Проектирование длинноволновой инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием и высоким разрешением

Инфракрасная тепловизионная камера — фотоэлектрический прибор, предназначенный для наблюдения, отслеживания и идентификации целей на большом расстоянии в ночное время и в плохую погоду. В последние годы он широко использовался в таких областях всепогодного мониторинга, как национальная оборона, предотвращение пожаров и оказание помощи при стихийных бедствиях, а также геологоразведочные работы. Это имеет значительные экономические и социальные выгоды. Инфракрасные тепловизионные камеры имеют три основные формы: одно поле зрения, двойное поле зрения и непрерывное увеличение.

Однопольная инфракрасная тепловизионная камера имеет одно фиксированное фокусное расстояние, а поле зрения небольшое, что не может одновременно удовлетворить потребности поиска и идентификации целей; Двухпольная тепловизионная камера имеет два разных фокусных расстояния, образующих два больших и малых поля зрения, которые можно использовать для поиска с большим полем зрения и с небольшим полем зрения для идентификации целей.

Было проведено несколько отечественных исследований по длинноволновым инфракрасным системам непрерывного масштабирования с высоким увеличением. Используются охлаждаемые детекторы, например, десятикратный, разработанный Чжан Ляном и др., 20-кратный, разработанный Чэнь Луцзи и др., и 25-кратная длинноволновая инфракрасная система непрерывного масштабирования, разработанная Цзя Синжуем. оптическая система увеличения; с использованием неохлаждаемых детекторов, таких как 10-кратный, разработанный Лю Фэном, и 4-кратная длинноволновая инфракрасная оптическая система с непрерывным зумом, разработанная Бай Юем.

Результаты зарубежных исследований включают американский Mark C 2010 года. Оптическая система с инфракрасным зумом и коэффициентом масштабирования 30×, о которой сообщили Sanson et al. Однако из-за развития детекторов публикаций о системах инфракрасного масштабирования высокого разрешения мало. На этом этапе в этой статье делается новая попытка проектирования.

Конструкция инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием требует, чтобы фокусное расстояние изменялось в определенном диапазоне, а положение плоскости изображения было фиксированным, относительная апертура системы велика и практически не менялась при масштабировании, а также требует хорошего качества изображения для каждого Фокусное расстояние и поле зрения. Поэтому существует определенная техническая сложность в проектировании, изготовлении и сборке.

Основываясь на требованиях к конструкции реальных продуктов, в этой статье разрабатывается 6-кратная инфракрасная оптическая система с непрерывным зумом и фокусным расстоянием 20–120 мм, основанная на теории проектирования оптической системы с непрерывным зумом. Когда фокусное расстояние системы составляет 20–90 мм, число F равно 1, а когда фокусное расстояние составляет 90–120 мм, число F равно 1,1.

По сравнению с предыдущими конструкциями эта система имеет более высокое оптическое разрешение и подходит для неохлаждаемых детекторов с оксидом ванадия размером 640×512. Размер пикселя составляет всего 17 мкм×17 мкм. Он использует структуру зума с механической компенсацией и использует пять линз из монокристалла германия и одну линзу из халькогенидного стекла.

Благодаря обеспечению более высокого коэффициента масштабирования и большой апертуры разрешение системы улучшается, используются более дешевые детекторы и оптические материалы, которые могут эффективно контролировать общую стоимость, одновременно отвечая требованиям использования, и имеют хорошие практичность исполнения.

В этой конструкции используется структура механической компенсации положительной группы (т. е. группа компенсации имеет положительную оптическую силу). Диаметр линзы небольшой, фокусное расстояние передней фиксированной группы больше, вторичный спектр мал.

Двухкомпонентные движения используются для достижения масштабирования и компенсации, а количество компонентов движения невелико, что удобно для проектирования и оптимизации конструкции. Систему оптического зума можно разделить на 1 переднюю фиксированную группу; 2-ступенчатая группа увеличения; 3-компенсационная группа; 4-задняя фиксированная группа; вклады в общую оптическую силу 1-положительны; 2-отрицательный; 3 -Положительный; 4-Положительный.

