Структура инфракрасной оптической системы
Традиционные инфракрасные оптические структуры можно разделить на три типа: рефракционные , отражательные и катадиоптрические . Современные новые инфракрасные оптические структуры можно разделить на три типа: рефракционно-дифракционная гибридная система , внеосевая трехзеркальная система и оптическая система с двойным полем зрения .
1. Традиционная инфракрасная оптическая система — рефракционная
Рефракционная оптическая система может состоять из одной линзы или нескольких линз, при этом основными материалами линз являются германий, кремний, селенид цинка и халькогенидное стекло. Используя трехступенчатую визуализацию в рефракционных системах, можно спроектировать компактную оптическую систему.
Преимущества: стабильное качество изображения, низкий уровень рассеянного света, большое поле зрения.
Недостатки: относительно малая апертура, узкая рабочая полоса и аберрации.
Применение: Подходит для инфракрасных систем поиска и слежения для панорамирования и наклона в больших пространствах, оптоэлектронных турелей, инфракрасных контейнеров, инфракрасных искателей и других систем.
2. Традиционная инфракрасная оптическая система — отражательная
Отражательная оптическая система состоит из первичного зеркала и вторичного зеркала. Вторичное зеркало выпуклое, называется системой Кассегрена, вторичное зеркало вогнутое, называется системой Грегориана. По сравнению с рефракционными структурами, отражательная инфракрасная оптическая система требует меньше оптических элементов и использует принцип зеркального отражения для сгибания светового пути.
Преимущества: отсутствие хроматической аберрации, меньше элементов, малый вес, широкая рабочая полоса, легкость устранения разницы температур и т. д.
Недостатки: сложная обработка и сборка, малое поле зрения, слабая способность коррекции аберраций, может устранять только две аберрации одновременно (например, устранять сферическую аберрацию и кому одновременно)
Области применения: радиометры, тепловизоры переднего обзора, лидары, телескопы с большой апертурой, системы наведения ракет и т. д.
3. Традиционная инфракрасная оптическая система — катадиоптрическая
Катадиоптрическая оптическая система основана на сферических зеркалах в сочетании с преломляющими элементами. Поскольку первичное и вторичное зеркала в катадиоптрической оптической системе разделяют большую часть оптической фокусной силы, это способствует атермализованной конструкции. Кроме того, сложенный оптический путь уменьшает размер и массу линзы, делая длину системы короче ее фокусного расстояния.
Преимущества: компактная конструкция, относительно большая апертура, большое фокусное расстояние, хорошее качество изображения, способствует атермализации и т. д.
Недостатки: загромождение в центре, сложная проверка и регулировка.
Применение: может использоваться в инфракрасных оптических системах с большой апертурой и большим фокусным расстоянием, например, в противоинтерференционной конструкции инфракрасных головок самонаведения, инфракрасных оптических системах сопровождения и идентификации танковых целей и т. д.
4. Современная новая инфракрасная оптическая система — рефракционно-дифракционная гибридная система.
Рефракционно-дифракционная гибридная система представляет собой оптическую систему, которая объединяет дифракционные оптические элементы с рефракционными оптическими элементами. Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) изготавливаются с использованием методов микро-нано травления на поверхности линзы для травления бинарного оптического рисунка, создавая двумерное распределение дифракционных единиц, образуя двухповерхностную дифракционно-рефракционную линзу.
Преимущества: небольшой размер, легкий вес, большая свобода проектирования, множество переменных оптимизации, хорошее устранение тепловой и хроматической аберрации.
Применение: Двухдиапазонная оптическая система масштабирования предназначена для достижения масштабирования в различных диапазонах, обеспечивая большую гибкость и диапазон применения, а также подходит для сканирующих систем визуализации и передовых инфракрасных систем (FLIR).
※ DOE обычно можно разделить на формирование пучка, разделение пучка, структурированный свет, многофокусировку и другие специальные типы генерации пучка.
