Новая конструкция оптической системы LWIR с пошаговым масштабированием и двойным полем обзора

Инфракрасная оптическая система является важной частью тепловизора, которая используется для концентрации энергии инфракрасного излучения, масштабирования, рассеивания тепла, контроля качества изображения и фокусировки энергии инфракрасного излучения в фокальной плоскости. Из-за единственной функции однопольной инфракрасной оптической системы практическое использование ограничено, и трудно удовлетворить потребности в разработке современных инфракрасных оптических систем.

Двухпольная инфракрасная оптическая система имеет два поля зрения разного размера. Большое поле зрения можно использовать для поиска подозрительных целей в широком диапазоне, а маленькое поле зрения можно использовать для идентификации и отслеживания подозрительных целей. Он имеет простую структуру, короткое время переключения поля зрения и визуализацию. Он обладает преимуществами высокого качества, простоты и практичности, поэтому широко используется в современных инфракрасных оптических системах.

Инфракрасная оптическая система с масштабированием, используемая для охлаждающего детектора, в основном использует метод вторичного изображения, чтобы совместить выходной зрачок оптической системы с холодным экраном детектора и может эффективно контролировать апертуру объектива, что обычно не вызывает разнообразие промежуточных плоскостей изображения во время процесса масштабирования.

В этой статье представлена новая двухпольная инфракрасная оптическая система с формой масштабирования, которая использует группу масштабирования для перемещения в осевом направлении перед и позади основного изображения для достижения масштабирования, фокусировки и температурной компенсации, что не только изменяет фокусное расстояние. длину системы, но и меняет промежуточный образ. Расположение поверхности имеет преимущества меньшего количества компонентов системы и очень компактной конструкции.

В этой статье для длинноволнового детектора в фокальной плоскости с разрешением 320×256 используется новая форма масштабирования, а двухпольная оптическая система вторичного изображения спроектирована всего с пятью линзами. Широкое и узкое поля зрения соответствуют частоте Найквиста (17 пл/мм). MTF близки к дифракционному пределу, качество изображения превосходное.

Существует несколько типов режимов масштабирования двухпольной инфракрасной оптической системы. В настоящее время обычно применяется режим переключения или режим масштабирования с двухкомпонентной оптической компенсацией. Эти два режима масштабирования не вызывают изменения плоскости изображения, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Тип переключения в основном меняет фокусное расстояние оптической системы за счет включения/выключения группы зума в системе.

Когда группа зума врезается в оптический путь, фокусное расстояние системы становится короче, образуя режим широкого поля зрения; когда группа зума выходит из оптического пути, фокусное расстояние системы меняется. длинный, образуя режим узкого поля зрения, как показано на рисунке 1.

Рис.1 Оптическая система Rotate-Zoom

Режим масштабирования с двухкомпонентной оптической компенсацией в основном изменяет фокусное расстояние оптической системы за счет аксиального перемещения группы масштабирования в системе. В группе масштабирования обычно используется группа отрицательных линз. При движении вперед фокусное расстояние системы становится короче, образуя режим широкого поля зрения; когда группа масштабирования перемещается назад, фокусное расстояние увеличивается, образуя режим узкого поля зрения, как показано на рисунке 2.

Рис.2 Оптическая система Step-Zoom

В этой статье представлен еще один новый метод масштабирования, который также достигается путем перемещения группы масштабирования по оси для достижения системного масштабирования. В отличие от метода масштабирования с двухкомпонентной оптической компенсацией, этот метод масштабирования изобретательно сочетается со второй системой формирования изображений.

Группа масштабирования перемещается вперед и назад в положении плоскости основного изображения, что не только меняет фокусное расстояние системы, но и меняет положение плоскости промежуточного изображения. Убедитесь, что конечная плоскость изображения системы стабильна и качество изображения хорошее.

Как показано на рисунке 3, система состоит из передней фиксированной группы 1, группы масштабирования 2 и задней фиксированной группы 3. Когда группа масштабирования перемещается в направлении передней фиксированной группы, она образует группу объективов с передняя фиксированная группа для сближения лучей излучения цели сцены и формирования плоскости первичного изображения.

