تصميم نظام بصري مدمج يعمل بالأشعة تحت الحمراء بنسبة تكبير عالية

تهدف إلى حل المشكلات المختلفة الموجودة في هياكل التكبير/التصغير شائعة الاستخدام عند تحقيق التكبير المستمر على نطاق واسع. بدءاً من النظرية الأساسية لتصميم نظام التكبير، تم اقتراح نموذج تكبير متغير متسلسل من مرحلتين يمكن استخدامه في تصميم نظام بصري كبير ذو نسبة متغيرة، ومعادلة التكبير المقابلة وظروف وطرق التحكم الأمثل لتصميم منحنى الكامة أعطي.

يتكون النموذج من مجموعة أمامية ذات عنصرين للتكبير المستمر ومجموعة خلفية ثانوية للتصوير مع وظيفة تكبير متغيرة على التوالي. يتم نقل مجموعة التكبير/التصغير الأولى ومجموعة التعويض في المجموعة الأمامية؛ يتم نقل مجموعة التعويض ومجموعة التكبير الثانية.

تقوم مجموعة التكبير الثانوية في مجموعة التصوير بإجراء تكبير ثانوي على البعد البؤري للمجموعة الأمامية لتوسيع قدرة التكبير لنظام التصوير بأكمله. وفي الوقت نفسه، تقوم مجموعة التصوير الثانوية أيضًا بضغط فتحة العدسة الشيئية لضمان مطابقة التوقف البارد.

تم الانتهاء من تصميم نظام بصري كبير ومتغير التكبير/التصغير المستمر. نطاق عمل النظام هو 3.7 ~ 4.8μm. إنها تعتمد كاشف مجموعة منطقة التبريد 640 × 480، وحجم البكسل هو 15um، ورقم F ثابت عند 4، ويمكنه تحقيق زاوية عرض أفقية تتراوح من 6.5 إلى 455 مم. تستخدم وظيفة التكبير المستمر من 0.92 درجة إلى 58.2 درجة، حتى 70 مرة، مادتين فقط، وعشر عدسات، وطول إجمالي يبلغ 300 ملم. لديها جودة تصوير ممتازة وخصائص التسامح.

الحد الأعلى للتكبير في النظام البصري للتكبير ثنائي العنصر هو حوالي 50 مرة. إذا تجاوزت هذه القيمة. أثناء الحركة المحورية لمجموعة التكبير، سيؤدي تغيير زاوية الضوء على سطح العدسة إلى انحرافات كبيرة، وهو أمر صعب.

التصحيح: يمكن أن يؤدي استخدام بنية ربط مكونة من ثلاثة مكونات أو أكثر إلى تحقيق نسبة تكبير أكبر، ولكن في تصميم نظام الربط متعدد المجموعات، يتم تحقيق إزالة نقاط تكاثر التكبير وتصميم ومعالجة منحنيات الكاميرا المعقدة من خلال الهندسة إحضار صعوبات أكبر. وفي الوقت نفسه، تقلل طريقة الربط متعدد المجموعات أيضًا من موثوقية نظام التصوير بأكمله.

بالإضافة إلى ذلك، تبلغ نسبة التكبير/التصغير للنظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء، والذي تم استخدامه على نطاق واسع في الأيام الأخيرة، حوالي 30 مرة. هناك مشكلات شائعة مثل ضربة التكبير/التصغير الكبيرة ووقت تبديل مجال الرؤية الطويل. من الصعب التحكم في قفزة المحور البصري أثناء التكبير/التصغير، مما يحد بشكل كبير من استخدام هذا النوع من المعدات على نطاق واسع.

استجابة للمشاكل المذكورة أعلاه، تتبنى الورقة فكرة تصميم التكبير على مرحلتين بناءً على نظرية تصميم نظام التكبير، وتشرح إمكانية تحقيق نظام بصري للتكبير المستمر مدمج وكبير، والذي يمكن استخدامه كمرجع لـ تصميم أنظمة تكبير كبيرة مماثلة.

ولتسهيل المناقشة، تستخدم الورقة نظرية العدسة الرقيقة لوصف النماذج المعنية.

يوضح الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا لنموذج تصميم التكبير المتسلسل ذي المرحلتين. يتكون النظام البصري بأكمله من مجموعة أمامية ذات عنصرين للتكبير المستمر ومجموعة خلفية ثانوية للتصوير مع وظيفة تكبير متغيرة على التوالي.

