ميزات تصميم العدسات البصرية ذات مجال الرؤية الفائق بالأشعة تحت الحمراء
يتم استخدام العدسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق بشكل أساسي في الجيش للتحذير والإشارة إلى الصواريخ القادمة أو أهداف التهديد بالأشعة تحت الحمراء. يمكن نشره على منصات معدات الأسلحة (مثل المنصات المحمولة جواً والمحمولة على المركبات والمحمولة على السفن) في نفس الوقت لتحقيق البانوراما. ويمكنه عرض إنذار 360 درجة وامتلاك وعي ظرفي متعدد الاتجاهات. إنه منتج إلكتروني عسكري مهم.
تتميز العدسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الكبير جدًا ببعض خصائص العدسة واسعة الزاوية والعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء، ولكنها في الوقت نفسه تختلف عن العدسة البصرية العادية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وتحديدًا في الجوانب التالية.
(1) هناك تشويه سلبي كبير
عندما يتجاوز مجال رؤية النظام البصري 60 درجة، عند اعتماد وضع التصوير المثالي، سيزداد ارتفاع الصورة بشكل حاد مع زيادة مجال الرؤية. بالنسبة للكاشف ذي حجم الصورة المحدود، يجب إدخال قدر كبير من التشوه السلبي للحصول على مجال رؤية كافٍ.
(2) لديه التظليل السلبي الكبير
تتناسب إضاءة مستوى الصورة للنظام مع القوة الرابعة لجيب التمام لزاوية الضوء الساقطة.
بسبب مجال الرؤية الكبير نسبيًا للنظام البصري. على سبيل المثال، عندما يكون نصف زاوية مجال الرؤية 65 درجة، تكون إضاءة الحافة حوالي 40% فقط من الإضاءة المركزية. لذلك، في التصميم البصري، يجب إدخال تظليل سلبي كبير إلى مجال رؤية الحافة لزيادة التدفق الضوئي وتحسين الإضاءة.
(3) متطلبات التصميم غير الحرارية
مثل العدسات البصرية العسكرية الأخرى التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فإنها تحتاج إلى تلبية نطاق درجة الحرارة العسكري الواسع (عادةً ما يكون نطاق درجة الحرارة النموذجي -55 ~ 70 درجة مئوية) بجودة تصوير ممتازة.
(4) تختلف العوامل المهمة لتقييم جودة الصورة
عند استخدامها للتحذير من الصاروخ القادم، مقارنة بالعدسة الضوئية التقليدية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، تركز العدسة الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق بشكل أساسي على دقة الإشارة ومدى الهدف. وينعكس هذا في توحيد الدقة الزاوية أحادية البكسل وتقارب الطاقة أحادي البكسل.
في السنوات الأخيرة، أجرى العديد من العلماء في الداخل والخارج أبحاثًا حول مجال رؤية العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء الفائقة، ويتركز محتوى البحث بشكل أساسي على جزء العدسات البصرية.
ومن بينها أن منطقة الكاشف المستخدمة في العدسة البصرية صغيرة؛ هناك العديد من العناصر البصرية. طول العدسة أطول. يتم تحقيق الأجزاء الهيكلية البصرية والميكانيكية من سبائك التيتانيوم ذات معامل التمدد الحراري الصغير، ولكن الكثافة العالية، الموصلية الحرارية المنخفضة، وضعف قابلية التشغيل؛ ليس لديها حرارة. يتم تحقيق الوسائل التقنية للتصميم الحراري عن طريق حيود الانكسار.
في هذه المقالة، بدءًا من متطلبات التطبيق، يتم تحليل خصائص التصميم للعدسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق.
الكاشف المستخدم في النظام البصري عبارة عن كاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد بصفيف مساحة كبيرة 1024×1024@15 ميكرومتر، والذي يستخدم 4 عدسات فقط ولا يحتوي على سطح حيود لتحقيق تصميم حراري بصري سلبي. مادة الهيكل البصري الميكانيكي هي سبائك الألومنيوم، وهيكل العدسة مدمج، والطول الإجمالي أقل من 69 ملم، ويصل مجال الرؤية البصري إلى 116 درجة.
بالاشتراك مع متطلبات التطبيقات الهندسية الفعلية، يتم تحليل ميزات التصميم الخاصة بمجال الرؤية الفائق للعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء من حيث وضع العرض، والتكوين البصري، وإضاءة سطح الصورة، ومجال الرؤية، والتسخين الحراري، ووضع التقييم.
طريقة الإسقاط
لتصوير الأجسام إلى ما لا نهاية، تتمتع العدسة البصرية المثالية ذات تشويه التصوير بمقدار 0 بارتفاع الصورة ومجال الرؤية وفقًا للمعادلة التالية، وهي:
ح = و تانθ (1)
حيث: f هو البعد البؤري لجانب الكائن؛ θ هي زاوية نصف المجال لجانب الكائن.
