отвечает требованиям миниатюризации и может широко использоваться в авиапоисковых лагерях и спасательных ночных съемках.
инфракрасная оптическая линзаРазработанный и изготовленный компанией Quanhom, он обладает значительными преимуществами, заключающимися в легком весе и высоком разрешении, и его можно эффективно контролировать в различных сложных и суровых условиях. Если вы хотите получить дополнительные сопутствующие услуги, вы можете отправить нам свои потребности, и мы дадим вам удовлетворительный ответ как можно скорее.
Как опытный производительОптико-электромеханические компонентыКомпания Quanhom оснащена профессиональной системой контроля качества, имеет обширную управленческую команду и пользуется высокой репутацией в отрасли. Наша продукция продается по всему миру и используется во всех сферах жизни. Наш продуманный комплексный сервис покупок также получил единодушную похвалу от клиентов. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных оптических линзах, немедленно свяжитесь с нами!
Авторы: Фань Чжэюань, Гао Лиминь, Чжан Чжи, Чэнь Вэйнин, Ян Хунтао, Чжан Цзянь, У Ли, Цао Цзяньчжун
Источник журнала: Том 43 № 2 Инфракрасная и лазерная техника, февраль 2014 г.
Рукопись получена: 14 июня 2013 г.; Дата редакции: 19 июля 2013 г.
Использованная литература:
[1] Чжан Минъи, Ли Баопин, Ван Чжуннань и др. Проектирование инфракрасной оптической системы с двойным полем зрения и гибридной рефракционно-дифракционной системой с переключателем масштабирования [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2008, 37(5): 850-853. (на китайском языке)
[2] Чэнь Левцзи, Чэнь Цзиньцзинь, Ли Пин. Новаторская конструкция оптической системы LW с двойным полем зрения и стоп-зумом[J]. Инфракрасные технологии, 2011, 33(7): 406-410. (на китайском языке)
[3] Чжао Синьлян, Ван Хайся, Цуй Ли и др. Проектирование оптической системы LWIR с двойным полем сканирования [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2011, 40(8): 1517-1520. (на китайском языке)
[4] Донг Кеян, Сунь Цян, Ли Юнда и др. Разработка рефракционно-дифракционной гибридной инфракрасной бифокальной оптической системы [J]. Acta Physica Sinica, 2006, 55(9): 4602-4606. (на китайском языке)
[5] Ло Шоуцзюнь, Хэ Вубин, Ли Вэньху и др. Проектирование оптической системы непрерывного масштабирования среднего инфракрасного диапазона с большим ФПА [J]. Оптика и точное машиностроение, 2012, 20(10): 2117-2122. (на китайском языке).
[6] Чжоу Хао, Лю Ин, Сунь Цян. Оптическая система среднего инфракрасного диапазона с коэффициентом увеличения 25 [Дж]. Acta Optica Sinica, 2012, 32(4): 0422001-1-0422005. (на китайском языке)
[7] Тао Чунькан. Конструкция зум-объектива [M]. Пекин: Пекинская национальная пресса оборонной промышленности, 1988: 33–39, 140–153. (на китайском языке)
[8] Фань Чжэюань, Ян Хунтао, Цюй Эньши и др. Проект системы длинноволнового инфракрасного сканирования с большим полем зрения и большой апертурой [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2012, 41(10): 2740-2744. (на китайском языке)