Разработка компактной инфракрасной оптической системы с высоким коэффициентом масштабирования

Нацеленность на различные проблемы, существующие в обычно используемых структурах масштабирования при реализации крупномасштабного непрерывного масштабирования. На основе базовой теории проектирования системы масштабирования предлагается двухступенчатая серийная модель с переменным увеличением, которую можно использовать при проектировании оптической системы с большим переменным коэффициентом увеличения, а также соответствующее уравнение масштабирования, а также оптимальные условия управления и методы для проектирования кривой кулачка. дано.

Модель состоит из двухэлементной передней группы с непрерывным масштабированием и последовательно соединенной задней группы вторичного изображения с функцией переменного увеличения. Первая группа масштабирования и группа компенсации в передней группе перемещаются; группа компенсации и вторая группа масштабирования перемещаются.

Вторичная группа масштабирования в группе формирования изображения выполняет вторичное увеличение фокусного расстояния передней группы, чтобы расширить возможности масштабирования всей системы формирования изображений. В то же время группа вторичной визуализации также сжимает апертуру объектива, чтобы обеспечить согласование холодного стопа.

Завершена разработка большой оптической системы с непрерывным масштабированием и переменным коэффициентом масштабирования. Рабочая полоса системы составляет 3,7 ~ 4,8 мкм. Он использует матричный детектор с охлаждающей поверхностью 640x480, размер пикселя составляет 15 мкм, число F постоянно равно 4, и он может достигать горизонтального угла обзора 6,5-455 мм. Функция непрерывного масштабирования 0,92°–58,2°, до 70 раз, использует только два материала, десять линз и общую длину 300 мм. Он имеет превосходное качество изображения и характеристики допуска.

Верхний предел увеличения двухэлементной зум-оптической системы составляет около 50 раз. Если оно превышает это значение. При осевом перемещении зум-группы изменение угла света на поверхности объектива вызовет большие аберрации, что сложно.

Исправление: использование трехкомпонентной или более компонентной структуры связи может обеспечить больший коэффициент масштабирования, но в конструкции многогрупповой системы связи устранение точек увеличения масштаба, а также проектирование и обработка сложных кулачковых кривых реализованы инженерно-техническими методами. большие трудности. В то же время метод многогрупповой связи также снижает надежность всей системы визуализации.

Кроме того, коэффициент масштабирования инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием, широко используемой в последние дни, составляет около 30 раз. Существуют распространенные проблемы, такие как большой ход зума и длительное время переключения поля зрения. Трудно контролировать скачок зрительной оси при масштабировании, что сильно ограничивает широкое распространение такого рода оборудования.

В ответ на вышеупомянутые проблемы в статье принята идея двухступенчатого масштабирования, основанная на теории проектирования системы масштабирования, и изложена реализация компактной и большой оптической системы с непрерывным масштабированием, которую можно использовать в качестве эталона для проектирование подобных больших систем масштабирования.

Чтобы облегчить обсуждение, в статье для описания рассматриваемых моделей используется теория тонкой линзы.

На рисунке 1 показана принципиальная схема двухступенчатой модели масштабирования серии. Вся оптическая система состоит из последовательно соединенных двухэлементной передней группы с непрерывным зумом и задней группы вторичного изображения с функцией переменного увеличения.

Рис.1 Схематическая схема конструкции двухступенчатого зум-объектива

Передняя группа использует традиционную двухэлементную структуру масштабирования для реализации масштабирования первого уровня оптической системы: во всем процессе масштабирования первого уровня участвуют только две движущиеся группы группы масштабирования и группы компенсации, а также традиционный кулачок. Можно использовать рукавный механизм. Соблюдайте требования к структурному проектированию, чтобы обеспечить осуществимость системы.

При приближении к определенному положению группа трансфокаторов перестает двигаться, и оптическая система переключается на второй трансфокатор: компенсационная группа и вторая группа трансфокаторов спроектированы в соответствии с конструкцией хорошего регулярного движения для достижения вторичного трансфокатора на фокусном расстоянии объектива. передняя группа.

В это время. Благодаря правильной обработке кривая движения каждой динамической группы может плавно переходить с кривой в процессе масштабирования на первом этапе, выполненной на том же механизме с кулачковой втулкой. Снижается сложность обработки и контроля; движение группы масштабирования второй ступени может быть ограничено отдельной кулачковой втулкой или направляющим механизмом ходового винта и имеет функцию фокусировки всей оптической системы с помощью подходящего механизма управления.

