Проектирование оптической системы LWIR Zoom с диапазоном масштабирования 20:1

Инфракрасная зум-оптическая система с диапазоном масштабирования 20:1 разработана на основе длинноволнового детектора QWIP 384×288. Рабочий диапазон длин волн составляет от 8 до 9 мкм, число F — 3, а фокусное расстояние плавно изменяется от 18,5 до 367 мм.

Система состоит из объекта масштабирования с механической компенсацией и второй системы формирования изображения, включающей 6 линз и 2 отражателя, и обладает такими преимуществами, как большой коэффициент масштабирования, высокое разрешение, небольшой размер и превосходное качество изображения. Качество изображения оптической системы масштабирования оценивается с помощью программного обеспечения для оптического проектирования ZEMAX, и результаты показывают, что MTF при полном фокусном подходе имеет дифракционный предел на частоте Найквиста 20 пл/мм.

Инфракрасная система непрерывного масштабирования — это система, в которой фокусное расстояние можно непрерывно изменять, при этом поверхность изображения остается стабильной, а качество изображения сохраняется во время процесса масштабирования. Он может получать разные размеры углов поля, разные размеры изображений и разные диапазоны сцен. Непрерывность изображения может быть сохранена в процессе преобразования и широко используется во многих областях народного хозяйства и оборонной промышленности.

Тепловизионная система с высоким разрешением и большим увеличением с непрерывным зумом имеет широкий спектр применений в военной области. Высокое разрешение означает большое фокусное расстояние, что позволяет осуществлять наблюдение и распознавание целей на сверхдальних расстояниях; большое увеличение означает большой коэффициент масштабирования, который может обеспечить большое увеличение для небольших подозрительных целей; непрерывное масштабирование означает возможность непрерывного обнаружения, сопровождения, распознавания и прицеливания целей без потери целей при изменении увеличения, что особенно полезно при поиске и сопровождении быстро движущихся целей.

Детекторы квантовых ям получили широкое внимание и быстрое развитие благодаря их преимуществам, таким как хорошая однородность, низкая стоимость, высокая производительность, многоцветность и возможность производства больших матриц. В настоящее время в развитых странах, таких как США и Европа, фокальная плоскость с квантовой ямой превратилась в одну из двух основных ветвей длинноволновых охлаждаемых устройств с фокальной плоскостью. Во многих странах разработаны тепловизоры на основе детекторов квантовых ям разных размеров.

В этой статье будет обсуждаться инфракрасная оптическая система с непрерывной компенсацией механической компенсации, а для длинноволнового детектора в фокальной плоскости с квантовой ямой 384×288 разработана 20-кратная длинноволновая инфракрасная оптическая система с непрерывным зумом, состоящая всего из 6 линз, которая имеет высокий коэффициент пропускания и разрешение. Преимущества высокой скорости, большого коэффициента масштабирования, компактной конструкции, легкого веса и высокого качества изображения соответствуют текущему направлению исследований инфракрасной системы непрерывного масштабирования.

Основной принцип оптической системы масштабирования с механической компенсацией заключается в использовании двух компонентов группы масштабирования и группы компенсации для одновременного перемещения для достижения непрерывных изменений фокусного расстояния при сохранении стабильной поверхности изображения и поддержании хорошего качества изображения. во время масштабирования.

Обычно начальные параметры системы определяются посредством гауссовых оптических расчетов в соответствии с требованиями, которым должна соответствовать система.

На рисунке 1 показан оптический принцип системы масштабирования с компенсацией отрицательной группы. На рисунке 1 — передняя фиксированная группа; 2 — группа масштабирования; 3 – компенсационная группа; 4 — задняя фиксированная группа. Для достижения масштабирования группа масштабирования 2 перемещается линейно вдоль оптической оси, а увеличение ее вертикальной оси изменяется от β2 до β2*.