الشكل 1: مخططات نموذج تصميم عدسة التكبير ذات مرحلتين من السلسلة

تعتمد المجموعة الأمامية هيكل التكبير التقليدي المكون من عنصرين لتحقيق تكبير المستوى الأول للنظام البصري: عملية تكبير المستوى الأول بأكملها، وتشارك فقط المجموعتان المتحركتان لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض، والكاميرا التقليدية يمكن استخدام آلية الأكمام. تلبية متطلبات التصميم الهيكلي للتأكد من جدوى النظام.

عند التكبير إلى موضع معين، تتوقف مجموعة التكبير عن الحركة، ويتحول النظام البصري إلى التكبير الثاني: تم تصميم مجموعة التعويض ومجموعة التكبير الثانية وفقًا للتصميم بحركة منتظمة جيدة لتحقيق تكبير ثانوي في البعد البؤري للعدسة المجموعة الأمامية.

في هذا الوقت. من خلال المعالجة المناسبة، يمكن نقل منحنى الحركة لكل مجموعة ديناميكية بسلاسة مع المنحنى في عملية التكبير في المرحلة الأولى، والتي يتم إجراؤها على نفس آلية غلاف الكامة. يتم تقليل صعوبة المعالجة والتحكم؛ يمكن أن تكون حركة مجموعة التكبير في المرحلة الثانية مقيدة بغطاء كامة منفصل أو آلية توجيه برغي الرصاص، ولها وظيفة تركيز النظام البصري بأكمله من خلال آلية تحكم مناسبة.

لذلك، من خلال طريقة التكبير المتسلسلة المكونة من مرحلتين، تحتوي كل مرحلة من عملية التكبير على مكونين متحركين فقط، مما يحسن قدرة تصحيح الانحراف للنظام البصري بأكمله، ويتجنب تصوير النقاط العمياء في عملية التكبير، ويبسط تصميم منحنى الكامة توفر هذه العملية راحة كبيرة لتحقيق الهيكل البصري الميكانيكي.

تم استخدام طريقة المعادلة التفاضلية التفاضلية لوصف النموذج التصميمي لمرحلتين متتاليتين لتحقيق نسبة تكبير كبيرة. في نموذج التصميم، تشارك مجموعة التعويض في العملية الكاملة للمرحلتين الأولى والثانية من التكبير/التصغير، وتشارك مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة تكبير المرحلة الثانية في عمليتي التكبير/التصغير الأولى والثانية على التوالي.

لذلك، في عملية تصميم منحنى الكاميرا، خذ مجموعة التعويض كمجموعة نشطة، ومجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التكبير الثانوية كمجموعة مدفوعة، وقم بتعيين البعد البؤري لمجموعة التكبير/التصغير على f'₂، نسبة التكبير م₂، والحركة المحورية مثل △₂; البعد البؤري لمجموعة التعويض هو بعد f'3، والتكبير هو م₃، والحركة المحورية هي △₃; البعد البؤري لمجموعة التكبير الثانوية هو f'₄، والتكبير م₄.

بالنسبة لعملية التكبير من المستوى الأول يتم تحقيقها من خلال ربط مجموعة التكبير ومجموعة التعويض، أي:

بالنظر إلى الظروف الأولية، باستخدام طرق متعددة لحل المعادلتين (1) و(4)، يمكن الحصول على توزيع الطاقة الضوئية لكل مكون والتكبير المقابل في ظل ظروف التكبير المتغير للمرحلة الأولى والمرحلة الثانية.

منحنى الحركة، ومنحنى الحركة لكل مكون يتم حله في أقسام، مما يضمن استمرارية المنحنى، ولن يتكرر هنا. ومع ذلك، لا يمكن للحل المجزأ أن يضمن وقت التبديل للتكبير على مرحلتين، ويجب النظر في الانتقال السلس لمنحنى الحركة بشكل منفصل.

خذ تجانس قسمي منحنى التكبير (بما في ذلك منحنى حركة التكبير من المستوى الأول والخط المستقيم الثابت للتكبير من المستوى الثاني) كمثال. ولضمان الانتقال السلس للمنحنى، يشترط أن تكون منحدرات قسمي المنحنى عند تبديل مستوى التكبير متساوية، أي:

حيث: م₂₂≠0. إذا كنت تريد أن تفعل ذلك، م₃₃-1=0، وبالنظر إلى أن م₃=1 لا معنى له، ويمكن ملاحظة أن أخذ m₃=-1 يمكن أن يضمن الانتقال السلس لمجموعة التكبير ذات المستويين أثناء مفتاح التكبير ذي المستويين.