يمكن أن نرى من الصيغة (1) أنه عندما تكون زاوية نصف المجال كبيرة، فإن ارتفاع الصورة سيزداد بشكل حاد. لذلك، يجب أن تقدم العدسات البصرية ذات مجال الرؤية الكبير جدًا قدرًا معينًا من التشويه السلبي، مما يمكن من تصميم مجال رؤية كافٍ للتصوير بحجم محدود للصورة.
يعتمد تصميم عدسة مجال الرؤية الفائق مبدأ التصوير "غير المشابه"، ويتم تشويه منطقة الكائن التي لا يمكن للعدسة البصرية المثالية تخيلها وضغطها عن طريق إدخال تشويه سلبي للصورة. يتوافق ارتفاع صورة التصوير ومجال الرؤية عادةً مع طرق العرض التالية:
ح = 2 و تان(θ/2) (2)
ح = 2 و خطيئة(θ/2) (3)
ح = و الخطيئةθ (4)
ح = و θ (5)
وبأخذ الاشتقاق على جانبي الصيغ (2)~(5) على التوالي، يتم الحصول على العلاقة بين الدقة الزاوية ومجال الرؤية على النحو التالي:
درهم/دθ = و / كوس (θ/2)2 (6)
dh/dθ = f cos(θ/2) (7)
درهم/دθ = و كوس(θ) (8)
درهم/دθ = و (9)
يظهر الشكل 1 (أ) العلاقة بين ارتفاع الصورة ومجال الرؤية المطابق لطرق الإسقاط المختلفة، والعلاقة بين الدقة الزاوية وزاوية المجال المقابلة لطرق الإسقاط المختلفة في الشكل 1 (ب).
في الاستخدام الفعلي للعدسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق، عادة ما يكون هدف الأشعة تحت الحمراء هدفًا نقطيًا بعد تصويره بواسطة النظام البصري. بالمقارنة مع معلومات الخصائص الهندسية للهدف، يهتم النظام أكثر بمعلومات الموقع الزاوي من أجل الحصول على دقة أعلى لإشارة الموقع الزاوي.
يمكن أن نرى من الشكل أن طريقة الإسقاط h = f θ، وارتفاع الصورة يتناسب مع مجال الرؤية، والدقة الزاوية أحادية البكسل لا تتغير مع مجال الرؤية، ومجال الرؤية العام متسق . لذلك، يجب أن تختار العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق العسكري طريقة الإسقاط h = f θ.
(أ) العلاقة بين ارتفاع الصورة وزاوية مجال الرؤية
( ب ) العلاقة بين الدقة الزاوية ومجال الرؤية
الشكل 1: العلاقة بين ارتفاع الصورة والدقة الزاوية مع زاوية الرؤية في ظل أوضاع العرض المختلفة.
التكوين البصري
تتميز العدسة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الفائق بخصائص العدسة المقربة العكسية، حيث تتمتع مجموعة العدسات الأمامية بقدرة انكسار سلبية ومجموعة العدسات الخلفية تتمتع بقدرة انكسار إيجابية، كما هو موضح في الشكل 2 (أ).
(أ) المقربة المعكوسة
(ب) التوقف البارد
الشكل 2 التكوين البصري
توزيع الطاقة هذا له ميزتان:
(1) يحتوي مجال الرؤية خارج المحور على تظليل سلبي معين، والذي يمكن أن يجعل مساحة المقطع العرضي للشعاع المائل أكبر بكثير من مساحة المقطع العرضي لشعاع الضوء المحوري. توحيد الإضاءة الشاملة هو أفضل.
(2) لها طول عدسة طويل، مما يساعد على التصميم الهيكلي والتركيب.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الأنظمة البصرية للأشعة تحت الحمراء العسكرية بشكل عام أجهزة كشف مبردة، والتي تتمتع بحساسية أعلى من أجهزة الكشف غير المبردة. يحتوي الكاشف المبرد على غشاء (يُسمى أيضًا الحجاب الحاجز البارد) في الطرف الأمامي للكاشف. لتجنب الإشعاع الشارد، من الضروري التأكد من أن حدقة خروج النظام البصري يجب أن تتطابق مع الحجاب الحاجز البارد للكاشف (والذي يسمى عمومًا كفاءة الفتحة الباردة بنسبة 100٪)، كما هو موضح في الشكل 2 (ب).
إضاءة سطح الصورة
تختلف زاوية سقوط الضوء الساقط من مجال رؤية الحافة ومجال الرؤية المركزي لمجال الرؤية الفائق للعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء تمامًا، كما هو موضح في الشكل 3 (أ)؛ كما تختلف زوايا سقوط الحزم في الحقل ومجال الرؤية المركزي تمامًا، كما هو موضح في الشكل 3(ب)، وكلاهما سيؤدي إلى إضاءة غير متساوية على سطح الصورة.