Когда группа масштабирования перемещается линейно для изменения положения, фокусное расстояние системы и положение плоскости изображения также изменяются соответствующим образом. Чтобы обеспечить стабильность плоскости изображения, кулачковый механизм должен приводить в действие группу компенсации для выполнения нелинейного движения для компенсации положения плоскости изображения. Принцип масштабирования показан на рисунке 1.

Рис.1 Схематическая карта зум-оптической системы

Процесс проектирования системы разделен на два этапа: получение гауссовского решения и проектирование аберраций. Сначала определите фокусное расстояние, интервал между линзами, диапазон перемещения группы масштабирования и группы компенсации каждой линзы в системе в соответствии с такими параметрами, как диапазон фокусных расстояний, относительное отверстие, размер изображения и размер формы, требуемые системой; а затем рассчитать его в соответствии с данными гауссовского решения. Программное обеспечение ZEMAX используется для расчета аберрации и оптимизации конструкции исходных параметров структуры линзы.

В конструкции необходимо выбрать несколько разных положений фокусного расстояния в соответствии с одинаковой пропорцией всего диапазона изменения фокусного расстояния. Когда система находится в указанном выше положении фокусного расстояния, используйте переднюю фиксированную группу, группу масштабирования и группу компенсации, чтобы свести аберрацию к минимуму, а затем используйте заднюю фиксированную группу для коррекции остаточного изображения.

В этой конструкции используется неохлаждаемый длинноволновый инфракрасный детектор размером 640×512 элементов из оксида ванадия с размером пикселя 17×17 мкм. В соответствии с фактическими требованиями применения основные конструктивные показатели инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием показаны в таблице 1.

Форма и структура инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием, спроектированной в соответствии с индексом, показаны на рисунке 2. На рисунке 2 (а), рисунке 2 (б) и рисунке 2 (в) показан внешний вид и структура системы при короткое фокусное расстояние — 20 мм, среднее фокусное расстояние — 60 мм, длиннофокусное расстояние — 120 мм. Общая длина системы составляет 264 мм.

Рис.2 Схема оптической системы непрерывного масштабирования LWIR

Коэффициент масштабирования системы составляет 6×, а оптимизированное проектирование выполняется с использованием программного обеспечения для оптического проектирования ZEMAX. Он имеет структуру из 4 групп по 6 элементов, передняя фиксированная группа представляет собой одну линзу с положительной оптической силой, что уменьшает вес системы. Вторая линза представляет собой отрицательную линзу группы переменного увеличения, третья — положительную линзу компенсационной группы, а задняя фиксированная группа использует 3 отдельные линзы, которые могут эффективно оптимизировать оставшиеся аберрации предыдущей конструкции.

Что касается материалов, поскольку монокристаллы германия имеют высокий показатель преломления и низкую дисперсию для длинноволновых инфракрасных световых волн 8 ~ 12 мкм, для устранения хроматической аберрации используются 5 монокристаллических линз германия и 1 линза из халькогенидного стекла. Количество линз невелико, а цена относительно невысока (цена халькогенидного стекла составляет всего одну треть от цены селенида цинка), что эффективно снижает стоимость, исходя из того, что система может корректировать аберрации.

В этой статье для оценки инфракрасной оптической системы с непрерывным зумом в основном используются MTF и точечная диаграмма. Ниже приведены карта MTF и точки инфракрасной системы непрерывного масштабирования в трех случаях короткого фокуса, среднего фокуса и длинного фокуса.

Кривая МПФ модуляционной передачи этой системы во всем диапазоне фокусных расстояний показана на рис. 3. На рисунках 3(а), 3(б) и 3(в) показаны кривые МКП 6 полей зрения при коротком Фокусное расстояние составляет 20 мм, среднее фокусное расстояние — 60 мм, длиннофокусное расстояние — 120 мм.

При пространственной частоте среза детектора 30 пл/мм видно, что ФПМ всего диапазона фокусных расстояний превышает 0,45, что близко к дифракционному пределу, что указывает на хорошее качество изображения системы в каждое поле зрения во всем диапазоне фокусных расстояний. Таким образом, систему можно использовать с различными инфракрасными матричными детекторами с размером пикселя больше или равным 17 мкм.