5. Современная новая инфракрасная оптическая система — внеосевая трехзеркальная система.
Конструкция внеосевых трехзеркальных оптических систем основана на гауссовой оптической теории. Конструкция начинается с коаксиальной трехзеркальной системы и достигает центральной системы без препятствий путем внеосевых апертур или поля зрения, или их комбинации.
Существует два основных метода решения проблемы блокировки центра: размещение апертуры на вторичном зеркале и наклон поля для избежания помех, при этом апертура остается на оси; или размещение апертуры на главном зеркале, при этом апертура находится вне оси.
Преимущества: отсутствие хроматической аберрации, отсутствие вторичного спектра, широкая рабочая полоса, легкость достижения большой апертуры, большое поле зрения, хорошие показатели термостойкости, простая конструкция, малый вес, эффективное решение проблемы центральной обструкции и предложение множества переменных оптимизации, улучшающих как поле зрения, так и качество изображения.
Области применения: исследование космоса, наземное дистанционное зондирование, авиация, космонавтика, освещение, дисплеи и другие области.
6. Современная новая инфракрасная оптическая система — система с двойным полем зрения
Существует два основных метода проектирования инфракрасных систем визуализации с двумя полями обзора: переключаемый тип (вставляемый) и аксиальное движение.
(1) Оптическая система переключаемого типа (вставляемая) : различные системы FOV будут переключать различные группы зум-объективов для изменения фокусного расстояния оптической системы. С ростом применения дифракционных элементов дифракционные элементы могут быть введены в инфракрасные оптические системы с двойным FOV для упрощения структуры системы, снижения веса и повышения компактности всей системы. Легкие системы зумирования переключаемого типа предлагают различные конфигурации, включая пропускающие, коаксиальные отражающие и внеосевые отражающие компоненты. Для удовлетворения требований высокоточного и высокоскоростного зумирования используются высокоскоростные вращающиеся двигатели и механические ограничители для вставки и удаления групп оптических линз.
Преимущества : быстрое переключение поля зрения, более высокая точность оптической оси и лучшая передача.
Недостатки : большие поперечные размеры, что приводит к менее компактной общей структуре и меньшей согласованности оптической оси.
（2） Оптическая система осевого движения : система изменяет фокусное расстояние, регулируя осевое расстояние групп линз. Когда движение компонента находится в положении сплошной линии, система находится в режиме широкого поля зрения с коротким эффективным фокусным расстоянием. И наоборот, когда находится в положении пунктирной линии, система находится в режиме узкого поля зрения с длинным эффективным фокусным расстоянием.
Преимущества: компактная и простая оптическая система, стабильная последовательность оптической оси.
Недостатки: размытие плоскости изображения при масштабировании, легко потерять отслеживаемый объект
Система двойного FOV на самом деле представляет собой двухскоростную систему зума с быстрым переключением FOV. В положении короткого фокуса большой FOV может искать цели на сцене; в положении длинного фокуса малый FOV может захватывать и наблюдать цели.
Применение: Подходит для двухдиапазонного наблюдения, передовых инфракрасных систем (FLIR), обнаружения и отслеживания целей. В практических приложениях широко применяется система осевого движения с двойным полем зрения из-за хорошего качества изображения и применимости.
Традиционные инфракрасные оптические системы разделяют общую характеристику простых структур. С непрерывным развитием инфракрасных систем были введены новые и более высокие требования, такие как большая апертура, большое фокусное расстояние, высокое пространственное разрешение и атермализация, что выявило ограничения традиционных систем.
Современные новые инфракрасные оптические системы включают новые технологии, такие как бинарная оптика, адаптивная оптика, рациональное использование асферических или дифракционных поверхностей или изменение существующей структуры системы. Крайне важно выбрать соответствующую новую инфракрасную оптическую структуру системы в соответствии с различными техническими требованиями в будущем.