В это время задняя фиксированная группа образует релейную группу для выполнения вторичной визуализации в плоскости первичного изображения для формирования режима узкого поля зрения; когда группа масштабирования перемещается в сторону задней фиксированной группы, она образует релейную группу с задней фиксированной группой. , выполняют вторичное изображение на плоскости первичного изображения, образованной передней фиксированной группой, и перемещают положение плоскости первичного изображения вперед, чтобы сформировать режим широкого поля зрения.

Система двойного поля зрения имеет новый метод масштабирования. Группа объективов и группа реле тесно объединены посредством группы масштабирования, которая эффективно сокращает интервал между группой объективов и группой реле, делая структуру всей системы очень компактной и значительно сокращая общую длину системы. По сравнению с методом двухкомпонентной оптической компенсации, метод масштабирования имеет на одну группу линз меньше, меньше линз, более высокий коэффициент пропускания, более низкую стоимость и более компактную структуру.

Рис.3 Новая оптическая система Step-Zoom

С учетом различных ограничений, таких как объем, вес и производительность, основные технические показатели конструкции длинноволновой двухпольной атермализованной инфракрасной оптической системы показаны в таблице 1.

Таблица 1 Параметры оптической схемы

Для длинноволнового охлаждаемого инфракрасного детектора в фокальной плоскости размером 320×256 элементов была выбрана соответствующая исходная структура, а для оптимизации конструкции двухпольной инфракрасной оптической системы использовалось программное обеспечение для оптического проектирования ZEMAX. Результат проектирования показан на рисунке 4. Двухпольная инфракрасная оптическая система имеет в общей сложности 5 линз. Он состоит из группы передней фиксации (2 шт.), группы масштабирования (1 шт.) и группы задней фиксации (2 шт.) и имеет структуру оптического фокуса +, -, -, +, +.

В инфракрасных материалах используются Ge и ZnSe, германиевый материал обладает характеристиками низкой дисперсии и высоким показателем преломления и имеет хорошие характеристики дисперсии на длинных волнах, но трудно исправить хроматическую аберрацию для сложных систем масштабирования только с одним материалом, в то время как ZnSe в основном используется для ахроматики. Чтобы уменьшить количество линз, улучшить коэффициент пропускания системы, эффективно контролировать аберрации системы и улучшить качество изображения, введены три асферические поверхности высокого порядка.

Группа зума приводится в движение двигателем постоянного тока и перемещается вперед и назад вдоль оптической оси для реализации функций переключения поля зрения, фокусировки и температурной компенсации. После оптимизации конструкции система имеет стабильные плоскости изображения с широкими и узкими полями зрения, а качество изображения близко к дифракционному пределу. Его основные особенности:

(1) Форма масштабирования является новой, а переключение поля зрения осуществляется путем перемещения группы масштабирования вперед и назад от изображения, что уменьшает количество элементов системы;

(2) Конструкция более компактна, общая длина системы коротка, расстояние от первого зеркала до фокальной плоскости инфракрасного детектора составляет менее 130 мм, а отношение общей длины к фокусному расстоянию составляет около 0,7;

(3) Количество линз небольшое, всего 5 штук, что улучшает коэффициент пропускания системы, эффективно экономит инфракрасные материалы и снижает затраты;

(4) Применяется метод вторичного изображения, который способствует полному совпадению выходного зрачка оптической системы и холодного экрана инфракрасного детектора, эффективность холодного экрана может быть гарантирована на уровне 100%, а апертура объектив можно эффективно сжимать;

(5) Группа масштабирования с осевым перемещением может реализовывать функции масштабирования, фокусировки и температурной компенсации, что упрощает структуру и электронную конструкцию;

(6)Малый размер, легкий вес, высокое качество изображения, низкая стоимость и высокая производительность.

