تصميم النظام البصري LWIR Zoom مع نطاق تكبير 20:1

تم تصميم نظام بصري للتكبير بالأشعة تحت الحمراء مع نطاق تكبير يبلغ 20:1 استنادًا إلى كاشف QWIP طويل الموجة 384×288. يتراوح نطاق الطول الموجي للتشغيل من 8 إلى 9 ميكرومتر، والرقم البؤري هو 3، والطول البؤري قابل للتغيير باستمرار من 18.5 إلى 367 ملم.

يتكون النظام من كائن تكبير معوض ميكانيكيًا ونظام تصوير ثانٍ، بما في ذلك 6 عدسات وعاكسين، ويتميز بمزايا نسبة التكبير الكبيرة والدقة العالية والحجم الصغير وجودة الصورة الممتازة. تم تقييم جودة صورة نظام التكبير البصري باستخدام برنامج التصميم البصري ZEMAX، وأظهرت النتائج أن MTF في النهج البؤري بأكمله له حد حيود عند تردد Nyquist قدره 20 lp/mm.

نظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء هو نظام يمكن من خلاله تغيير البعد البؤري بشكل مستمر، ويظل سطح الصورة ثابتًا ويتم الحفاظ على جودة الصورة أثناء عملية التكبير. يمكنه الحصول على أحجام مختلفة من زوايا المجال وأحجام مختلفة من الصور ونطاقات مشهد مختلفة. ويمكن الحفاظ على استمرارية الصورة أثناء عملية التحويل، وهي تستخدم على نطاق واسع في العديد من مجالات الاقتصاد الوطني وصناعة الدفاع.

يتمتع نظام التصوير الحراري عالي الدقة والتكبير المستمر بالتكبير المستمر بمجموعة واسعة من التطبيقات في المجال العسكري. الدقة العالية تعني طولًا بؤريًا طويلًا، والذي يمكنه تحقيق المراقبة والتعرف على الأهداف البعيدة جدًا؛ التكبير العالي يعني نسبة تكبير كبيرة، والتي يمكن تحقيق تكبير كبير للأهداف الصغيرة المشتبه فيها؛ التكبير المستمر يعني أنه يمكن تحقيق الكشف المستمر عن الأهداف وتتبعها والتعرف عليها وتوجيهها دون فقدان الأهداف عند تغيير التكبير، وهو أمر مفيد بشكل خاص للبحث وتتبع الأهداف المتحركة عالية السرعة.

حظيت أجهزة الكشف عن الآبار الكمومية باهتمام واسع النطاق وتطور سريع نظرًا لمزاياها مثل التجانس الجيد والتكلفة المنخفضة والأداء العالي والألوان المتعددة وإنتاج المصفوفات الكبيرة. في الوقت الحاضر، في البلدان المتقدمة مثل الولايات المتحدة وأوروبا، تطور المستوى البؤري الكمومي إلى أحد الفرعين الرئيسيين لأجهزة المستوى البؤري المبرد طويل الموجة. طورت العديد من البلدان أجهزة تصوير حرارية تعتمد على أجهزة كشف الآبار الكمومية بأحجام مختلفة.

ستناقش هذه المقالة التعويض الميكانيكي المستمر للتكبير المستمر للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، وبالنسبة لكاشف المستوى البؤري البئر الكمي طويل الموجة 384 × 288، تم تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة 20x مع 6 عدسات فقط، والتي تتميز بنفاذية عالية و دقة. تتوافق مزايا المعدل العالي ونسبة التكبير الكبيرة والهيكل المدمج والوزن الخفيف وجودة الصورة العالية مع اتجاه البحث الحالي لنظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء.

المبدأ الأساسي للنظام البصري لزوم التعويض الميكانيكي هو استخدام مكوني مجموعة التكبير ومجموعة التعويض للتحرك في نفس الوقت لتحقيق تغييرات مستمرة في البعد البؤري مع الحفاظ على سطح صورة ثابت، والحفاظ على جودة صورة جيدة أثناء التكبير.

عادةً، يتم تحديد المعلمات الأولية للنظام من خلال الحسابات الضوئية الغوسية وفقًا للمتطلبات التي يحتاج النظام إلى تلبيتها.

يوضح الشكل 1 المبدأ البصري لنظام تكبير تعويض المجموعة السلبية. في الشكل، 1 هي المجموعة الثابتة الأمامية؛ 2 هي مجموعة التكبير. 3 هي مجموعة التعويض. 4 هي المجموعة الثابتة الخلفية. من أجل تحقيق التكبير/التصغير، تتحرك مجموعة التكبير/التصغير 2 خطيًا على طول المحور البصري، ويتغير تكبير المحور الرأسي من β2 إلى β2*.

