Проектирование и реализация легкой и малой длинноволновой инфракрасной оптической системы

Длинноволновая инфракрасная область спектра 8–14 мкм является не только атмосферным окном, но и концентрированной полосой энергии теплового излучения объектов при комнатной температуре.

Пассивная фотоэлектрическая система, работающая в этой области, в основном улавливает тепловое излучение самого целевого источника. Он может работать весь день, пассивен и имеет хорошую маскировку. Его можно использовать в вооруженных силах для разведки, захвата, отслеживания целей и т. д. Его также можно использовать в таких приложениях, как предупреждение о лесных пожарах, ночное охранное наблюдение, а также поисково-спасательные работы.

Приборы длинноволнового инфракрасного обнаружения для приложений дистанционного зондирования обычно устанавливаются на таких платформах, как спутники, самолеты и БПЛА. В последние годы наблюдается всплеск исследований в области применения БПЛА.

Соединенные Штаты продолжают продвигать использование мультиспектральных датчиков изображения, установленных на БПЛА. В марте 2018 года Корпус морской пехоты США впервые развернул небольшой четырехроторный БПЛА мгновенного обзора с высотой полета 3 657,6 м, оснащенный тремя инфракрасными фотоэлектрическими датчиками и одним тепловизионным инфракрасным датчиком переднего обзора.

В июле 2018 года российская компания Zala впервые применила лидар на дронах благодаря лучшей ситуационной осведомленности и возможностям более быстрого сбора данных. В настоящее время фотоэлектрический датчик MEOS, установленный на «БПЛА Купол» израильской компании Rafal, позволяет добиться обнаружения целей с минимальным размером 20 см2 на дальности 3,2 км и мгновенным полем зрения 0,14 мрад.

Оптоэлектронные полезные нагрузки, подходящие для БПЛА, быстро развиваются по функциям и характеристикам и могут получать высококачественные изображения и данные в режиме реального времени днем и ночью, что значительно улучшает возможности разведки, наблюдения и захвата целей.

Однако из-за ограниченной грузоподъемности БПЛА требуются высокие характеристики полезной нагрузки, легкий вес и небольшой размер, и в то же время для коммерческого и крупномасштабного серийного применения он также обладает характеристиками низкой стоимости.

Благодаря преимуществам высокой точности и управляемости в широком диапазоне оптоэлектронные блоки широко используются на платформах БПЛА, в то время как оптоэлектронные приборы, установленные в оптико-электронных блоках, имеют более строгие ограничения по объему и весу, и необходимо учитывать их оптические системы. Легкая и компактная конструкция.

С тенденцией развития миниатюризации и облегчения инфракрасных оптических систем форма поверхности оптических линз часто становится более сложной. Повышенные требования предъявляются также к микроскопическому качеству оптической поверхности инфракрасных твердых и хрупких материалов, таких как германий и селенид цинка.

В настоящее время технология одноточечного алмазного точения широко используется при холодной обработке инфракрасных оптических деталей. При условии использования определенных материалов и других параметров можно оптимизировать точность одноточечного алмазного точения, параметры точения, вибрацию станка и методы обработки сферических поверхностей.

В соответствии с требованиями индекса и ограничениями платформы прибора, Quanhom предлагает легкую, небольшую и компактную катадиоптрическую оптическую структуру, которая упрощает основную оптическую форму для применения детекторов охлаждения и подходит для длинноволновых оптоэлектронных блоков массового производства БПЛА. инфракрасные камеры.

Оптическая конструкция этой камеры, ее обработка, настройка проверки и эксперименты с изображением будут подробно описаны ниже.

Оптическая система установлена в оптико-электронном блоке и установлена на БПЛА. Прибор имеет среднее поле зрения. За счет двумерного вращения оптико-электронного блока реализуется поиск цели по большой площади, цель обнаруживается и захватывается для сопровождения. Как показано на рисунке 1, оптоэлектронный модуль имеет сферическую структуру, радиус модуля составляет менее 200 мм, диаметр окна — 165 мм, оптическое пространство — 320×310×302 мм (включая детектор), а оптическое пространство — 320×310×302 мм. -механическая масса камеры должна быть не более 2,0 кг (в комплект не входит). включая проигрыватель проигрывателей и электронику).