Таким образом, благодаря двухэтапному методу последовательного масштабирования каждый этап процесса масштабирования имеет только два движущихся компонента, что улучшает возможности коррекции аберраций всей оптической системы, позволяет избежать слепых зон изображения в процессе масштабирования и упрощает конструкцию Кривая кулачка Этот процесс обеспечивает большое удобство для реализации оптико-механической структуры.

Метод дифференциального уравнения масштабирования используется для описания модели проектирования, состоящей из двух этапов последовательно, для достижения большого коэффициента масштабирования. В расчетной модели группа компенсации участвует во всем процессе первого и второго этапов масштабирования, а группа масштабирования и группа масштабирования второго этапа участвуют в первом и втором процессах масштабирования соответственно.

Поэтому в процессе проектирования кривой кулачка возьмите группу компенсации в качестве активной группы, группу масштабирования и вторичную группу масштабирования в качестве ведомой группы и установите фокусное расстояние группы масштабирования как f'.₂, кратность увеличения m₂, а осевое перемещение как △₂; фокусное расстояние компенсационной группы после f'3, увеличение м₃, а осевое перемещение △₃; фокусное расстояние вторичной группы масштабирования равно f'₄, а увеличение м₄.

Для процесса масштабирования первого уровня он реализуется посредством связи группы масштабирования и группы компенсации, то есть:

Учитывая начальные условия, используя несколько методов решения уравнений (1) и (4), распределение оптической мощности каждого компонента и соответствующее увеличение можно получить в условиях переменного увеличения первой и второй ступени.

Кривая движения, а кривая движения каждого компонента решена по сечениям, что гарантирует непрерывность кривой, и не будет здесь повторяться. Однако сегментированное решение не может гарантировать время переключения двухступенчатого зума, и плавный переход кривой движения необходимо рассматривать отдельно.

В качестве примера возьмем сглаживание двух участков кривой масштабирования (включая кривую движения масштабирования первого уровня и статическую прямую линию масштабирования второго уровня). Чтобы обеспечить плавный переход кривой, необходимо, чтобы наклоны двух участков кривой в момент переключения уровня масштабирования были равны, то есть:

Где: м₂₂≠0. Если ты хочешь это сделать, м₃₃-1=0, и учитывая, что m₃=1 бессмысленно, видно, что взяв m₃=-1 может обеспечить плавный переход двухуровневой группы масштабирования во время переключения двухуровневого масштабирования.

То же самое можно доказать: когда m₃=-1,

В настоящее время плавный переход двухуровневого масштабирования может быть гарантирован при переключении двухуровневого масштабирования.

Кроме того, чтобы обеспечить плавность кривой, необходимо обеспечить процесс масштабирования первого уровня. Кривые движения группы масштабирования и группы компенсации плавные и непрерывные, т. е. необходимо обеспечить, чтобы в момент m₃=-1, the zooming group magnification |m₂|＜ 1.

Если короткое положение фокуса принимается в качестве отправной точки, коэффициенты увеличения группы масштабирования и группы компенсации в коротком положении фокуса устанавливаются равными m._{2 с}И м_{3 с}, а формула (1) решается интегрированием, и можно получить увеличение группы масштабирования:

Подставив м₃=-1 в формулу (8), можно получить увеличение m2 группы переменного увеличения во время переключения порядка переменного увеличения. В это время, если м₂<-1 найдено, значение можно изменить на m_{3 с}или м_{2 с}make adjustments to satisfy |m₂|≤1.

Пример конструкции выбран для обсуждения и объяснения вышеуказанного метода. В примере конструкции используется охлаждаемый детектор фокальной плоскости среднего инфракрасного диапазона 3,7 ~ 4,8 мкм, размер элемента изображения составляет 640 × 480, размер пикселя — 15 × 15 мкм, а длина диагонали — 12 мм. Конкретные показатели проектирования приведены в таблице 1.

Структура первичного переменного увеличения оптической системы принимает форму положительной групповой компенсации; передняя фиксированная группа с положительной оптической силой представляет собой монолитную структуру, в которой используется кремниевый материал со слабой дисперсионной способностью, принимающий на себя основную оптическую силу; Принимая во внимание большой коэффициент масштабирования, аберрации длинного и короткого фокусного положения системы сбалансированы, а в группе переменного увеличения с отрицательной преломляющей силой также используется кремний со слабой дисперсионной способностью.