В это время точка изображения также перемещается соответствующим образом. Чтобы гарантировать, что точка изображения останется неизменной, группа компенсации 3 должна быть соответствующей осью для перемещения. Измените увеличение группы компенсации с β3 на β3*. Тогда коэффициент масштабирования системы составит:

Величина перемещения компенсационной группы:

Рис.1 Принцип оптической системы с механической компенсацией масштабирования

Для длинноволнового детектора в фокальной плоскости с квантовой ямой размер матрицы составляет 384 × 288, а размер пикселя — 25 × 25 мкм. Учитывая требования к объему, весу, производительности и стоимости, конструктивный индекс инфракрасной оптической системы с 20-кратным непрерывным зумом приведен в таблице 1.

Для длинноволнового детектора в фокальной плоскости с квантовой ямой, в соответствии с техническими требованиями системы масштабирования, определяются начальные параметры системы в соответствии с методами и этапами, представленными в разделе 2, а затем разрабатывается программное обеспечение для оптического проектирования ZEMAX. американской компанией Focus используется для оптимизации конструкции и дизайна. Необходимо учитывать соответствие холодной диафрагмы, явление холодного отражения, точность обработки, объем и вес системы и другие вопросы.

Система масштабирования использует форму механической компенсации, которая состоит из передней фиксированной группы, группы переменного увеличения, группы компенсации и задней фиксированной группы. Каждая группа линз состоит из германиевой линзы, и ее вклад в оптическую силу системы бывает положительным, отрицательным и положительным. С целью исправления аберраций, улучшения качества изображения, максимального уменьшения количества линз и увеличения коэффициента пропускания введены бинарная дифракционная поверхность и две асферические поверхности высокого порядка.

Чтобы сжать апертуру первой линзы объектива и обеспечить 100% эффективность холодного экрана детектора, принята схема вторичного формирования изображений. Релейная группа состоит из Ge и ZnSe.

Германиевый материал обладает характеристиками низкой дисперсии и высоким показателем преломления и имеет хорошие характеристики дисперсии в диапазоне 8-12 мкм. Однако сложно исправить хроматическую аберрацию для сложных систем масштабирования, используя только один материал. ZnSe в основном играет роль ахроматической аберрации.

Общая длина оптической системы составляет менее 390 мм. Чтобы облегчить реализацию компактной структуры и технологии микросканирования [8], используются два отражателя, расположенные под углом 45°, чтобы дважды сложить оптический путь. Общий размер составляет менее 230 мм×175 мм×128 мм (длина×ширина×высота), результат проектирования показан на рисунке 2.

Рис.2 Схема зум-оптики

Диапазон непрерывного масштабирования системы составляет 18,5～367 мм, что соответствует полю обзора 1,5°×1,1°～30°×22,5°, и любое поле зрения может гарантировать качество изображения во время процесса масштабирования. Функция масштабирования дополняется группой переменного увеличения и группой компенсации.

Группа переменной кратности используется для переменной кратности с ходом 74 мм; группа компенсации предназначена для компенсации смещения плоскости изображения, фокусировки и температурной компенсации с ходом 48 мм. Ход группы масштабирования и группы компенсации плавный, а процесс масштабирования и кривая компенсации показаны на рисунках 3 и 4.

Рис.3 Принципиальная схема оптической системы масштабирования

Рис.4 Кривые масштабирования и компенсации

Передаточная функция модуляции (MTF) является наиболее полным критерием среди критериев эффективности полностью оптических систем. В настоящее время он признан оценочным индексом, который может полностью отражать фактическое качество изображения системы в современном оптическом дизайне, особенно для систем формирования изображения. Благодаря оптимизированной конструкции поверхность изображения системы остается стабильной, а качество изображения превосходным во время процесса масштабирования.

На рис. 5 показаны диаграммы передаточной функции оптической модуляции для различных фокусных расстояний. Из диаграммы видно, что МПФ на частоте Найквиста (20 пл/мм) близка к дифракционному пределу (верхняя черная сплошная линия — дифракционный предел). ), что указывает на превосходное качество изображения системы масштабирования, которого достаточно для соответствия качеству изображения оптической системы во всем диапазоне изменения фокусного расстояния.

Рис.6 Точечные диаграммы зум-оптической системы

Диаграмма пятна – это геометрическое изображение пятна, формируемое оптической системой при отображении точечной цели. Это важный показатель для оценки качества изображения оптической системы. Корень означает, что значение квадратного диаметра отражает концентрацию световой энергии, которая является более отражающей, чем значение геометрического максимального диаметра. Качество изображения системы. В оптической схеме корень означает, что квадратный диаметр точечной цели, как ожидается, будет меньше одного пикселя.

