Развитие и перспективы оптической системы инфракрасной визуализации

оптическая система инфракрасного изображенияявляется важным звеном в достижении высококачественного инфракрасного/теплового изображения. По сравнению с оптическими системами формирования изображений в видимом свете оптические системы формирования изображений в инфракрасном диапазоне являются более сложными и сложными. Длина волны инфракрасного излучения на порядок больше длины волны видимого света и склонна к дифракции; показатель преломления инфракрасных оптических материалов велик и их мало типов, а диапазон выбора коррекции оптических аберраций с использованием различных комбинаций материалов невелик; Следовательно, требования к проектированию и обработке оптической системы инфракрасного изображения и форме поверхности элемента выше.

Энергия излучения в инфракрасном диапазоне отличается от энергии в видимом диапазоне света на несколько порядков. Чтобы получить достаточную энергию инфракрасного излучения, инфракрасная/тепловизионная система должна использовать оптическую систему формирования изображения с большой апертурой. Для сцен с расстоянием (например, 5000 м) необходима оптическая система с большим фокусным расстоянием (например, 200 мм). Чтобы контролировать дифракцию инфракрасного излучения, относительная апертура оптической системы инфракрасного изображения должна принимать большее значение (например, число F составляет 1 ~ 4), число F типичного объектива камеры видимого света. находится в диапазоне от 1 до 22.

Развитие технологии тепловидения первого поколения привело к созданию инфракрасных оптических систем, основанных на оптико-механическом сканирующем изображении, особенно длинноволновых инфракрасных оптических систем на основе оптических элементов из германиевого материала.

Развитие технологии инфракрасного/тепловизионного изображения второго поколения не только создало новые требования к оптическим системам инфракрасного изображения на основе средневолновых и коротковолновых инфракрасных изображений, но также создало новые требования к оптическим системам инфракрасного изображения на основе неохлаждаемых тепловизоров. Разрабатываются новые инфракрасные оптические материалы, методы проектирования и обработки инфракрасных оптических компонентов, что обогащает содержание инфракрасных оптических систем.

В настоящее время инфракрасные детекторы развиваются в сторону третьего поколения инфракрасных детекторов в фокальной плоскости. Размер пикселя превышает миллион пикселей; размер детекторного элемента уменьшен до 8 мкм или даже 5 мкм; термическая чувствительность увеличивается до уровня мК, а полученная информационная размерность увеличивает спектральную размерность. (двух/многозонный), размерность поляризации (4 состояния поляризации) и т. д.

Новые особенности технологии инфракрасных детекторов в фокальной плоскости третьего поколения приводят к тому, что технология оптической системы инфракрасного изображения второго поколения не может в полной мере соответствовать или даже не соответствовать требованиям к изображению инфракрасных/тепловизионных систем третьего поколения. система. Другими словами, инфракрасные детекторы в фокальной плоскости третьего поколения выдвигают новые требования к инфракрасной оптической системе, используемой в инфракрасной/тепловизионной системе третьего поколения.

В данной статье кратко рассмотрены оптические системы инфракрасного изображения первого и второго поколения. На этой основе разобраны новые проблемы, которые предстоит решить с помощью оптической системы инфракрасного изображения третьего поколения, а также рассмотрены технические подходы и прогресс оптической системы инфракрасного изображения третьего поколения для решения этих новых проблем. Наконец, тенденция развития перспектив оптической системы инфракрасного изображения третьего поколения.

В тепловизионной системе первого поколения из-за большого угла сканирования сканирующего луча апертурная диафрагма оптической системы обычно устанавливается перед сканирующим зеркалом/устройством, и апертурная диафрагма относительно велика. Когда плотность потока инфракрасного излучения цели (например, цели на большом расстоянии) ниже, чем плотность потока инфракрасного излучения оптической системы формирования инфракрасного изображения (включая инфракрасные оптические компоненты, опорные конструкции и т. д.), инфракрасное излучение, генерируемое оптическая система инфракрасного изображения считается основным фоновым шумом. Астигматизм воспринимается инфракрасным детектором для формирования изображения «эффекта нарциссов», наложенного на тепловое изображение сцены, что стало важным фактором, ограничивающим тепловую чувствительность тепловизионной системы первого поколения и влияющим на качество теплового изображения.

Проблемы первого поколения оптических систем инфракрасного изображения:

1) Оптическая система инфракрасного изображения требует индивидуальной настройки; структура сложная; передаточная функция низкая; количество оптических компонентов велико, а требования к установке и настройке системы высоки;

2) Эффективная интеграция с инфракрасными детекторами не может быть достигнута, а размер и вес оптической системы инфракрасного изображения относительно велики;

3) «Эффект нарцисса» рефракционной оптической системы инфракрасного изображения более серьезен.