ويمكن إثبات الشيء نفسه: عندما م₃=-1،

في هذا الوقت، يمكن ضمان الانتقال السلس للتكبير ذي المستويين عند تبديل التكبير ذي المستويين.

بالإضافة إلى ذلك، من أجل ضمان سلاسة المنحنى، من الضروري التأكد من عملية التكبير من المستوى الأول. منحنيات الحركة لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض سلسة ومستمرة، أي أنه من الضروري التأكد من أنه في الوقت الحالي₃=-1, the zooming group magnification |m₂|＜ 1.

إذا تم أخذ الموضع البؤري القصير كنقطة بداية، فسيتم ضبط نسب التكبير لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض عند الموضع البؤري القصير على m_{2 ثانية}و م_3ث، ويتم حل الصيغة (1) بالتكامل، ويمكن الحصول على تكبير مجموعة التكبير:

استبدال م₃=-1 في الصيغة (8)، يمكن الحصول على التكبير m2 لمجموعة التكبير المتغير في وقت تبديل ترتيب التكبير المتغير. في هذا الوقت، إذا م₂تم العثور على <-1، ويمكن تعديل القيمة بواسطة m_3ثأو م_{2 ثانية}make adjustments to satisfy |m₂|≤1.

تم اختيار مثال تصميمي لمناقشة وشرح الطريقة المذكورة أعلاه. يستخدم مثال التصميم كاشف المستوى البؤري المبرد بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة 3.7~4.8μm، وعنصر الصورة هو 640×480، وحجم البكسل هو 15μm×15μm، والطول القطري 12mm. وترد مؤشرات التصميم المحددة في الجدول 1.

يعتمد هيكل التكبير المتغير الأساسي للنظام البصري على شكل تعويض المجموعة الإيجابية؛ المجموعة الثابتة الأمامية ذات الطاقة الضوئية الإيجابية عبارة عن هيكل متجانس، باستخدام مادة السيليكون ذات قدرة تشتت ضعيفة لتحمل الطاقة الضوئية الرئيسية؛ مع الأخذ في الاعتبار نسبة التكبير الكبيرة، تكون انحرافات الموضع البؤري الطويلة والقصيرة للنظام متوازنة، كما تستخدم مجموعة التكبير المتغيرة ذات قوة الانكسار السلبية أيضًا السيليكون ذو قدرة التشتت الضعيفة.

وهذا يضمن أنه خلال حركة مجموعة التكبير بأكملها، لن يحدث انحراف لوني كبير جدًا عند الموضع البؤري القصير، ويضغط زاوية سقوط الضوء على سطح المجموعة الخلفية، مما يقلل من ضغط انحراف المجموعة الخلفية تصحيح.

تعتمد مجموعة التعويض هيكلًا نموذجيًا مكونًا من ثلاث قطع يتكون من السيليكون والجرمانيوم والسيليكون وفقًا لتوزيع الطاقة الضوئية الإيجابية والسلبية والإيجابية، وتصحح بشكل مستقل الانحراف اللوني والانحراف الكروي والغيبوبة وما إلى ذلك لمجموعة العدسات.

تعمل مجموعة العدسات الثابتة الوسطى بشكل أساسي، وتتمثل وظيفة العدسة الميدانية في ضغط عرض الشعاع وتقليل حجم مجموعة عدسات التصوير الثانوية؛ تتمتع مجموعة عدسات التكبير الثانوية بقوة انكسار إيجابية، وتعتمد هيكلًا مكونًا من قطعتين، وهي عبارة عن مزيج من مادتين من السيليكون والجرمانيوم، كما أنها تزيل المرآة بشكل مستقل. الانحرافات الأولية داخل المجموعة.

باستخدام برنامج Code V لتحسين وتحليل النظام البصري أعلاه، يوضح الشكل 2 نتائج التحسين للنظام البصري المدمج والكبير لنسبة التكبير المستمر للأشعة تحت الحمراء المتوسطة وتقييم MTF المقابل. ويستخدم النظام مادتين فقط للأشعة تحت الحمراء، وهما السيليكون والجرمانيوم، وإجمالي 10 عدسات.

