Проектирование оптической системы двухдиапазонной/двухпольной панорамной аэрофотокамеры

Аэрокамеры — это точные оптические инструменты, установленные на самолетах для съемки земли. Они широко используются в борьбе с наводнениями, городском планировании, геодезии, картографии и других областях. Существует три основных типа аэрофотокамер: рамочные, телескопические и панорамные. По сравнению с предыдущими двумя, панорамная аэрофотокамера использует объектив обычного поля зрения для прохода через передний отражатель, то есть она может обеспечить съемку со сверхшироким полем зрения и получить больший объем информации.

Поскольку цель показывает разные оптические характеристики в разных диапазонах волн, для увеличения объема получаемой информации о цели и повышения точности ее обработки и интерпретации все шире применяются многодиапазонные аэрофотокамеры. Разработка многодиапазонных оптических систем началась в зарубежных странах очень рано. В настоящее время широко используются всепогодные аэрофотокамеры видимого/инфракрасного диапазона. Отечественные исследования технологии двухдиапазонной визуализации в видимом свете/инфракрасном диапазоне начались поздно, и исследования в основном были сосредоточены на аэрофотокамерах рамочного типа. В структуре системы в основном используется первичная оптическая система с общей апертурой Кассегрена и используется светоделитель для реализации двухдиапазонного разделения луча. Сообщений об исследованиях двухдиапазонных панорамных аэрофотокамер мало. Кроме того, для повышения гибкости и точности воздушной разведки также растет спрос на аэрофотокамеры с двойным полем зрения. Он может удовлетворить потребности различных высот полета в наземном покрытии и обеспечить поиск целей в большом поле и точное наблюдение за целями в небольшом поле.

В этой статье разработана двухдиапазонная оптическая система формирования изображения в видимом/инфракрасном диапазоне с двойным полем зрения для панорамных аэрофотокамер. Оптическая система имеет преимущества компактной конструкции, небольшого объема, легкого веса и низкой стоимости.

1. Оптический принцип двойного увеличения поля зрения

При зумировании соблюдается принцип обмена изображениями объектов, который изменяет фокусное расстояние всей системы за счет движения группы линз в оптической системе, обеспечивая хорошее качество изображения в большом и малом полях зрения и неизменность положения плоскости изображения. . Как показано на рисунке 1, для любой линзы или группы линз в оптической системе при ее перемещении из положения А в положение Б можно гарантировать, что сопряженное расстояние останется неизменным, а увеличение изменится. Масштабирование двухпольной системы соблюдает принцип обмена изображениями объектов.

Рисунок 1:

2 Конструкция оптической системы камеры

2.1 Индекс оптической конструкции

Основные показатели оптической конструкции приведены в таблице 1.

2.2 Выбор и расположение оптической системы

Существует три типа структур оптических систем: рефракционная, катадиоптрическая и отражательная. Что касается разработки оптических систем с двойным полем изображения в видимом свете/инфракрасном диапазоне, в Китае в основном используются катадиоптрическая оптическая система Кассегрена и оптическая система полного отражения. Однако эти два типа систем могут иметь только небольшой угол поля зрения. Системы большого поля зрения инфракрасного и видимого света в данной статье имеют большой угол обзора, поэтому они не рассматриваются. Преломляющая оптическая система имеет преимущества большого поля зрения и высокого качества изображения. Поэтому в этой статье принята структура преломляющей оптической системы, а плоское зеркало соответствующим образом используется для складывания оптического пути и облегчения миниатюризации.

Методы масштабирования оптической системы включают масштабирование по осевому движению, а также масштабирование с врезкой и вырезом. Поскольку метод масштабирования с вырезами и вырезами требует большого конструктивного пространства, применяется метод масштабирования с осевым перемещением. Холодная диафрагма охлаждаемого инфракрасного детектора настроена на устранение интерференции постороннего света за пределами поля зрения. В оптической схеме необходимо учитывать соответствие выходного зрачка и холодной диафрагмы для обеспечения 100% эффективности холодной диафрагмы, что реализуется за счет непосредственного использования холодной диафрагмы в качестве апертурной диафрагмы или размещения выходного зрачка оптической системы на холодной. диафрагму, сохраняя при этом ее размер, соответствующий размеру холодной диафрагмы. Кроме того, чтобы избежать слишком большой апертуры оптических частей при длинном фокусе, апертура оптических частей сжимается посредством вторичной визуализации, а в плоскости первичного изображения устанавливается полевая диафрагма для подавления рассеянного света.

2.3 Схема оптимизации оптической системы

Теория гауссовой оптики используется для разумного распределения оптической мощности. После расчета исходной структуры программное обеспечение для оптического проектирования Zemax используется для задания граничных условий и оптимизации исходной структуры. Чтобы создать компактную оптическую систему, как инфракрасная, так и видимая световая система используют оптическую фокальную структуру «положительный-отрицательный-положительный». Передняя фиксированная группа и задняя фиксированная группа являются положительными группами линз, а группа масштабирования — отрицательной группой линз. В оптическом пути системы для уменьшения объема инфракрасная система использует три зеркала для складывания оптического пути, а система видимого света использует два зеркала для складывания оптического пути.