Рис.1 Принципиальная схема метода обнаружения

Чтобы улучшить чувствительность детектора прибора, вся машина использует матричный детектор с охлаждаемой областью, размер пикселя nx×ny составляет 320×256, размер пикселя p составляет 30×30 мкм, а параметры конструкции оптической системы показаны на рис. Таблица 1.

То есть диагональное круговое поле зрения составляет 2,34°.

Структуры инфракрасных оптических систем включают пропускающие, отражающие и катадиоптрические структуры. Благодаря небольшому количеству дополнительных материалов и 100% совпадению группы пропускающих линз с холодным экраном передняя линза имеет большой диаметр, большой объем и вес, но ее относительно легко обрабатывать и регулировать. Он подходит для малых и средних диаметров, среднего и низкого разрешения и больших полей зрения.

Отражающая система не имеет хроматических аберраций, но поле зрения сравнительно невелико, а монтаж и регулировка сравнительно невелики. Сложный, подходит для средней и большой диафрагмы, среднего высокого разрешения, небольшого поля зрения; катадиоптрическая система обладает преимуществами первых двух: сильная способность коррекции аберраций, компактный размер, может обеспечить 100% совпадение холодного экрана посредством вторичной визуализации, для среднего и большого калибра, среднего и высокого разрешения, среднего поля зрения.

Учитывая приведенный выше сравнительный анализ в сочетании с требованиями к загрузочной платформе БПЛА к объему, весовому ресурсу и дальности обнаружения прибора, в системе подбирается катадиоптрическая оптическая структура, при этом учитываются стоимость и цикличность. обработки, контроля и сборки, для применения холодильных детекторов в оптической схеме предложена катадиоптрическая оптическая структура, упрощающая основную оптическую форму.

Во многих источниках оптическая система катадиоптрической инфракрасной камеры имеет структуру, состоящую из двухзеркальной основной системы и группы корректирующих линз. Оптическая конструкция обычно сначала решает первоначальное решение двухзеркальной структуры, а затем добавляет группу линз для оптимизации.

Установите коэффициент затемнения и тип аберрации, которую нужно исправить, установите соответствующий коэффициент аберрации равным нулю, определите радиус кривизны, конический коэффициент и межцентровый интервал главного и вторичного зеркал, а затем увеличьте масштаб исходной конструкции Возможно исполнение двухзеркальной системы.

В широко используемой катадиоптрической системе основная оптика представляет собой кассетную структуру, корректирующую сферическую аберрацию и кома-аберрацию, а главное и вторичное зеркало представляют собой гиперболоиды.

За ним добавляется группа корректирующих линз, причем группа корректирующих линз обычно имеет сферическую форму. Система упрощает широко используемую складную систему с учетом объема и веса, сложности сборки и регулировки, стоимости разработки и условий использования.

Упрощенная катадиоптрическая система состоит из складчатой основной системы Ньютона и группы корректирующих зеркал. Главное зеркало основной системы упрощено до параболоида, вторичное зеркало упрощено до плоского зеркала, причем вторичное зеркало не имеет мощности только для сложенного оптического пути, который добавляется в группу корректирующих зеркал. Мы можем добавить асферику, чтобы исправить внеосевые аберрации.

Упрощенная принципиальная схема оптического пути складчатой первичной системы Ньютона представлена на рисунке 2, где h₁и ч₂— высоты главного и вторичного зеркала света на краю центрального поля зрения соответственно.