يبلغ الطول الإجمالي للنظام البصري من سطح النظام البصري القريب من جانب الجسم إلى المستوى البؤري 300 مم، والحد الأقصى لقطر العدسة الواحدة أقل من 112 مم، والحد الأقصى لمعدل التشوه للزوم أقل من 5 %.

الشكل 2: نتيجة التصميم وأداء MTF المقابل للنظام البصري MWIR المدمج ذو نسبة التكبير العالية

تردد القطع للنظام البصري المصمم في كل موضع طول بؤري هو 33 1p/mm، ومجال الرؤية المركزي MTF أكبر من 0.28. تتميز وظيفة النقل لكل مجال رؤية بتوزيع جيد، مما يدل على أن النظام يتمتع بجودة تصوير جيدة، مما يثبت جدوى طريقة التصميم المذكورة أعلاه.

استخدم برنامج الماكرو المترجم لتحسين تصميم منحنى الكامة للنظام البصري المدمج المدمج ذو نسبة التكبير الكبيرة والتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة. الشكل 3 عبارة عن رسم تخطيطي لمنحنى كاميرا نظام التكبير الأمثل. ويمكن ملاحظة أن عملية تعويض التكبير/التصغير بأكملها تتم بشكل سلس بدون نقطة انعطاف.

بالإضافة إلى ذلك، تبلغ انعكاسية كل سطح 0.01، ومتوسط درجة حرارة الهيكل البصري الميكانيكي 20 درجة مئوية، ودرجة حرارة خلفية مشهد الكشف 20 درجة مئوية، ودرجة الحرارة داخل كاشف ديوار هي -195.86 درجة مئوية، وتم اعتماد فرق درجة الحرارة المستحث بالنرجس (NITD). يُظهر تقييم خصائص الانعكاس البارد لنظام التكبير/التصغير المذكور أعلاه أن النظام البصري بأكمله عند الموضع البؤري القصير، NITD≥2.85K؛ في الموضع البؤري الطويل، NITD≥0.92K، والذي يمكنه تلبية متطلبات التطبيقات الهندسية.

الشكل 3 منحنى الكاميرا لنظام MWIR البصري ذو نسبة التكبير الكبيرة

متطلبات التسامح هي كما يلي: التسامح مع معامل انكسار المادة ± 0.001، التسامح مع رقم آبي ± 0.002؛ انحناء نصف قطر التسامح ± 0.02 مم ؛ السماكة والتسامح الانحراف ± 0.02 مم ؛ التسامح الميل ± 1 '.

يتم دمج المكونات والمكونات مع أسطوانة العدسة، وتفاوت التكامل: التسامح اللامركزي ± 0.02 مم، التسامح مع الإمالة ± 1'؛ واتخاذ مجموعة التكبير على مرحلتين كتعويض التعديل. في هذا الوقت، مع احتمال أكثر من 90٪، عند تردد القطع 331p / مم، ومجال الرؤية المركزي MTF≥0.22، ومجال الرؤية الحافة MTF≥0.17. يمكن لمستوى المعالجة والتجميع الحالي أن يلبي متطلبات تصميم النظام بشكل كامل.

تحليل وملخص هيكل التكبير ثنائي العنصر في تحقيق نظام بصري ذو نسبة تكبير كبيرة للعديد من المشاكل، على هذا الأساس، يشرح هيكل التكبير على مرحلتين لطريقة تحقيق النظام البصري للتكبير المستمر بنسبة التكبير الكبيرة، والتوزيع تمت مناقشة قوة كل مكون وتنعيم منحنى حركة المكون في عملية التصميم، مما يوفر طريقة جديدة لتحقيق نظام التكبير الكبير.

على سبيل المثال، تم تصميم نظام بصري مدمج ذو نسبة تكبير كبيرة للأشعة تحت الحمراء المتوسطة والتكبير المستمر. يستخدم النظام مادتين فقط من مواد الأشعة تحت الحمراء، السيليكون والجرمانيوم، لتحقيق وظيفة التكبير المستمر بطول بؤري يتراوح من 6.5 إلى 455 ملم حتى 70 مرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن النظام صغير الحجم، ومدمج في الهيكل، وعالي النفاذية، وله جودة تصوير جيدة وخصائص تحمل. ومن المتوقع أن يستخدم على نطاق واسع في مجالات الإنذار المبكر والرؤية والتتبع والرصد وغيرها من المجالات. يوضح مثال التصميم أيضًا أنه يمكن استخدام الطريقة لتصميم نظام بصري تكبير مستمر مع نسبة تكبير كبيرة ومتطلبات مماثلة.

