Проектирование бортовой миниатюрной средневолновой инфракрасной оптической системы с непрерывным масштабированием

Инфракрасное изображение завершается инфракрасным излучением, излучаемым самим объектом после прохождения через систему формирования изображений, а тепловое излучение связано с температурой объекта. Таким образом, инфракрасная визуализация позволяет получать изображения в течение всего дня и ночи, а также обеспечивает возможность всепогодного обнаружения и идентификации целей.

Кроме того, поскольку он относится к пассивной визуализации, он имеет то преимущество, что ему не легко помешать, и он обладает сильными возможностями маскировочной идентификации. Системы инфракрасной визуализации устанавливаются в бортовых оптико-электронных системах летательных аппаратов, таких как вертолеты, самолеты и БПЛА, для облегчения выполнения боевых задач, таких как осведомленность о боевой обстановке, поиск целей, отслеживание целей, обнаружение и идентификация целей, а также оценка эффективности оружия. руководство и удар. Короче говоря, системы инфракрасного изображения стали одной из стандартных конфигураций оптоэлектронных систем.

Оптическая система инфракрасного изображения с фиксированным фокусом имеет фиксированное фокусное расстояние, что затрудняет выполнение требований по обнаружению и идентификации целей на разных расстояниях. Инфракрасная оптическая система с непрерывным масштабированием имеет большое поле зрения в состоянии короткого фокуса, а ее область приема изображений велика; в состоянии длинного фокуса поле зрения мало, а разрешение изображения высокое. При применении в бортовой оптико-электронной системе большое поле зрения может использоваться для широкого диапазона поиска целей, а малое поле зрения - для детального осмотра и идентификации, сопровождения и прицеливания цели.

Кроме того, поскольку система непрерывного увеличения изображения всегда сохраняет четкое изображение цели при изменении фокусного расстояния, при отслеживании или наведении на цель фокусное расстояние можно регулировать в соответствии с потребностями наблюдения путем выбора соответствующего поля зрения наблюдения. . В процессе переключения поля зрения можно поддерживать стабильное отслеживание цели без пропусков, тем самым эффективно улучшая эргономичный дизайн.

В этой статье принята комбинация передней линзы с афокальным увеличением и задней оптической системы с непрерывным масштабированием. После добавления увеличительной линзы 22^Иксреализована оптическая система непрерывного масштабирования 30-660 мм. Задняя оптическая система с непрерывным зумом может реализовать 22-кратное увеличение.^ИксОптическая система непрерывного масштабирования от 15 до 330 мм после снятия передней афококальной увеличительной линзы.

1. Проектные показатели

В этой статье оптическая система с непрерывным масштабированием разработана для широко используемого инфракрасного детектора с охлаждением элементов размером 640 × 512. Размер пикселя детектора составляет 15 мкм×15 мкм, а полоса отклика — 3,7–4,8 мкм. Расчетные параметры оптической системы приведены в таблице 1.

2. Дизайнерские идеи

На рис. 1 показан состав оптической системы. Передняя линза с афококальным расширением и задняя оптическая система с непрерывным зумом объединены. Обе части разработаны независимо. Задняя оптическая система непрерывного масштабирования использует трехкомпонентную механическую компенсационную структуру, что позволяет эффективно сократить длину оптической системы и реализовать миниатюрную конструкцию.

Передняя часть - 2^Иксафокальный телескоп, который используется для расширения фокусного расстояния оптической системы. В конструкции выходной зрачок передней телеобъективной системы и входной зрачок задней системы непрерывного масштабирования совпадают. Передняя увеличительная линза удваивает фокусное расстояние задней оптической системы с непрерывным масштабированием для достижения длинной фокусировки, что подходит для крупномасштабных бортовых оптико-электронных систем для обнаружения целей на больших расстояниях.

После снятия передней афококальной расширяющей линзы задняя оптическая система непрерывного масштабирования может использоваться в качестве независимой системы непрерывного масштабирования в бортовой оптико-электронной системе малого и среднего размера для обнаружения целей на близком расстоянии.

Рис.1 Состав оптической системы непрерывного масштабирования

На рисунке 2 представлена оптическая принципиальная схема задней системы непрерывного масштабирования, в которой 1 — передняя фиксированная группа, 2 — группа масштабирования, 3 — компенсационная группа и 4 — задняя фиксированная группа.

Рис.2 Принципиальная схема системы масштабирования с механической компенсацией.

Коэффициент масштабирования системы составляет:

В формуле: β₂и β₃– начальные увеличения второго и третьего компонентов соответственно; β*₂и β*₃— это увеличение второго и третьего компонентов после движения масштабирования.