Чтобы преодолеть влияние «эффекта нарцисса», оптическая система инфракрасного изображения второго поколения усиливает конструкцию холодного экрана, увеличивает эффективность холодного экрана до 100% и минимизирует влияние фонового рассеянного света; второй режим визуализации используется для уменьшения влияния диаметра входного зрачка и объема линзы инфракрасного объектива. Холодная диафрагма устанавливается на выходном зрачке, чтобы минимизировать апертуру диафрагмы и блокировать большую часть рассеянного света (рис. 1), что улучшает качество изображения.

При разделении инфракрасной/тепловизионной системы оптическая система инфракрасного изображения второго поколения имеет следующие технические характеристики:

1) Разработана технология термализации для уменьшения дефокусировки оптической системы из-за изменения температуры.

2) Гибридные оптические элементы и асферические оптические элементы разработаны для дифракционной обработки поверхности преломляющего элемента, дифракционная поверхность корректирует осевую разницу цвета и разницу хромосферы, асферическая поверхность и линза могут устранить как сферическую разницу, так и разницу мудрости, улучшить качество изображения и упростить оптическую систему.

3) Применение инфракрасной/тепловизионной системы с большим фокусным расстоянием и дальним расстоянием создает инфракрасную оптическую систему с осевым отражением, а осевой размер системы уменьшается за счет складывания оптического пути, например, оптической системы Кассегрена с осевым отражением. Из-за большой окклюзии системы осевого отражения эффективное падающее излучение снижается, и была разработана система внеосевого отражения без окклюзии, такая как внеосевая трехзеркальная инфракрасная оптическая система. Чтобы избежать новых окклюзий, вызванных слишком большим количеством зеркал, за зеркалами обычно устанавливается преломляющая оптическая система, фокусирующая инфракрасное излучение на инфракрасном детекторе фокальной плоскости. В 2011 году Мин Ван и др. Национального института оптики Канады разработал четырехканальный внеосевой инфракрасный телескоп с общей апертурой и четырьмя полосами 3,4–4,0 мкм, 8,3–9,3 мкм, 10,0–11,0 мкм и 11,5–12,5 мкм. , а детектор представляет собой линейный инфракрасный детектор в фокальной плоскости 256×1.

4) Для применения легких и миниатюрных неохлаждаемых тепловизоров, таких как тепловизоры и индивидуальные тепловизоры, разработано большое разнообразие неохлаждаемых инфракрасных оптических систем.

5) Стандартизированная, универсальная и серийно заменяемая однопольная инфракрасная оптическая система с фиксированным фокусом была разработана для удовлетворения требований применения высокого качества, больших масштабов и низкой стоимости.

6) Оптико-механическая интегрированная двухпольная, трехпольная инфракрасная оптическая система с непрерывным масштабированием и большим коэффициентом масштабирования была разработана для высокопроизводительных военных приложений.

7) Учитывая разнообразные требования приложений, компания разработала легкую, высокопроизводительную и компактную оптическую систему, объединяющую различные технические преимущества. Например, в 2002 году Хён Сук Ким и др. разработал 20: непрерывную средневолновую инфракрасную оптическую систему с 1 переменным соотношением и 22 микросканиями. Помимо уменьшения размера системы, два зеркала также могут выполнять маятниковое движение сверху, снизу, слева и справа соответственно, что позволяет получить изображение с 22 микросканами. Система компактна: длина всего 206,2 мм, высота 80 мм, вес 5,3 кг, рабочий диапазон от 3,7 до 4,8 мкм, число F 2,5 и диапазон масштабирования от 12,75 до 275 мм. , как показано на рисунке 2.

Инфракрасный детектор фокальной плоскости третьего поколения выдвигает новые требования к оптической системе инфракрасного изображения. Конкретный анализ заключается в следующем:

1) При условии, что объем инфракрасной оптической системы остается неизменным, рабочее расстояние и чувствительность инфракрасной/тепловизионной системы одновременно оптимизируются.

Фиксированное F-число холодного экрана охлаждаемого инфракрасного детектора в фокальной плоскости второго поколения позволяет получить 100% эффективность холодного экрана только с одним F-числом оптической системы. Упрощенные математические выражения для дальности и чувствительности (NETD):

где D – диаметр входного зрачка; F# — число F; λ — длина волны; M — количество пикселей, необходимое для подтверждения цели Δx; C – контраст сцены; d – размер детекторного элемента; η – эффективность сбора детектора; ΦB2π представляет фоновый лучистый поток для поля зрения 2π; τint – время интегрирования.