في هذا الوقت، تتحرك نقطة الصورة أيضًا وفقًا لذلك. لضمان بقاء نقطة الصورة دون تغيير، يجب أن تكون مجموعة التعويض 3 هي المحور المقابل للتحرك. قم بتغيير تكبير مجموعة التعويض من β3 إلى β3*. ثم نسبة التكبير للنظام هي:

مقدار حركة مجموعة التعويض:

الشكل 1: مبدأ النظام البصري للتكبير/التصغير المعوض ميكانيكيًا

بالنسبة لكاشف المستوى البؤري البئر الكمي طويل الموجة، يبلغ حجم الصفيف 384 × 288، وحجم البكسل هو 25 ميكرومتر × 25 ميكرومتر. مع الأخذ في الاعتبار متطلبات الحجم والوزن والأداء والتكلفة، فإن مؤشر التصميم للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ذو التكبير المستمر 20 × هو كما يلي في الجدول 1.

بالنسبة لكاشف المستوى البؤري الكمي طويل الموجة، وفقًا للمتطلبات الفنية لنظام التكبير/التصغير، يتم تحديد المعلمات الأولية للنظام وفقًا للطرق والخطوات المقدمة في القسم 2، ثم تم تطوير برنامج التصميم بمساعدة بصرية ZEMAX من قبل شركة Focus الأمريكية لتحسين التصميم والتصميم. تحتاج إلى النظر في مطابقة الحجاب الحاجز البارد، وظاهرة الانعكاس البارد، ودقة المعالجة، وحجم النظام، والوزن، وغيرها من القضايا.

يعتمد نظام التكبير/التصغير شكل تعويض ميكانيكي، يتكون من مجموعة أمامية ثابتة، ومجموعة تكبير متغيرة، ومجموعة تعويض، ومجموعة ثابتة خلفية. تتكون كل مجموعة عدسات من عدسة جرمانيوم، وتكون مساهمتها في القوة البصرية للنظام إيجابية وسلبية وإيجابية. من أجل تصحيح الانحرافات، وتحسين جودة الصورة، وتقليل عدد العدسات قدر الإمكان، وزيادة النفاذية، تم تقديم سطح حيود ثنائي واثنين من الأسطح شبه الكروية عالية الترتيب.

من أجل المساعدة في ضغط فتحة العدسة الهدف الأولى والحفاظ على الكاشف بكفاءة الشاشة الباردة بنسبة 100%، تم اعتماد تصميم تصوير ثانوي. تتكون مجموعة التتابع من Ge وZnSe.

تتميز مادة الجرمانيوم بخصائص التشتت المنخفض ومعامل الانكسار العالي ولها أداء تشتت جيد عند 8-12 ميكرومتر. ومع ذلك، فمن الصعب تصحيح الانحراف اللوني لأنظمة التكبير المعقدة بمادة واحدة فقط. يلعب ZnSe بشكل رئيسي دور الانحراف اللوني.

الطول الإجمالي للنظام البصري أقل من 390 ملم. من أجل تسهيل تحقيق الهيكل المدمج وتقنية المسح الدقيق [8]، يتم استخدام عاكسين موضوعين عند 45 درجة لطي المسار البصري مرتين. الحجم الإجمالي أقل من 230 مم × 175 مم × 128 مم (الطول × العرض × الارتفاع)، وتظهر نتيجة التصميم في الشكل 2.

الشكل 2 رسم تخطيطي لبصريات التكبير

نطاق التكبير المستمر للنظام هو 18.5～367 مم، وهو ما يتوافق مع مجال رؤية يبلغ 1.5°×1.1°～30°×22.5°، وأي مجال رؤية يمكن أن يضمن جودة الصورة أثناء عملية التكبير/التصغير. تكتمل وظيفة التكبير/التصغير بواسطة مجموعة التكبير المتغيرة ومجموعة التعويض.

يتم استخدام مجموعة التكبير المتغير للتكبير المتغير بحد 74 مم؛ يتم استخدام مجموعة التعويض لتعويض إزاحة مستوى الصورة والتركيز وتعويض درجة الحرارة بضربة 48 مم. مسار التشغيل لمجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض سلس، وتظهر عملية التكبير/التصغير ومنحنى التعويض في الشكلين 3 والشكل 4.

الشكل 3: مفهوم نظام التكبير البصري

الشكل 4 منحنيات التكبير والتعويض

تعد وظيفة نقل التعديل (MTF) المعيار الأكثر شمولاً بين معايير أداء النظام البصري بالكامل. خاصة بالنسبة لأنظمة التصوير، يتم التعرف عليه حاليًا كمؤشر تقييم يمكن أن يعكس بشكل كامل جودة التصوير الفعلية للنظام في التصميم البصري الحديث. بعد التصميم الأمثل، يصبح سطح الصورة للنظام مستقرًا وتكون جودة الصورة ممتازة أثناء عملية التكبير/التصغير.

ويبين الشكل 5 الرسوم البيانية لوظيفة نقل التشكيل البصري لأطوال بؤرية مختلفة. يمكن أن نرى من الرسم البياني أن MTF عند تردد Nyquist (20 lp/mm) قريب من حد الحيود (الخط الأسود الصلب العلوي هو حد الحيود). )، مما يشير إلى أن جودة التصوير لنظام التكبير ممتازة، وهي كافية لتلبية جودة التصوير للنظام البصري في نطاق تغيير الطول البؤري بأكمله.