На рис. 6 показаны графики для разных фокусных расстояний. Видно, что максимальный среднеквадратичный радиус (RMS) системы составляет 5,7 мм, что находится в пределах одного пикселя детектора (черный ящик на рисунке, 25 мкм × 25 мкм). Это показывает, что оптический зум Система и инфракрасный детектор имеют хорошее соответствие, что удовлетворяет требованиям системы.

В этой статье, нацеленной на детектор в фокальной плоскости с длинноволновой квантовой ямой размером 384×288, метод механической компенсации используется для достижения непрерывного масштабирования в диапазоне 18,5～367 мм всего с 6 линзами. Относительное отверстие остается неизменным во время процесса масштабирования, а число F остается постоянным и составляет 3.

Для оценки качества изображения использовалось программное обеспечение оптического проектирования ZEMAX. Результаты показывают, что на центральной частоте (20 пл/мм) MTF каждого поля зрения при каждом положении масштабирования близок к дифракционному пределу, а качество изображения хорошее. И использование зеркал, чтобы сложить световой путь, чтобы добиться компактной структуры.

Это соответствует тенденции развития инфракрасных систем непрерывного масштабирования с высоким качеством изображения, большим коэффициентом масштабирования, высоким разрешением, небольшими размерами и легким весом. Он удовлетворяет потребностям практического применения и может широко использоваться в бортовых системах стабильного прицеливания или раннего предупреждения, наземных системах оповещения ПВО, корабельных системах разведки и слежения, системах разведки и наблюдения на поле боя, системах прицеливания и сопровождения боевых платформ и т. д.

длинноволновый инфракрасный объектив с непрерывным зумом Разработанный и изготовленный Quanhom учитывает легкость апертуры и стоимость, он очень подходит для удаленного мониторинга и национальной безопасности и поддерживает формат SXGA (1280x1024 12 мкм). Если у вас есть запрос на это, вы можете отправить нам свой запрос, и мы дадим вам удовлетворительный ответ как можно скорее.

Как профессиональный производитель тепловые инфракрасные линзы(включая LWIR, MWIR и SWIR), мы завоевали похвалу и доверие многих клиентов благодаря нашим превосходным технологиям и высококачественной продукции. У нас есть профессиональная производственная команда и широкий спектр контроля качества. В то же время мы также можем предоставить продуманное комплексное обслуживание в соответствии с потребностями клиентов. Если вы заинтересованы в нашем объективе LWIR, немедленно свяжитесь с нами!

Авторы: Чэнь Луджи, Ли Пин, Сунь Циянь

Источник журнала: Инфракрасные технологии, том 34, № 8, август 2012 г.

Дата получения: 4 марта 2012 г.

[1] 许照东, 刘欣, 董涛.机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计[J].红外与激光工程, 2007, 36(5): 619-621.

[2] 陈吕吉, 李萍, 马琳.紧凑中波红外连续变焦光学系统设计[J].红外技术. 2010, 32(11): 645-648.

[3] 史衍丽.国外量子阱红外焦平面探测器的发展概况[J].红外技术, 2005, 27(4): 274-278.

[4] 李献杰, 齐丽芳.量子阱红外焦平面阵列的商业化进程[J].红外与激光工程, 2007, 36(z): 175-182.

[5] Стефан Йоханссон, Оптика для модулей камер дальнего действия с детекторами QWIP 640×480[C]//SPIE, 2003, 5074: 867-873.

[6] Оливье Кокль, Франсуа-Юг Готье и др. Тепловизор QWIP[C]//SPIE, 2003, 5074: 715-725.

[7] 王之江.实用光学技术手册[M]. Источник: 工业出版社, 2007.

[8] 李林, 王涌天, 张丽琴, 等.变焦距物镜高斯光学参数的求解[J].北京理工大学学报. 2003, 23(4): 424–427.

[9] Хён Сук Ким, Ви Кён Ю и др. Компактная MWIR-камера с 20-кратным оптическим зумом[C]//SPIE, 2001, 4369:673-679.