Начальные увеличения группы масштабирования и группы компенсации составляют:

В формуле: f₁', ф₂', ф₃' — фокусные расстояния первого, второго и третьего компонентов соответственно; д₁₂– начальный интервал между первым и вторым компонентами; д₂₃– начальный интервал между второй и третьей компонентами.

Увеличение группы масштабирования и группы компенсации после перемещения масштабирования следующее:

В приведенной выше формуле:

Величина перемещения компенсационной группы:

Интервалы между компонентами составляют:

Сначала дайте нормированные начальные значения: d₁₂, д₂₃, ж₂'=-1, е₃', β₃=-1√M для расчета исходной структуры системы.

Приняв короткое фокусное расстояние в качестве исходного положения, получим нормализованное значение: f₂'=-1. При проектировании фокусное расстояние компенсационной группы не должно быть слишком длинным или слишком коротким. Если он слишком длинный, требуемая компенсационная величина плоскости компенсационного изображения будет слишком велика, что противоречит реализации проекта миниатюризации. Если он слишком короткий, относительная апертура, используемая компенсационной группой, будет слишком большой, что затруднит коррекцию аберраций. Фокусное расстояние группы компенсации обычно примерно в 3 раза превышает фокусное расстояние группы масштабирования, а f₃'=3.

Когда фокус самый короткий, расстояние между зум-группой и передней фиксированной группой будет самым близким, поэтому выбор d12 должен гарантировать, что линзы не соприкасаются друг с другом и не оставляют некоторый запас, и принимают d12=0,5. Полагая d23=6 при коротком фокусе, согласно формулам (1)–(9), система находится в состоянии длинного фокуса: d*₁₂=7,3, д*₂₃=0,6, а фокусные расстояния каждого компонента равны f₁'=11, е₂'=-1, е₃'=3.

3. Результаты проектирования и оценка качества изображения.

3.1 Результаты проектирования

Используется модель оптической структуры с непрерывной компенсацией механических положительных групп, а программное обеспечение для оптического проектирования используется для оптимизации после создания и масштабирования исходной модели. Из-за большого короткофокусного поля зрения системы как внеосевые аберрации, так и аберрации высокого порядка относительно велики. Для коррекции аберраций высокого порядка в конструкции предусмотрены асферические и дифракционные поверхности высокого порядка для лучшего баланса внеосевых и осевых аберраций.

При вторичной структуре изображения входной зрачок системы находится ближе к передней группе линз, поэтому проекция главного луча внеосевого поля зрения на переднюю группу линз ниже, тем самым уменьшая апертуру передней группы линз. линза.

Кроме того, в конструкции оптико-механической конструкции в положении первичной плоскости изображения установлена полевая диафрагма, чтобы рассеянный свет вне поля зрения системы не мог пройти через полевую диафрагму и достичь плоскости изображения, что позволяет эффективно снизить влияние рассеянного света на изображение оптической системы, что улучшает соотношение сигнал/шум.

Апертурная диафрагма установлена на выходном зрачке оптической системы. Апертурная диафрагма такая же, как и холодная диафрагма охлаждающего детектора. Таким образом, число F системы такое же, как и у детектора, что обеспечивает 100% эффективность холодной диафрагмы. Следовательно, не будет потерь энергии, вызванных резкой балки; следовательно, чувствительность системы улучшается.

Окончательная конструкция оптической системы показана на рисунках 3–6. После добавления расширительной линзы она может реализовать 22^Иксфункция непрерывного масштабирования с плавным изменением фокусного расстояния в диапазоне от 30 до 660 мм. Общая оптическая длина системы составляет 244 мм, а соотношение общей длины к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,37, поэтому она имеет характеристики небольшой общей оптической длины и большого коэффициента масштабирования.

После снятия переднего афокального расширителя задняя оптическая система с непрерывным зумом может реализовать функцию 22-кратного непрерывного зума с плавным изменением фокусного расстояния в диапазоне 15–330 мм. Общая оптическая длина оптической системы с непрерывным зумом составляет 138 мм, а соотношение общей длины к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,42. Общая длина системы небольшая, а объем небольшой.

Рис.3 Схема оптической системы на 15 мм

Рис.4 Схема оптической системы на расстоянии 330 мм

Рис.5 Схема оптической системы с удлинителем на 30 мм

Рис.6 Схема оптической системы с удлинителем на 660 мм

3.2 Оценка качества изображения

Для оптической системы формирования изображения передаточная функция оптической модуляции (MTF) представляет собой отношение степени модуляции изображения к степени модуляции объекта. Он является функцией пространственной частоты и может выражать изменение контраста целевого фона после прохождения через систему формирования изображения на каждом частотном компоненте.