Рис.3 Кривые MTF оптической системы с непрерывным масштабированием LWIR

На рисунке 4 показаны точечные диаграммы 6 различных полей зрения при фокусном расстоянии этой проектной системы 20 мм, 60 мм и 120 мм. Из рисунка видно, что диффузные пятна в каждом поле зрения системы близки к дифракционному пределу (черный кружок на рисунке — диапазон диска Эйри), а их среднеквадратичный радиус не превышает 6,3 мкм. максимум, что меньше размера пикселя 17×17 мкм. Такая конструкция обеспечивает более высокое разрешение и может соответствовать требованиям неохлаждаемого детектора высокой четкости в этой системе.

Рис.4 Точечные диаграммы оптической системы непрерывного масштабирования LWIR

Конструкция оптической системы масштабирования должна обеспечивать стабильность поверхности изображения, а конструкция кривой масштабирования оказывает решающее влияние на стабильность поверхности изображения продукта, качество изображения, а также сложность процесса обработки и сборки в процессе масштабирования.

В практических приложениях, если конструкция кривой кулачка масштабирования недостаточно гладкая, а в некоторых положениях имеются скачкообразные кривизны или крайние точки, это увеличит сложность обработки кулачкового механизма, в результате чего система будет негладкой и плавной при масштабировании. и легко застревать.

В этой конструкции используется электромеханическая система для привода группы масштабирования и группы компенсации для нелинейного перемещения для достижения 6-кратного непрерывного оптического зума и оптимизации плавности конструкции.

На рисунке 5 показана кривая непрерывного масштабирования системы: по оси ординат — фокусное расстояние системы масштабирования, а по оси абсцисс — расстояние перемещения группы масштабирования и группы компенсации относительно начала координат системы. Рисунок 5 (а) представляет собой кривую масштабирования до оптимизации, наблюдается скачок локальной кривизны; Рисунок 5(b) представляет собой кривую масштабирования после оптимизации, кривая масштабирования после оптимизации является плавной и непрерывной, что полезно для обработки кулачкового механизма]. Дрожание оптической оси системы составляет менее 3 пикселей при ходе масштабирования 20–120 мм.

(a) Кривые масштабирования локусов до оптимизации (b) Кривые масштабирования локусов после оптимизации

Рис.5 Кривые масштабирования оптической системы с непрерывным масштабированием LWIR

В этой статье соответственно разработана длинноволновая инфракрасная оптическая система с непрерывным масштабированием на основе используемого неохлаждаемого детектора с размером 640 × 512 элементов. На рисунке 6 показано исходное изображение, соответствующее разным фокусным расстояниям при использовании этой оптической системы для съемки здания на расстоянии около 2–3 км.

(a), (b), (c), (d) и (e) на рисунке соответствуют фокусным расстояниям 20 мм, 40 мм, 60 мм, 90 мм и 120 мм соответственно. На рис. 6 видно, что в процессе масштабирования изображение, полученное системой, имеет стабильное качество изображения, высокое разрешение, четкие детали, высокий коэффициент пропускания и хорошие перспективы применения.

(d) Изображение при EFL=90 мм (e) Изображение при EFL=120 мм

Основываясь на теории проектирования оптической системы с непрерывным масштабированием и требованиях практических инженерных приложений, в этой статье разработана длинноволновая инфракрасная оптическая система с непрерывным масштабированием и высоким разрешением, подходящая для неохлаждаемых детекторов с элементами 640×512. В системе используются 5 линз из монокристалла германия и 1 линза из халькогенидного стекла, они имеют относительно низкую стоимость, небольшой размер и легкий вес, а также просты в установке и переноске.

Система также использует метод механической компенсации масштабирования для достижения плавного непрерывного масштабирования в диапазоне 20–120 мм, а рабочее расстояние может достигать 5–5 км. Поле зрения может достигать от 33,8°×25,7° (при фокусном расстоянии 20 мм) до 4,6°×3,4° (при фокусном расстоянии 120 мм), отслеживание в реальном времени может быть достигнуто при изменении поля зрения, и это подходит для сопровождение быстро движущихся целей.