Из формулы (1) видно, что сохранение объема ИК-оптической системы неизменным означает фиксирование диаметра входного зрачка D, тогда чем больше F#, тем больше рабочее расстояние, но чувствительность NETD падает с увеличением F, что указывает на то, что в оптической системе второго поколения один F# в системе не может одновременно отвечать требованиям дальности и чувствительности. Поэтому инфракрасная оптическая система третьего поколения сначала разработана с переменным числом F, чтобы одновременно оптимизировать рабочее расстояние и чувствительность инфракрасной/тепловизионной системы.

2) При условии минимизации количества линз и максимального коэффициента пропускания оптической системы можно добиться четкого изображения в средневолновом инфракрасном и длинноволновом инфракрасном диапазонах и одновременного двухдиапазонного слияния изображений на уровне пикселей. .

Особенность двухдиапазонного инфракрасного детектора в фокальной плоскости, использующего многополосную структуру пикселей, заключается в том, что размер пикселя и масштаб пикселя двухдиапазона одинаковы, а независимые схемы считывания считывают двухдиапазонные данные соответственно. Вопросы, которые необходимо учитывать при проектировании инфракрасной оптической системы двухдиапазонного инфракрасного детектора в фокальной плоскости, заключаются в следующем:

Двухдиапазонное инфракрасное излучение одной и той же сцены должно быть сфокусировано на одном и том же детекторе фокальной плоскости без перефокусировки, при этом должно быть получено достаточно высокое качество изображения;

Двойная полоса достигает дифракционного предела в каждом поле зрения.

Фокусное расстояние двух полос должно быть одинаковым;

Искажения должны быть одинаковыми для обеих полос;

Хроматические аберрации, вызванные разницей дисперсии инфракрасных оптических материалов в средневолновом и длинноволновом инфракрасном диапазонах, должны быть исправлены.

В ответ на эти проблемы двухдиапазонная инфракрасная оптическая система третьего поколения значительно упрощает регистрацию поля зрения двух диапазонов за счет применения общей конструкции апертуры. В то же время применяется катадиоптрическая оптическая система с широким спектром, небольшой хроматической аберрацией, малым осевым размером и гибкой конструкцией. Кроме того, разработана двухдиапазонная инфракрасная оптическая система «картинка в картинке».

3) Уменьшение объема, веса, энергопотребления и стоимости инфракрасных/тепловизионных систем – вечное требование: «нет лучшего, есть только лучшее».

В ответ на это требование в третьем поколении инфракрасных оптических систем были разработаны микрооптические системы, оптические системы произвольной формы и т. д.

4) Инфракрасные оптические системы для компьютерной визуализации. Потенциал оптических систем должен быть полностью использован посредством интеллектуальных вычислений.

В ответ на это требование была разработана оптическая мультиплексная визуализация. Краткие описания приведены ниже.

Оптическая система инфракрасного изображения с переменным F-числом может в полной мере раскрыть преимущества инфракрасных детекторов третьего поколения с высокой чувствительностью и высоким пространственным разрешением (матрица большой площади), а также оптимизировать пространственное разрешение и чувствительность системы при сохранении объема оригинальной тепловизионной системы, улучшить соотношение сигнал/шум при поиске цели с широким полем зрения и сохранить возможность наведения и сопровождения цели на большом расстоянии (т.е. при узкий). Для ограниченного диаметра входного зрачка в практических приложениях выберите большое число F в узком поле зрения и сосредоточьтесь на расстоянии действия; выберите небольшое число F в широком поле зрения и сосредоточьтесь на поле зрения и чувствительности. Для многодиапазонных детекторов выберите большое число F для средневолнового инфракрасного диапазона и маленькое число F для длинноволнового инфракрасного диапазона.

В соответствии с характеристиками катадиоптрической инфракрасной оптической системы с широким спектром, небольшой хроматической аберрацией, малым осевым размером и гибкой конструкцией, инфракрасное изображение с общей апертурой, двойным F-числом, двух/многодиапазонным, многопольным/большим коэффициент масштабирования был разработан непрерывный зум. Оптическая система отвечает требованиям комплексного и автоматизированного поиска целей, подтверждения и сопровождения платформ вооружения при ограниченном пространстве для установки.

Двухдиапазонная оптическая система инфракрасного изображения «картинка в картинке» разработана для одновременного поиска и идентификации целей по пространственной информации и спектральной информации различного оптического увеличения на одном экране.

Для обычных сцен наземных объектов средневолновые и длинноволновые инфракрасные изображения, выдаваемые двухдиапазонным средневолновым/длинноволновым инфракрасным детектором в фокальной плоскости, имеют высокую степень корреляции (то есть нет очевидной разницы между изображений), и оператору необходимо неоднократно масштабировать изображение между широким и узким полем обзора для поиска и идентификации интересующих объектов. Чтобы в полной мере использовать возможности двухдиапазонных фокальных детекторов синхронно получать информацию в отдельных диапазонах, а также воспользоваться тем, что пиковая длина волны излучения наземных объектов расположена в длинноволновом инфракрасном диапазоне и Контраст средневолновых инфракрасных изображений высок, в последние годы была разработана двухдиапазонная оптическая система инфракрасного изображения «картинка в картинке». Он использует широкопольные длинноволновые инфракрасные изображения для восприятия положения наземных объектов и сцен, а также узкопольные средневолновые инфракрасные изображения для получения высококонтрастных изображений целей.