Чтобы облегчить коррекцию внеосевых аберраций и сохранить неизменным размер апертурной диафрагмы на больших и малых полях зрения, переключение с учетом передних и задних размеров оптической системы, апертурных диафрагм инфракрасной системы и видимого света системы располагаются ближе к середине оптического пути и перед задней группой крепления. Осевые аберрации корректируются за счет использования линзы вблизи положения изогнутого диафрагменного ограничителя, при этом поверхность линзы с большим углом падения света изгибается в сторону ограничителя для уменьшения серьезных аберраций. Чтобы уменьшить количество линз в инфракрасной системе, улучшить коэффициент пропускания и получить удовлетворительное качество изображения, в инфракрасной системе используются три асферические поверхности высокого порядка на задней поверхности линзы 2, передней поверхности линзы 3 и задней поверхности. поверхность линзы 4 для балансировки осевой сферической аберрации и кривизны поля.

Чтобы обеспечить канал подачи материала, в материалах линз инфракрасной системы обычно используются монокристаллические селениды германия, кремния и цинка, а материалы линз системы видимого света выбираются из материалов с высокой частотой и отличными характеристиками, производимых Чэнду Гуанмин.

3 Заключение

В данной работе спроектирована оптическая система двухпольного изображения в видимом/инфракрасном диапазоне для панорамных камер воздушной разведки, приведены подробные показатели оптической конструкции и проанализирована структура проектируемой оптической системы. Оптические системы двойного поля видимого света и инфракрасного излучения можно объединить с помощью зеркала сканирования наземных объектов и спектроскопа. Результаты проектирования показывают, что качество изображения оптической системы близко к дифракционному пределу, что может удовлетворить практические потребности техники.

Quanhom Technology Co., LTD является профессиональным поставщиком инфракрасных линз с двойным полем зрения . Наши команды преодолевают разрыв между превосходной производительностью и ограниченным бюджетом. Примечательно, что мы участвовали в проектах, в которых интегрированы высокоточные продукты, включая инфракрасные оптические сборки VIS/SWIR/MWIR/LWIR, окуляры, элементы инфракрасных линз (от одиночного поля обзора до быстрого переключения). несколько полей обзора и инфракрасный объектив с непрерывным масштабированием) и многое другое по всему миру. Если необходимо, пожалуйста, свяжитесь с нами .

Рекомендации

[1] HE FY, CUI JC, FENG SL и др. Анализ Нарцисса для охлаждаемой ИК-системы наблюдения [C] // Материалы SPIE 6722, 3-го международного симпозиума по передовым технологиям оптического производства и тестирования: передовые технологии оптического производства. Чэнду: SPIE, 2007.

[2] Тан Тяньцзинь, Ли Янь. Двухдиапазонная оптическая система с общей апертурой для инфракрасной камеры [J]. Прикладная оптика, 2015, 36(4): 513–518.

[3] Ван Пин, Чжан Гоюй, Гао Юйцзюнь и др. Оптико-механическая конструкция двухдиапазонной камеры воздушной разведки видимого и инфракрасного диапазона [J]. Китайский журнал машиностроения, 2012, 48 (14): 11–16.

[4] Бай Юй, Ляо Чжиюань, Ляо Шэн и др. Термализованная инфракрасная двухдиапазонная оптическая система с общей апертурой [J]. Оптическая точная инженерия, 2016, 24(2): 268–277.

[5] Линь Чжаохэн, Тан Юн, Дун Пин и др. Проектирование оптической системы компонентов переменной кратности прицелов [J]. Журнал электронных измерений и приборов, 2008, 22(S1): 207–211.

[6] Тянь Тиеинь, Ван Хун, Гу Фэнгань и др. Конструкция оптической системы трехлинейной стереокартографической камеры [J]. Оптическая точная инженерия, 2009, 17 (11): 2692–2698.

[7] ПОЛЛИКА Нью-Джерси, АЛЕКСЕЙ С. Широкоугольная катадиоптическая оптика для широкополосных приложений [C] // Труды SPIE 8704, инфракрасные технологии и приложения XXXIX. Балтимор, Мэриленд: SPIE, 2013.

[8] Чжан Хуавей, Чжан Цзиньван, Лю Сюцзюнь и др. Оптическая схема охлаждаемого объектива инфракрасной камеры с большой относительной апертурой [J]. Инфракрасные технологии, 2015, 37(2): 124–129.

[9] Гао Цзиньхун, Фу Юэган, Лю Чжиин и др. Проектирование 30-кратной охлаждаемой средневолновой термализованной инфракрасной оптической системы с зумом [J]. Применение оптоэлектронных технологий, 2013, 28(2): 13–17.

[10] Сюй Лэй. Проектирование оптической системы и оценка качества изображения цифровых аэрофотокамер [J]. Оптические инструменты, 2009, 31(4): 30–33.