Это гарантирует, что в течение всего движения зум-группы она не будет вносить слишком много хроматических аберраций в короткое фокусное положение и сжимать угол падения света на поверхность задней группы, уменьшая давление аберрации задней группы. коррекция.

Группа компенсации имеет типичную трехкомпонентную структуру, состоящую из кремния-германия-кремния в соответствии с распределением оптической мощности положительно-отрицательно-положительно, и независимо корректирует хроматическую аберрацию, сферическую аберрацию, кому и т. д. группы линз.

В основном функционирует средняя группа фиксированных линз, функция полевой линзы заключается в сжатии ширины луча и уменьшении объема группы линз вторичного изображения; Группа вторичных зум-объективов имеет положительную преломляющую силу, имеет двухкомпонентную структуру, представляет собой комбинацию двух материалов кремния и германия, а также независимо устраняет зеркало. Первичные аберрации внутри группы.

Используя программное обеспечение Code V для оптимизации и анализа указанной выше оптической системы, на рисунке 2 показаны результаты оптимизации компактной оптической системы с непрерывным масштабированием в среднем инфракрасном диапазоне с большим коэффициентом масштабирования и соответствующая оценка MTF. В системе используются только два инфракрасных материала, кремний и германий, и всего 10 линз.

Общая длина оптической системы от поверхности оптической системы, близкой к стороне объекта, до фокальной плоскости составляет 300 мм, максимальный диаметр одиночной линзы - менее 112 мм, а максимальный коэффициент искажения зума - менее 5. %.

Рис.2. Результат расчета и соответствующие характеристики MTF компактной оптической системы MWIR с высоким коэффициентом масштабирования.

Частота среза спроектированной оптической системы в каждом положении фокусного расстояния составляет 33 1p/мм, а MTF центрального поля зрения больше 0,28. Передаточная функция каждого поля зрения имеет хорошее распределение, что указывает на хорошее качество изображения системы, что доказывает осуществимость описанного выше метода расчета.

Используйте скомпилированную макропрограмму для оптимизации конструкции кривой кулачка готовой компактной оптической системы с непрерывным зумом в среднем инфракрасном диапазоне и большим коэффициентом масштабирования. На рисунке 3 представлена схематическая диаграмма кулачковой кривой оптимизированной системы масштабирования. Видно, что весь процесс компенсации масштабирования системы масштабирования плавный, без точек перегиба.

При этом коэффициент отражения каждой поверхности 0,01, средняя температура оптико-механической конструкции 20°С, температура фона сцены обнаружения 20°С, температура внутри детектора Дьюара -195,86°С, и принята разница температур, вызванная нарциссом (NITD). Оценка характеристик холодного отражения вышеупомянутой системы масштабирования показывает, что вся оптическая система при коротком фокусном положении NITD≤2,85K; в длинном фокусе NITD≤0,92K, что соответствует требованиям инженерных приложений.

Рис.3 Кривая кулачка оптической системы MWIR с большим коэффициентом масштабирования

Требования к допускам следующие: допуск показателя преломления материала ± 0,001, допуск числа Аббе ± 0,002; допуск радиуса кривизны ± 0,02 мм; допуск по толщине и эксцентриситету ± 0,02 мм; допуск наклона ± 1 фут.

Компоненты и компоненты интегрированы с корпусом объектива, а допуск на интеграцию: допуск на эксцентрик ± 0,02 мм, допуск на наклон ± 1 фут; и используйте двухступенчатую группу масштабирования в качестве компенсации регулировки. При этом с вероятностью более 90% при частоте среза 331p/мм центральное поле зрения MTF≥0,22, а краевое поле зрения MTF≥0,17. Существующий уровень обработки и сборки может полностью удовлетворить проектные требования системы.

Анализ и обобщение двухэлементной структуры масштабирования при реализации оптической системы с большим коэффициентом масштабирования для решения нескольких задач на этой основе излагают двухступенчатую структуру масштабирования метода реализации оптической системы с непрерывным масштабированием с большим коэффициентом масштабирования, а также распределение обсуждаются мощность каждого компонента и сглаживание кривой движения компонента в процессе проектирования, что обеспечивает новый способ реализации большой системы масштабирования.