я₂и я₂' — расстояние до объекта и расстояние до изображения вторичного зеркала, а F₁' — фокусное расстояние главного зеркала, R₀₁— центральный радиус кривизны главного зеркала, R₂— радиус кривизны вторичного зеркала, d — интервал между главным и вторичным зеркалами, α — коэффициент блокировки вторичного зеркала, β — увеличение вторичного зеркала. Для упрощенной системы справедливы следующие выражения:

Рис.2 Упрощенная принципиальная схема основной складной системы Newton

Исходными этапами решения конструкции системы являются: 1) задание мощности основной оптики и корректирующей линзы, определение f1' и определение центрального радиуса кривизны R01 главного зеркала по формуле (4); (2) Установите коэффициент блокировки α по формуле (5) Решите интервал d главного и вторичного зеркал; (3) Предварительно назначьте оптическую силу группы корректирующих линз и установите расстояние до объекта группы корректирующих линз.

(1) Нет необходимости создавать компенсационные зеркала или голограммы для обработки и настройки параболического главного зеркала. Установка и настройка основной оптической системы – это в основном безнапряженная установка главного параболического зеркала. Обнаружение и настройка относительно просты, стоимость разработки невелика, а цикл разработки короткий.

(2) Переместите асферическую поверхность на линзу группы корректирующих линз и используйте для обработки технологию одноточечного алмазного точения. Процедуры обработки и затраты на вращательно-симметричную асферическую поверхность и сферическую поверхность в основном одинаковы, а точность формы поверхности линзы малого диаметра высока.

(3) Выходной зрачок оптической системы находится за группой корректирующих линз и соединен с холодным экраном детектора для достижения 100% совпадения с холодным экраном, уменьшения влияния теплового фона и повышения чувствительности.

(4) Группа корректирующих зеркал находится между главным и вторичным зеркалами, фокальная плоскость системы находится рядом с главным зеркалом, а компоненты охлаждения детектора и установочные детали находятся на задней стороне главного зеркала, что полезно для сокращения объем камеры и установка детектора.

Вышеуказанные преимущества подходят для быстрой серийной разработки легких, небольших и компактных систем.

Введите исходную структуру в программу. Для простоты группа корректирующих линз разделена на положительную, отрицательную, отрицательную и положительную силу, а 19,8 мм перед сердечником детектора (где находится холодный экран) устанавливается как выходной зрачок (или СТОП). системы.

Отредактируйте функцию преимущества, чтобы контролировать толщину линзы, интервал, фокусное расстояние, искажение и качество изображения и т. д., а также попробуйте управлять входным зрачком для выполнения трассировки лучей возле главного зеркала. Результаты проектирования представлены в таблице 2.

Рис.3 2D-планировка

Как показано на рисунке 4, значения MTF каждого поля зрения в спектральном диапазоне 8–12,5 мкм близки к значению, ограниченному дифракцией на частоте Найквиста, все они превышают 0,4; искажения системы составляют менее 2,8% во всем поле зрения.

Анализ допусков предназначен для обеспечения прецизионного контроля контрольных значений для обработки оптико-механических деталей и сборки компонентов. Система задает форму поверхности, эксцентриситет и наклон поверхности, эксцентриситет и наклон элемента, толщину центра и интервал оптической линзы, устанавливает переменную компенсации фокальной плоскости, получает наиболее чувствительные параметры посредством случайного анализа Монте-Карло и настраивает чувствительные параметры для сделать Монте-Карло Анализ Лоу привел к сокращению переписки менее чем на 15%.

Проведен анализ допусков всей системы, а чувствительные элементы допусков перечислены в Таблице 3. Децентрация поверхности (TSD) и наклон (TST) изогнутой третьей линзы более чувствительны, на что следует обратить внимание во время анализа. разработка оптико-механических систем. Остальные неуказанные допуски являются более общими.

Без терморегулирования рабочая температура окружающей среды бортового оптоэлектронного блока БПЛА составляет около –40 ~ 60 ℃. Однако, учитывая стоимость и объемные ресурсы, предоставляемые оптической системе оптоэлектронным блоком, схема теплового расчета выглядит следующим образом: первичный тепловой контроль в сочетании с адаптивной оптической схемой в ограниченном температурном диапазоне. То есть температура в фотоэлектрическом блоке контролируется в пределах от 15 до 25 ℃ посредством первичного терморегулирования (радиальная разница температур составляет менее 2 ℃, а осевая разница температур составляет менее 5 ℃).