В соответствии с преимуществом большого масштаба пикселей обнаружения инфракрасной фокальной плоскости третьего поколения была разработана катадиоптрическая оптическая система кругового инфракрасного изображения на основе зеркал с квадратичной поверхностью, а для регистрации широкого поля зрения использовался одиночный инфракрасный детектор в фокальной плоскости. и даже обзор окружности на 360°. Полевая информация для удовлетворения потребностей в инфракрасном предупреждении и сигнализации.

При поддержке передовых оптических технологий производства и измерения разрабатываются оптические системы инфракрасного изображения поверхности произвольной формы, позволяющие преодолеть такие трудности, как расширение поля зрения, исправление аберраций, упрощение структуры оптических систем, контроль объема и снижение веса.

Поверхности произвольной формы имеют сложную геометрию, не являющуюся вращательно-симметричной, что позволяет получать нетрадиционные изображения и корректировать аберрации. В 2014 году Кайл Фюршбах из Рочестерского университета, Янник П. Роллан и Кевин П. Томпсон отметили, что поверхность свободной формы можно полностью описать, используя существующую теорию аберраций. Это исследование показало, что проектировщики оптики могут преодолеть ограничение вращательной симметрии и спроектировать свободные поверхности любой формы в соответствии с текущими математическими моделями, чтобы получить полностью беспрепятственную инфракрасную оптическую систему, полностью состоящую из отражающих оптических элементов. Трое исследователей также разработали и проверили полностью отражающую инфракрасную оптическую систему, использующую только три свободные поверхности, с пределом дифракции всего 5 мкм, числом F 1,9, высокой компактностью, высокой термостабильностью и легким диагональным полем зрения 10, что позволяет установлен в сложном трехмерном пространстве без складного зеркала.

Ультратонкие миниатюрные неохлаждаемые оптические системы инфракрасного изображения были разработаны для удовлетворения требований к высокопроизводительному инфракрасному изображению с учетом ограничений по объему, весу и энергопотреблению (SWaP).

С существенным уменьшением объема и веса неохлаждаемых компонентов инфракрасного детектора в фокальной плоскости растет спрос на миниатюрные оптические системы формирования инфракрасных изображений с длиной оптического пути менее 1/2 фокусного расстояния. Недорогие, просто обработанные сферические отражатели широко используются для складывания оптических путей, также используются преломляющие оптические элементы для уменьшения перекрытия отражающей поверхности на оптическом пути.

Оптическая система инфракрасного изображения простирается от линзы объектива до микросхемы детектора инфракрасной фокальной плоскости и схемы обработки сигналов за счет уменьшения ее размера. Когда размер блока оптического элемента уменьшен до того же размера, что и детектор, можно реализовать такие операции, как спектральное, поляризационное и фазовое кодирование на уровне пикселей. Например, «инфракрасная сетчатка», предложенная Санджаем Кришной в 2009 году, рассматривает каждый пиксель инфракрасного детектора как конусную клетку сетчатки и связывает взаимодействия между этими клетками с помощью более поздней технологии обработки информации, тем самым имитируя функцию человеческого глаза по восприятию. информацию о месте происшествия и распознавание ситуации на месте происшествия; когда блок оптического элемента дополнительно уменьшается до микрометрового или нанометрового масштаба, из-за поверхностного эффекта, объемного эффекта и квантово-размерного эффекта его оптические характеристики будут демонстрировать характеристики, значительно отличающиеся от макроскопического блока оптического элемента, такие как превосходное поглощение, антиотражение или свойства конвергенции. Можно сказать, что тенденцией развития инфракрасных оптических систем является интеграция с инфракрасными детекторами, а нанофотоника стала движущей силой разработки четвертого поколения инфракрасных детекторов в фокальной плоскости.

КУАНХОМ — профессионалпроизводитель индивидуальных инфракрасных линз и компонентов. Наша команда устраняет разрыв между превосходной производительностью и ограниченным бюджетом, особенно когда мы участвуем в проектах, сочетающих высокую точность. Продукция включает в себя инфракрасные оптические сборки для VIS/SWIR/MWIR/LWIR, окуляры, инфракрасные линзы (от моноскопических до быстропереключающихся между многопольными и непрерывными инфракрасными объективами с непрерывным масштабированием) и т. д. Если вам нужно, пожалуйста, связаться с нами.