Рис.4 Инфракрасная оптическая система с двойным полем зрения

Передаточная функция является важным методом оценки оптической системы. Благодаря оптимизированной конструкции система стабильна в узком и широком поле зрения, а качество изображения превосходное. На рисунках 5 и 6 показаны диаграммы передаточной функции оптической модуляции для узкого и широкого полей зрения при комнатной температуре соответственно. Из рисунков видно, что МПФ на частоте Найквиста (17 пл/мм) близка к дифракционному пределу (самая верхняя черная сплошная линия — дифракционный предел), чего достаточно для обеспечения превосходного качества изображения оптической системы. .

Рис.6 Кривая MTF WFOV

Диаграмма пятна представляет собой пятно геометрического изображения, формируемое оптической системой, отображающей точечную цель. На рисунках 7 и 8 показано среднеквадратичное значение (RMS) диаметра рассеянного пятна в узком и широком полях зрения при комнатной температуре, которое составляет менее одного размера детекторного элемента (30 мкм × 30 мкм), что хорошо соответствует требования системы.

Рис.8 Точечная диаграмма WFOV

Поскольку показатель преломления инфракрасных оптических материалов значительно меняется с температурой, которая примерно на два порядка выше, чем у оптических материалов видимого света, изменения температуры приведут к дефокусировке инфракрасной оптической системы, что приведет к ухудшению качества изображения. Чтобы обеспечить стабильную работу инфракрасной оптической системы в широком диапазоне температур. При проектировании следует учитывать разницу в тепловыделении.

Чтобы подходить для структуры масштабирования с двойным полем зрения с осевым перемещением, а также для уменьшения сложности конструкции света и машины. В этой статье принят электромеханический метод активного рассеивания тепла, то есть при различных температурах линза с переменным увеличением приводится в движение слегка в осевом направлении за счет управления двигателем постоянного тока для компенсации дрейфа поверхности изображения. На рисунках с 9 по 12 показаны оптические передаточные функции узкого и широкого полей зрения при высоких и низких температурах соответственно.

Рис.12 Кривая MTF WFOV при +60℃

Двухпольная длинноволновая инфракрасная оптическая система играет незаменимую роль в современной военной сфере. Он широко использовался в различных областях, таких как разведка, обнаружение, поиск и отслеживание целей, и стал важным средством получения информации о поле боя.

В этой статье, нацеленной на длинноволновый инфракрасный детектор фокальной плоскости 320×256 CMT, разработана двухпольная инфракрасная оптическая система, разумно распределяющая оптическую мощность и разумно сопоставляющая два обычных инфракрасных материала, Ge и Znse, и реализующая двухполюсную оптическую систему 183 мм/61 мм. быстрый зум, как широкое, так и узкое поля зрения имеют хорошее качество изображения.

Метод масштабирования системы является новым, а группа масштабирования умело сочетает в себе группу объективов и группу реле, что эффективно сжимает общую длину системы и уменьшает количество компонентов в системе, что особенно подходит для охлаждения фокусного расстояния. детекторы самолетов.

Он обладает такими преимуществами, как небольшое количество линз, высокий коэффициент пропускания, компактная и разумная конструкция, простая регулировка, легкий вес, небольшой объем, экономия материала, высокая стоимость, а качество изображения полностью соответствует требованиям применения и обеспечивает высокую производительность. , миниатюризация и низкая стоимость тепловизионных камер.

Мировой

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: Чэнь Луцзи, Чэнь Цзиньцзинь, Ли Пин

Источник журнала: Инфракрасные технологии Том 33 №7 июль 2011 г.

[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] Стюарт Кроуфорд и др.. Beyond 3rd Generation MCT-SXGA QWIP[C]// Proc. СПАЙ, 2005, 5783: 777-787.

[5] Оливье Кокль, Кристоф Ранну и др.. Компактный тепловизор Qwip: Catherine-Xp и его эволюция[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] Аллен Манн. Инфракрасные зум-объективы в 1990-е годы[J]. Опция Англ., 1994, 33(1): 109-115.