Качество изображения системы превосходное, данные MTF и точечной диаграммы близки к дифракционному пределу, а фактический эффект съемки хороший. Кривая кулачка масштабирования оптимизирована, масштабирование плавное; поверхность изображения стабильна, а ось оптической оси составляет менее 3 пикселей для непрерывного масштабирования.

Соответствие конструкции требованиям различных показателей подтверждено в ходе реальных испытаний. Будучи инфракрасной системой высокого разрешения, которая заменяет охлажденные продукты, она характеризуется сочетанием непрерывного масштабирования, высокого разрешения и более низкой стоимости и реализует это.

Основываясь на обеспечении высокой производительности системы и качества продукции, мы максимально экономим затраты на проектирование, обработку, тестирование и сборку и стремимся найти лучшее сочетание производительности и стоимости. Данная конструкция используется в сфере безопасности, слежения, обнаружения и других областях, имеющих высокую практическую ценность.

Авторы: Бао Цзяци, Цзи Цзыцзюань, Гэ Чжэньцзе, Ли Нань, Юй Кан, Инь Цзюаньцзюань

Источник журнала: Оптоэлектронная техника, февраль 2014 г.

[1] ЛУО Шоуджун, ХЭ Вубин, ЛИ Вэньху и др. Проектирование оптической системы непрерывного масштабирования среднего инфракрасного диапазона с большим ФПА [J]. Оптика и точное машиностроение, 2012 г., 20(10): 2117-2121.

[2] Цзя Синжуй, Ли Сюньню, Ван Хайян и др. Проектирование оптической системы непрерывного масштабирования LWIR с большим диапазоном масштабирования [J]. Инфракрасные технологии, 2012 г., 34(8): 463-466.

[3] ЧЖАН Лян, ЛЮ Хунся. Конструкция оптической системы длинноволнового инфракрасного зум-объектива [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2011 г., 40(7): 1279-1281.

[4] ЧЭНЬ Люцзи, Ли Пин, Сунь Циянь. Конструкция оптической системы масштабирования LWIR с диапазоном масштабирования 20:1 [J]. Инфракрасные технологии, 2012 г., 34(8):458-462.

[5] ЛЮ Фэн, Сюй Сипин, Сунь Сянъян и др. Разработка термоинфракрасной оптической системы с высоким коэффициентом масштабирования [J]. Журнал прикладной оптики, 2009 г., 30 (6): 1020-1023.

[6] БАЙ Юй, ЯН Цзяньфэн, МА Сяолун и др. Дифракционная/рефрактивная инфракрасная система непрерывного масштабирования в диапазоне 8～12 мкм [Дж]. Инфракрасные технологии, 2008 г., 30(9):505-508.

[7] Марк С. Сансон и Джеймс Комелл, MWIR Непрерывное масштабирование с большим диапазоном масштабирования [C] // Инфракрасные технологии и приложения XXXVI, Орландо, Флорида, 5 апреля, 2010 г., 7660: 1-12

[8] ЛАН Нин. Оптическая схема длинноволновой инфракрасной системы масштабирования с оптической компенсацией [J]. Оптические приборы, 2011, 33(3):53-56.

[9] ЯН Ле, Сунь Цян, Ван Цзянь и др. Проектирование длинноволновой инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2012 г., 41(4):999-1003.

[10] ЛЮ Цзюнь, ГАО Мин. Проектирование оптической системы [M]. Сиань: Издательство Сианьского университета электронной науки и технологий, 2006, 174-175.

[11] Ли Юнган, ЧЖАН Бао, ДИН Цзиньвэй. Конструкция механизма непрерывного инфракрасного вариообъектива [J]. Журнал Чанчуньского университета науки и технологий: издание Natural Science, 2009 г., 32 (1): 60-63.

[12] ФИШЕР Р.Э., ГАЛЕВ Б. Т. Проектирование оптических систем [М]. Нью-Йорк: Мак-Гро-Хилл, 2000.