(أ) المسار البصري للإدخال (ب) الكاشف الذي يستقبل المسار البصري
الشكل 3 العوامل المؤثرة في إضاءة الصورة
الطريقة الحرارية
في الوقت الحاضر، هناك ثلاث طرق تصميم حراري شائعة الاستخدام، السلبي الميكانيكي، النشط الإلكتروني، والسلبي البصري. يعد مجال الرؤية الفائق للعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء أكثر ملاءمة لتحقيق الحرارة السلبية. التحليل هو كما يلي:
(1) نظرًا لأن المنصات القتالية عادةً ما تفرض قيودًا صارمة على وزن وحجم العدسات البصرية، فيجب مراعاة المواد خفيفة الوزن قدر الإمكان بالنسبة للأجزاء الهيكلية، لذلك لا يتم أخذ المواد السلبية الميكانيكية في الاعتبار بشكل عام.
(2) ستؤدي تقنية المعالجة الحرارية النشطة الإلكترونية، مع التركيز عن طريق تحريك العدسة أو مجموعة العدسات، إلى تغيير البعد البؤري للنظام البصري أثناء عملية التركيز، ومن ثم سيتغير مجال الرؤية وفقًا لذلك، ويؤثر في النهاية على دقة إنذار.
(3) تشير تقنية التحليل الحراري السلبي البصري إلى استخدام خصائص انحراف حراري ولوني مختلفة بين المواد البصرية وخصائص التمدد الحراري للمواد الإنشائية، من خلال التوزيع المعقول للطاقة الضوئية، وتباعد العناصر، واختيار المواد الإنشائية، بحيث النظام في نطاق درجة الحرارة المطلوبة بالداخل، ويكون إلغاء التركيز الحراري الخاص به صفرًا تقريبًا.
على الرغم من صعوبة تحقيق تكنولوجيا الحرارية السلبية البصرية، إلا أن تأثير الحرارة الحرارية جيد والموثوقية عالية.
تحليل مجال الرؤية
بالنسبة للعدسات الضوئية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال رؤية كبير، فإن التصميم المعقول لمجال الرؤية يمكن أن يقلل بشكل كبير من صعوبة التصميم البصري، مما له تأثير مهم على تحسين جودة التصوير وتبسيط هيكل النظام البصري.
يتعين على منصات معدات الأسلحة عمومًا نشر عدسات بصرية متعددة تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال رؤية كبير جدًا لمراقبة المجال الجوي بزاوية 360 درجة في الوقت الفعلي. من أجل تجنب البقع العمياء في مجال الرؤية وتقليل معدل التداخل في مجال الرؤية، يجب تحديد مجال الرؤية لنظام بصري واحد بشكل معقول.
يوضح الشكل 4 تخطيط مجال الرؤية، حيث تبلغ مساحة مجال الرؤية المراد تغطيتها بواسطة عدسة بصرية واحدة 94 درجة × 94 درجة، ومعدل تداخل مجال الرؤية بين العدسات المجاورة هو 4 درجات، و4π كروية يتم دمج المساحة بواسطة 6 عدسات بصرية لتحقيق التغطية الكاملة.
الشكل 4: التخطيط الميداني للعدسة البصرية
طريقة التقييم
مثل الأنظمة البصرية العسكرية العادية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، يجب أن تتضمن طرق تقييم الأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء ذات مجال الرؤية الكبير جدًا وظيفة النقل البصري (MTF)، ونمط النقطة (RMS)، والأداء في درجات الحرارة العالية والمنخفضة (التصميم الحراري)، وما إلى ذلك. وبالإضافة إلى ذلك، هناك متطلبات خاصة للاستبانة الزاوية وتركيز الطاقة للنظام البصري.
(1) القرار الزاوي
في الاستخدام الفعلي للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء لمجال الرؤية الفائق، عادة ما يكون هدف الأشعة تحت الحمراء هدفًا نقطيًا بعد تصويره بواسطة النظام البصري. بالمقارنة مع المعلومات المميزة الهندسية للهدف، يهتم النظام أكثر بمعلومات الموقع الزاوي من أجل الحصول على دقة إشارة تحذير أعلى. تنعكس طريقة تقييم الأداء في التصميم في تشويه النظام وتوحيد الدقة الزاوية في مجال الرؤية بأكمله.
(2) تركيز الطاقة
الوضع العام للتصميم البصري هو أن أداء مجال الرؤية على المحور عادةً ما يكون أفضل من أداء مجال رؤية الحافة، والذي يمكن أن ينعكس جيدًا في MTF.