В этом температурном диапазоне температурный дрейф поверхности изображения прибора необходим для удовлетворения требований пространственного разрешения без фокусировки. Таким образом, легче достичь предварительного теплового контроля, что не только снижает нагрузку на оптическую систему, но и снижает стоимость, а производительность системы может соответствовать требованиям заявки на получение кредита.

Группа корректирующих линз может эффективно рассеивать разницу тепла в указанном выше диапазоне рабочих температур за счет подбора материалов и распределения оптической мощности и отличается простой конструкцией, малым весом и объемом.

Оптомеханический материал основной системы выполнен из алюминия, в группе корректирующих линз используются четыре линзы из германия, селенида цинка, германия и германия, а оправа линзы изготовлена из алюминия. Схема адаптации камеры к окружающей среде заключается в использовании первичного термоконтроля и оптической адаптивности в ограниченном температурном диапазоне. Взвесьте объемные ресурсы, предоставляемые оптоэлектронным блоком оптической системе, и контролируйте температуру в оптоэлектронном блоке от 15 до 25 ° C посредством первичного термоконтроля.

Заготовка основного зеркала системы и конструкция камеры изготовлены из алюминия, а масса камеры составляет 1,8 кг (включая детектор). Эталонная температура установлена на уровне 20 °C, радиальная разница температур составляет 2 °C, а осевая разница температур составляет 5 °C. Все оптические передаточные функции превышают 0,3 на частоте Найквиста, как показано на рис. 6 (а). Кроме того, все передаточные функции, соответствующие температурным точкам на обоих концах программного моделирования при 15 ° C и 25 ° C, превышают 0,33, как показано на рис. 6 (b) и (c).

Рис.6 Моделирование передаточной функции

Зеркала основной системы и линзы корректирующей группы зеркал обработаны по технологии одноточечного алмазного точения (SPDT) [12-14]. Главное зеркало и вторичное зеркало в первичной оптике изготовлены из оптического алюминия Т6061, как показано на рисунке 7.

После токарной обработки и полировки точность формы поверхности еще больше повышается: оба показателя лучше, чем λ/20 при 632,8 нм; Все линзы представляют собой вращательно-симметричные сферические или асферические поверхности. Заготовка зеркала изготавливается из селенида германия или цинка. Инфракрасный материал с небольшой апертурой легко обрабатывается, а точность формы поверхности лучше, чем 1/20λ при 632,8 нм.

Рис.7 Главное и вторичное зеркала

На голографической плоскости выбирали 9 точек и рассчитывали ФПМ по формуле (7) по значению DN целевого изображения. Передаточная функция детектора рассчитана как 0,6, а учитывая, что щель немного шире, оптическое MTF системы может достигать 85% от расчетного значения, что находится в пределах допустимого диапазона.

Площадка эксперимента по визуализации местоположения системы находится на девятом этаже здания, время проведения эксперимента — зимний вечер. Схема визуализации системы показана на рисунке 10. Точка а на сцене — жилой дом на расстоянии 2 км, с четкими очертаниями и точными деталями; точка б — трубопровод жилого дома на расстоянии 1 км, масштабом около 0,1 м, который четко различим; черная точка c в левом нижнем углу изображения — наружный блок кондиционера зимой, а черная часть в правом верхнем углу — небо.

Рис.10 Изображение сцены

С учетом требований инфракрасного обнаружения миниатюрных оптоэлектронных блоков, устанавливаемых на БПЛА, была спроектирована и разработана система длинноволновой инфракрасной оптической визуализации для применения в детекторах охлаждения. Ньютоновская складчатая структура заменяет обычно используемую кассетную структуру, а коррекция качества изображения большего поля зрения реализуется за счет упрощения конструкции основного телескопа и добавления асферической поверхности в группу корректирующих зеркал.