Высокочастотная, среднечастотная и низкочастотная части отражают соответственно передачу деталей, передачу уровня и передачу контура объекта, которые являются наиболее полными критериями работоспособности оптической системы изображения.

На рисунках 7 и 8 показаны кривые MTF оптической системы в этой статье при коротком фокусе 15 мм и длинном фокусе 330 мм без добавления увеличительной линзы. Судя по рисункам, в точке, где охлаждаемый детектор 640×512 имеет характеристическую частоту 331p/мм, значения MTF центрального поля зрения все около 0,3, что близко к дифракционному пределу. Все значения MTF для поля зрения 0,7 составляют около 0,2, а значения MTF для краевых полей зрения — около 0,15. Для бортовой системы визуализации основная область, наблюдаемая человеческим глазом, находится в пределах поля зрения 0,7. Таким образом, оптическая система может удовлетворить требования применения.

Рис.7 График MTF при фокусном расстоянии 15 мм Рис.8 График MTF при фокусном расстоянии 330 мм

На рисунках 9 и 10 показаны кривые MTF оптической системы в этой статье после добавления увеличительной линзы при коротком фокусе 30 мм и длинном фокусе 660 мм. Судя по рисункам, в точке, где характерная частота охлаждаемого детектора 640×512 равна 331p/мм, значения ФКП центрального поля зрения все около 0,3, что близко к дифракционному пределу. Значения MTF для поля зрения 0,7 составляют около 0,2, а значения MTF для краевых полей зрения составляют около 0,15, что может удовлетворить требования приложения.

Рис.9 График MTF при фокусном расстоянии 30 мм с экстендером Рис.10 График MTF при фокусном расстоянии 660 мм с экстендером

В процессе изображения геометрической оптики из-за аберрации оптической системы после того, как свет, излучаемый из точки поверхности объекта, отображается оптической системой, он уже не концентрируется в одной точке плоскости изображения, а образует в определенном диапазоне геометрический рисунок изображения, который называется точечной диаграммой.

Точечная диаграмма обеспечивает основу для оценки качества изображения. Это удобный и простой метод использования точечной диаграммы для оценки качества изображения оптической системы. Среднеквадратичный (RMS) диаметр рассеянного пятна оптической системы равен диаметру круга, содержащего около 68% энергии.

На рисунках 11 и 12 показана оптическая система в этой статье без добавления расширителя, с коротким фокусом 15 мм и длинным фокусом 330 мм. Из рисунков видно, что максимальный среднеквадратичный диаметр спеклов системы составляет 20,9 мкм. Диаметр диска Эйри системы составляет 2,44λ.F#=39,04 мкм; следовательно, диаметр диффузного пятна меньше диаметра диска Эйри, что соответствует требованиям применения.

Рис.11 Диаграмма пятна при фокусном расстоянии 15 мм Рис.12 Диаграмма пятна при фокусном расстоянии 330 мм

На рисунках 13 и 14 представлены точечные диаграммы оптической системы в этой статье после добавления расширяющей линзы при коротком фокусе 30 мм и длинном фокусе 660 мм. Из рисунков видно, что максимальный среднеквадратичный диаметр пятна дисперсии оптической системы составляет 23,5 мкм, что меньше диаметра диска Эйри, равного 39,04 мкм; таким образом, он соответствует требованиям приложения.

Рис.13 Диаграмма пятна при фокусном расстоянии 30 мм с экстендером Рис.14 Диаграмма пятна при фокусном расстоянии 660 мм с экстендером

В конструкции объектива с постоянным зумом обычно используется зум-кулачок для приведения в движение группы увеличения и группы компенсации. Две группы линз зум-группы и компенсационной группы установлены соответственно на двух каретках, причем на каждой каретке закреплен направляющий штифт, перемещающийся по канавке кривизны кулачка.

Когда двигатель вращается, приводя в движение кулачок, направляющие штифты двух кареток перемещаются по соответствующим направляющим канавкам, заставляя группу масштабирования и группу компенсации перемещаться вдоль оптической оси в заданном соотношении, тем самым изменяя фокусное расстояние Объектив.

Механизм обладает преимуществами стабильной передачи, простоты управления, надежности, отсутствия дребезга и небольшого люфта. Канавка кривой масштабирования кулачка обрабатывается на станке с ЧПУ с использованием данных кривой масштабирования. Таким образом, для оптической системы с непрерывным масштабированием подгонка кривой масштабирования является ключевым звеном между оптической конструкцией и конструкцией оптико-механической структуры.