يتمتع Quanhom بسنوات عديدة من الخبرة في مجال البحثعدسات التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء، ويمكن أن يقدم لك بعض النصائح المهنية إلى حد ما.

كشركة رائدة في تصنيعالمكونات الكهروميكانيكية البصرية، لدينا فريق محترف محترف وذوي خبرة يعمل باستمرار على تطوير تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء الجديدة من الدرجة الأولى، ويتمتع بعقود من الخبرة في تصميم المنتجات المعقدة ذات الصلة بالبصريات بالأشعة تحت الحمراء. لقد لقيت عدسات الأشعة تحت الحمراء الحرارية عالية الجودة (LWIR، MWIR، وSWIR) استقبالًا جيدًا من قبل المستخدمين، وقد حازت خدمتنا الشاملة المدروسة أيضًا على الثناء والثقة من العديد من العملاء. إذا كنت ترغب في شراء عدسة التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء، يرجى الاتصال بنا على الفور!

المؤلفون: تشو روي، مي تشاو، يانغ هونغتاو، تساو جيان تشونغ، تشاو يان

مصدر المجلة: المجلد 46 العدد 11 هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر نوفمبر 2017

تاريخ الاستلام: 2017-03-12 تاريخ تاريخ المراجعة: 2017-04-17

[1] إليس آي بي، جيمس بي سي، إيان آن، وآخرون. نظام عدسة التكبير/التصغير: الولايات المتحدة، 6969188 B2[P]. 29-07-2005.

[2] Neil I A. مواطن الخلل في تصميم عدسة التكبير/التصغير [C]//SPIE, 1997, 3129: 158-180.

[3] Sinclair R L. عدسات تكبير عالية التكبير لتطبيقات 3-5 مم[C]//SPIE, 2004, 3429: 11-18.

[4] Aron Y, Boubis I, Shabit RT تصميم جديد للتكبير الحراري العالي 1:30 في MWIR [C]//SPIE, 2004, 5406: 97-106.

[5] هيون سوك كيم، تشانغ وو كيم، سيوك مين هونغ، وآخرون. كاميرا تكبير صغيرة الحجم تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات طول موجي متوسط مع نطاق تكبير 20:1 والتحويل الحراري التلقائي [J]. أوبت إنج، 2002، 41(7): 1661-1667.

[6] تشو هاو، ليو ينغ، صن تشيانغ، وآخرون. نظام بصري للتكبير المستمر MWIR بتكبير 45 [J]. مجلة الأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية، 2014، 33(1): 68-77.

[7] وانغ هاييانغ، لي لي، جين نينغ، وآخرون. تصميم الأنظمة البصرية ذات التكبير المستمر MWIR ذات مدى التكبير الكبير [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2013، 42(2): 398-402. (باللغة الصينية)

[8] تشانغ ليانغ. التصميم البصري لنظام التكبير بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة [J]. مجلة البصريات التطبيقية، 2006، 27 (1): 32 -34. (باللغة الصينية)

[9] تاو تشونكان. تصميم النظام البصري للتكبير/التصغير [M]. بكين: مطبعة صناعة الدفاع الوطنية، 1988 (باللغة الصينية)

[10] Lee KH. حساب الدرجة الأولى لأنظمة التصوير الضوئية بالأشعة تحت الحمراء[C]//SPIE , 2003, 5076: 123-129.

[11] وارن جي إس. الهندسة البصرية الحديثة: تصميم الأنظمة البصرية [م]. نيويورك: شركة ماكجرو هيل، 2008.

[12] كينجسليك آر، جونسون آر بي. أساسيات تصميم العدسات[م]. بيرلينجتون: الصحافة الأكاديمية، 2010.

[13] جوزيف إم جي. مقدمة لتصميم العدسات مع أمثلة عملية لـ ZEMAX[M]. ريتشموند: شركة ويلمان بيل، 2002.

[14] وانغ تشيجيانغ، غو بيسن. دليل التكنولوجيا البصرية العملي [م]. بكين: مطبعة صناعة الآلات، 2006. (بالصينية)

[15] شركاء البحوث البصرية. الدليل المرجعي للكود الخامس [M]. باسادينا: شركاء البحوث البصرية، 2009.