على سبيل المثال، تحتوي عدسة الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة المتوسطة على رقم F 2، وطول بؤري 50 مم، ومجال 6 درجات، عند 33 lp/mm، ومجال الرؤية المُقاس على محور MTF هو 0.6، و مجال الرؤية الهامشي هو 0.4، مما يعني أنه عند هذا التردد المكاني (عادةً ما يكون التردد المميز الذي يحدده حجم البكسل للكاشف). مجال الرؤية الكامل هو أن دقة السمات الهندسية للهدف أفضل، ودقة مجال الرؤية على المحور للهدف أفضل من دقة مجال رؤية الحافة.
أما بالنسبة للنظام البصري الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء في مجال الرؤية الفائق، ففي الاستخدام الفعلي، تكون الأهداف في الغالب أهدافًا مدببة (أو أهدافًا ذات مساحة صغيرة) بعد تصويرها بواسطة النظام البصري. إن دقة تفاصيل المعالم الهندسية للهدف ليست مهمة، والنظام هو الأكثر اهتماما. هي المسافة التي يمكن من خلالها اكتشاف الهدف.
عادةً، لا يُسمح باختلاف كبير بين مسافة اكتشاف الهدف في مجال رؤية الحافة ومجال الرؤية على المحور. وينعكس هذا في طريقة تقييم التصميم البصري وهي تركيز الطاقة لبكسل واحد، ويجب أن يأخذ التصميم البصري في الاعتبار اتساق تركيز الطاقة لمجالات الرؤية على المحور والحافة.
في هذه المقالة، جنبًا إلى جنب مع التطبيقات الهندسية الفعلية، يتم تحليل ميزات تصميم النظام البصري للأشعة تحت الحمراء لمجال الرؤية الفائق من حيث وضع العرض، والتكوين البصري، وإضاءة سطح الصورة، وتحليل مجال الرؤية، والتحلل الحراري، وطريقة التقييم، وما إلى ذلك. حتى يتمكن الجميع من فهم خصائص ومزايا مجال الرؤية الفائق للعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل. إذا كنت تريد معرفة المزيد عن العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء بعد قراءة ما ورد أعلاه، فإن شركة Quanhom سعيدة بتزويدك بالاقتراحات والحلول الاحترافية.
كشركة مصنعة محترفة ل عدسات الأشعة تحت الحمراء الحرارية(مشتمللوير,موير، و SWIR)، لقد فزنا بالثناء والثقة من العديد من العملاء من خلال التكنولوجيا الممتازة والمنتجات عالية الجودة. لدينا فريق إنتاج محترف ومجموعة من مراقبة الجودة. وفي الوقت نفسه، يمكننا أيضًا تقديم خدمة شاملة ومدروسة وفقًا لاحتياجات العملاء. إذا كنت مهتمًا بعدسة LWIR الخاصة بنا، فيرجى الاتصال بنا على الفور!
مراجع:
[1] تشانغ يوانشنغ. تطوير نظام التحذير الكهروضوئي المحمول جواً [J]. الإلكترونيات والبصريات والتحكم، 2015، 22(6): 52−55. (باللغة الصينية)
[2] هوانغ فويو، شين شيويجو، هي يونغ تشيانغ، وآخرون. تحليل أداء نظام التصوير واسع النطاق المستخدم للكشف عن الأهداف الفضائية [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2015، 44(10): 3134−3140. (باللغة الصينية)
[3] يانغ شينغجي. تصميم بصري لنظام تصوير واسع الزاوية بالأشعة تحت الحمراء ذو طول موجي عالي الدقة ومبرد [J]. اكتا أوبتيكا سينيكا، 2012، 32(8): 0822003. (باللغة الصينية)
[4] هيرش الأول، شكيدي إل، تشين د، وآخرون. كاشف MWIR هجين ثنائي اللون لأنظمة التحذير من الصواريخ المحمولة جواً [C]// Proceedings of SPIE,2012, 12: 83530H1-12.
[5] تاو تشي، وانغ مين، شياو ويجون، وآخرون. تصميم لنظام بصري هجين انكسار وحيود الأشعة تحت الحمراء ثنائي النطاق مبرد للحرارة ومجال الرؤية الواسع [J]. اكتا فوتونيكا سينيكا، 2017، 46(11): 1122004. (باللغة الصينية)
[6] أوسكوتسكي. عدسة MWIR F-Theta واسعة الزاوية: روسيا، 236344A1[P].2018.
[7] تشن تشن، هو تشونهاي، لي ويشان، وآخرون. طريقة حساب الإضاءة النسبية لمستوى صورة العدسة [J]. اكتا أوبتيكا سينيكا، 2016، 36(11): 1108001. (باللغة الصينية)
[8] تشونغ شينغ، تشانغ يوان، جين غوانغ. تحسين توحيد الإضاءة للنظام البصري واسع المجال [J]. اكتا اوبتيكا سينيكا