На рисунке 15 представлена диаграмма кривой движения трансфокатора оптической системы трансфокатора и группы компенсации, на которой по оси абсцисс указано фокусное расстояние оптической системы, а по оси ординат - расстояние между группой трансфокатора и компенсационной группой от передней фиксированной группы. . На рисунке видно, что движение группы масштабирования и группы компенсации является плавным и непрерывным во время процесса изменения фокусного расстояния, и нет точки перегиба, что позволяет эффективно избежать застоя системы во время движения масштабирования.

Рис.15 Кривые масштабирования подсистемы непрерывного масштабирования

4. Вывод

В этой статье используется комбинация переднего афокального расширителя и задней оптической системы с непрерывным зумом. После добавления расширителя 22^Иксреализована оптическая система непрерывного масштабирования от 30 до 660 мм. Общая оптическая длина системы составляет 244 мм, а отношение общей длины к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,37, поэтому система имеет компактную структуру, имеет характеристики небольшой общей оптической длины и большого коэффициента масштабирования и подходит для крупномасштабные бортовые фотоэлектрические комплексы для обнаружения целей на больших расстояниях.

После снятия переднего афокального расширителя задняя оптическая система с непрерывным зумом может реализовать 22-кратное увеличение.^ИксОптическая система непрерывного масштабирования от 15 до 330 мм. Общая оптическая длина системы составляет 138 мм, а соотношение общей длины к максимальному фокусному расстоянию составляет 0,42. Его можно использовать в качестве независимой системы непрерывного масштабирования для бортовых фотоэлектрических систем малых и средних размеров для обнаружения целей на коротких дистанциях.

В соответствии с различными потребностями оборудования миссии переднее расширительное зеркало может быть добавлено или удалено, чтобы адаптироваться к требованиям к объему и фокусному расстоянию различных оптоэлектронных блоков для инфракрасной системы непрерывного масштабирования, тем самым эффективно сокращая цикл разработки системы и уменьшая технические затраты. риски и затраты на разработку, расширение сферы применения продукта и продление жизненного цикла продукта. Словом, у него хорошие перспективы применения в бортовой оптоэлектронике и других областях.

Как высококачественныйпоставщик инфракрасных линзОбъединяя проектирование, производство и продажу оптико-механических компонентов, Quanhom стремится сделать так, чтобы пользователи во всем мире наслаждались нашими высококачественными услугами. У нас есть профессиональный отдел контроля качества, который может контролировать качество продукции во всех аспектах. У нас есть самая передовая исследовательская и проектная группа, и мы постоянно представляем новые серии инфракрасных линз. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных тепловизионных линзах, немедленно свяжитесь с нами!

Авторы: У Хайцин, Ван Вэйчао

Источник журнала: Инфракрасные технологии, том 43, № 12, декабрь 2021 г.

Дата получения: 01.01.2021; Дата изменения: 25 ноября 2021 г.

Использованная литература:

[1]ВАН Линсюэ, Цай И. Последние достижения и перспективы инфракрасных оптических систем [J]. Инфракрасные технологии, 2019, 41(1): 1-10.

[2] Цзи Шупэн. Разработка оборудования бортовой электрооптической полезной нагрузки и ее ключевых технологий[J]. Авиационное вооружение, 2017(6): 3-12.

[3]ХУАН Цзюнь, ЧЖАН Чжэнъюн, ТЯНЬ Шэнминь. Текущее состояние и тенденции развития бортового электрооптического оборудования обнаружения «воздух-земля»[J]. Инфракрасные технологии, 2018, 40(5): 412-416.

[4]ВАН Сянджуна, Ван Мин. Конструкция системы масштабирования подходит для миниатюризации модуля БПЛА[J]. Оптоэлектронная техника, 2013, 40(1): 139-144．

[5] Сюэ Хуэй, Ли Чанвэй. Оптическая конструкция инфракрасных объективов с непрерывным зумом[J]. Дж. Инфракрасный Миллим. Вавес, 2012, 31(5): 421-424.

[6] У Хайцин, Ли Тунхай, Чжао Синьлян и др. Проектирование оптической системы с непрерывным зумом и средней волновой инфракрасной плоскостью большой плоскости изображения[J]. Инфракрасный, 2019, 40(1): 7-10.

[7] ВАН Чжицзян. Практическое руководство по оптической технологии[М]. Пекин: China Machine Press, 2007: 429–430.