Основная система имеет полностью алюминиевую оптико-механическую конструкцию, а оптические компоненты всей системы обрабатываются с помощью технологии одноточечной алмазной обработки, что снижает сложность обработки, сборки, разработки и затрат на разработку; 100% эффект холодного экрана реализуется за счет вторичного изображения, которое уменьшает инфракрасный тепловой фон, что полезно для повышения чувствительности системы. Оптическая система отличается небольшими размерами, компактной конструкцией и отличным качеством изображения.

Итоговые результаты монтажных и пусконаладочных испытаний системы показывают, что качество изображения соответствует проектным ожиданиям и соответствует требованиям технических показателей проекта. Данная работа имеет определенное справочное значение для проектирования и разработки компактной инфракрасной оптической системы инфракрасного обнаружения, аналогичной миниатюрному оптико-электронному блоку БПЛА.

Мы являемся опытным производителемОптико-электромеханические компоненты, предназначенная для предоставления пользователям разнообразных высококачественных инфракрасных тепловизионных линз. Мы ставим потребности клиентов на первое место и всесторонне контролируем качество нашей продукции. По этой причине мы оснащены строгой системой контроля качества для контроля проектирования, производства и экспорта продукции. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных тепловизионных линзах, немедленно свяжитесь с нами!

Авторы: Хао Сиюань, Се Цзянань, Вэнь Маосин, Ван Юэмин, Юань Лиинь

Дата поступления: 17.01.2020; Дата пересмотра: 08 февраля 2020 г.

Источник журнала: Том 49 № 9 Инфракрасная и лазерная техника, сентябрь 2020 г.

[1] Цао Иньци, Ци Юань, Чэн Ган и др. Разработка и ключевые технологии небольших фотоэлектрических блоков для военных дронов [J].Aircraft Missiles, 2019(3): 54-59. (на китайском языке)

[2] Чжоу Фэн, Лю Цзяньхуэй, Го Цзюнь и др. Анализ развития зарубежных бортовых инфракрасных систем раннего предупреждения [J]. Лазер и инфракрасное излучение, 2017, 47(4): 399-403. (на китайском языке)

[3] Ли Лэй, Сюй Юэ, Цзян Ци и др. Обзор зарубежной военной техники и технологий БПЛА в 2018 году [J]. Тактические ракетные технологии, 2019(2): 1-11. (на китайском языке)

[4] Гао Сифэн, У Пин, Хэ Манали и др. Оценка рабочего расстояния инфракрасной системы в сложных атмосферных условиях [Дж]. Инфракрасная и лазерная техника, 2008, 37(6): 941-944. (на китайском языке)

[5] Ши Гуанхуэй. Использование гауссовой оптики и теории аберраций третьего порядка для нахождения начального решения зум-объектива [J]. Китайская оптика, 2018, 11(6): 1047-1060. (на китайском языке)

[6] Чэнь Ли, Лю Ли, Чжао Чжичэн и др. Конструкция оптической системы с длиннофокусным коаксиальным четырьмя зеркалами [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2019, 48(1): 0118002. (на китайском языке).

[7] Бай Юй, Ляо Чжиюань, Ли Хуа и др. Проектирование и анализ системы атермального изображения для обнаружения складчатого отражательного средневолнового инфракрасного излучения [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2015, 44(2): 407-412. (на китайском языке)

[8] Цзян Кай, Чжоу Сичжун, Ли Ган и др. Безтермическая конструкция складной средневолновой системы масштабирования с двойным инфракрасным полем обзора [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2013, 42(2): 403-407. (на китайском языке)

[9] Сяо Гуанхуэй, Хао Пеймин. Конструкция оптической системы Ньютона без пластины коррекции мощности [J]. Прикладная оптика, 2008, 29(5): 753-757. (на китайском языке)

[10] Му Юнцзи, Мао Ицзян, Ху Минъюн. Конструкция группы зеркал для коррекции внеосевой параболической аберрации [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(6): 227-232. (на китайском языке)