В качестве примера была разработана компактная оптическая система с непрерывным зумом и большим коэффициентом масштабирования в среднем инфракрасном диапазоне. Система использует только два инфракрасных материала, кремний и германий, для достижения функции непрерывного масштабирования с фокусным расстоянием от 6,5 до 455 мм и до 70 раз. Кроме того, система имеет небольшой размер, компактную структуру, высокий коэффициент пропускания и хорошее качество изображения и характеристики допуска. Ожидается, что он будет широко использоваться в системах раннего предупреждения, наблюдения, слежения, мониторинга и других областях. Пример проектирования также показывает, что метод можно использовать для проектирования оптической системы непрерывного масштабирования с большим коэффициентом масштабирования и аналогичными требованиями.

Куанхом имеет многолетний опыт исследованияинфракрасные объективы с непрерывным зумоми в определенной степени может предоставить вам профессиональный совет.

Являясь ведущим производителемОптико-электромеханические компонентыУ нас есть профессиональная и опытная профессиональная команда, которая постоянно разрабатывает первоклассные новые инфракрасные технологии и имеет многолетний опыт разработки сложных инфракрасных оптических продуктов. Наши высококачественные тепловизионные инфракрасные линзы (LWIR, MWIR и SWIR) хорошо принимаются пользователями, а наш продуманный комплексный сервис также завоевал похвалу и доверие многих клиентов. Если вы хотите купить наш инфракрасный объектив с непрерывным зумом, немедленно свяжитесь с нами!

Авторы: Цюй Жуй, Мэй Чао, Ян Хунтао, Цао Цзяньчжун, Чжао Янь

Источник журнала: Том 46 № 11 Инфракрасная и лазерная техника, ноябрь 2017 г.

Дата получения: 12 марта 2017 г. Дата редакции: 17 апреля 2017 г.

[1] Эллис И.Б., Джеймс Б.К., Иэн А.Н. и др. Система зум-объективов: США, 6969188 B2[P]. 29 июля 2005 г.

[2] Нил И.А. Проблемы оптимизации в конструкции зум-объектива [C]//SPIE, 1997, 3129: 158-180.

[3] Синклер Р. Л. Зум-объективы с большим увеличением для применений 3–5 мм [C] //SPIE, 2004, 3429: 11-18.

[4] Арон И., Бубис И., Шабит Р.Т. Новая конструкция атермализованного зума с большим увеличением 1:30 в MWIR [C] //SPIE, 2004, 5406: 97-106.

[5] Хён Сук Ким, Чан У Ким, Сок Мин Хон и др. Компактная средневолновая инфракрасная камера с зумом, диапазоном масштабирования 20:1 и автоматической атермизацией [J]. Опт Энг, 2002, 41(7): 1661-1667.

[6] Чжоу Хао, Лю Ин, Сунь Цян и др. Оптическая система непрерывного масштабирования MWIR с увеличением 45 [Дж]. Журнал инфракрасных и миллиметровых волн, 2014, 33(1): 68-77.

[7] Ван Хайян, Ли Ли, Цзинь Нин и др. Разработка оптических систем непрерывного масштабирования MWIR с большим диапазоном масштабирования [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2013, 42(2): 398-402. (на китайском языке)

[8] Чжан Лян. Оптическая схема для системы зума среднего инфракрасного диапазона [J]. Журнал прикладной оптики, 2006, 27 (1): 32-34. (на китайском языке)

[9] Тао Чунькан. Конструкция оптической системы Zoom Focus [M]. Пекин: National Defense Industry Press, 1988 (на китайском языке).

[10] Ли К. Х. Вычисления первого порядка для построения изображений ИК-оптических систем [C] //SPIE, 2003, 5076: 123-129.

[11] Уоррен Дж. С. Современная оптическая техника: проектирование оптических систем [М]. Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc., 2008.

[12] Кингслейк Р., Джонсон Р. Б. Основы проектирования линз [М]. Берлингтон: Академик Пресс, 2010.

[13] Джозеф М. Г. Введение в проектирование линз на практических примерах ZEMAX [M]. Ричмонд: Willmann Bell Inc., 2002.

[14] Ван Чжицзян, Гу Пэйсен. Практическое руководство по оптическим технологиям [M]. Пекин: Machinery Industry Press, 2006. (на китайском языке).

[15] Ассоциация оптических исследований. Справочное руководство по коду V [M]. Пасадена: Ассоциация оптических исследований, 2009.