الشكل 6: المخططات الموضعية لنظام التكبير البصري

المخطط البقعي هو بقعة الصورة الهندسية التي يشكلها النظام البصري عند تصوير هدف نقطي. وهو مؤشر مهم لتقييم جودة التصوير للنظام البصري. يعكس الجذر المتوسط لقيمة القطر المربع تركيز الطاقة الضوئية، وهو أكثر انعكاسًا من القيمة القصوى للقطر الهندسي. جودة تصوير النظام. في التصميم البصري، يعني الجذر أن القطر المربع للهدف النقطي من المتوقع أن يكون أقل من حجم بكسل واحد.

ويبين الشكل 6 المؤامرات ذات الأطوال البؤرية المختلفة. يمكن ملاحظة أن الحد الأقصى لمتوسط الجذر التربيعي لنصف القطر (RMS) للنظام هو 5.7 مم، وهو ضمن بكسل واحد للكاشف (الصندوق الأسود في الشكل، 25 ميكرومتر × 25 ميكرومتر)، مما يوضح أن التكبير البصري يتمتع النظام وكاشف الأشعة تحت الحمراء بمطابقة جيدة، مما يلبي متطلبات النظام.

في هذا البحث، الذي يهدف إلى كاشف المستوى البؤري الكمي ذو الموجة الطويلة 384 × 288، يتم استخدام طريقة التعويض الميكانيكي لتحقيق تكبير مستمر في نطاق 18.5 ~ 367 ملم مع 6 عدسات فقط. تظل الفتحة النسبية دون تغيير أثناء عملية التكبير/التصغير، ويكون الرقم البؤري ثابتًا عند 3.

تم استخدام برنامج التصميم البصري ZEMAX لتقييم جودة الصورة. أظهرت النتائج أنه عند التردد المركزي (20 lp/mm)، يكون MTF لكل مجال رؤية في كل موضع تكبير قريبًا من حد الحيود، وتكون جودة الصورة جيدة. واستخدام المرايا لطي مسار الضوء، لتحقيق هيكل مدمج.

وهذا يتماشى مع اتجاه تطوير أنظمة التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذات جودة الصورة العالية ونسبة التكبير الكبيرة والدقة العالية والحجم الصغير والوزن الخفيف. إنه يلبي احتياجات التطبيقات العملية ويمكن استخدامه على نطاق واسع في أنظمة التصويب المستقر أو الإنذار المبكر المحمولة جواً، وأنظمة إنذار الدفاع الجوي الأرضي، وأنظمة الاستطلاع والتتبع المحمولة على متن السفن، وأنظمة البحث والمراقبة في ساحة المعركة، ونظام توجيه وتتبع منصات الأسلحة، وما إلى ذلك.

ال عدسة التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة يأخذ تصميم وتصنيع Quanhom في الاعتبار خفة الفتحة والتكلفة، وهي مناسبة جدًا للمراقبة عن بعد والأمن الداخلي وتدعم تنسيق SXGA (1280x1024 12μm). إذا كان لديك طلب لهذا، يمكنك إرسال طلبك إلينا، وسنقدم لك إجابة مرضية في أقرب وقت ممكن.

كشركة مصنعة محترفة ل عدسات الأشعة تحت الحمراء الحرارية(بما في ذلك LWIR وMWIR وSWIR)، 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!

المؤلفون: تشن لوجي، لي بينغ، سون تشيان

مصدر المجلة: تقنية الأشعة تحت الحمراء المجلد 34 العدد 8 أغسطس 2012

تاريخ الاستلام: 2012-03-04

[1] 许照东، 刘欣، 董涛.机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计[J].红外与激光工程، 2007، 36(5): 619-621.

[2] 陈吕吉، 李萍، 马琳.紧凑中波红外连续变焦光学系统设计[J]. شكرا جزيلا. 2010، 32(11): 645-648.

[3] 史衍丽.国外量子阱红外焦平面探测器的发展概况[J].红外技术,2005, 27(4): 274-278.

[4] 李献杰، 齐丽芳.量子阱红外焦平面阵列的商业化进程[J].红外与激光工程، 2007، 36(ض): 175-182.

[5] ستيفان جوهانسون، بصري لوحدات الكاميرا بعيدة المدى مع كاشفات QWIP 640×480[C]//SPIE, 2003, 5074: 867 -873.

[6] أوليفييه كوكل، فرانسوا هوج غوتييه، وآخرون. جهاز التصوير الحراري QWIP [C] // SPIE، 2003، 5074: 715-725.

[7] 王之江.实用光学技术手册[M]. المصدر: 工业出版社، 2007.

[8] 李林، 王涌天، 张丽琴، 等.变焦距物镜高斯光学参数的求解[J].北京理工大学学报. 2003, 23(4): 424-427.

[9] هيون سوك كيم، وي كيونغ يو، وآخرون. كاميرا MWIR مدمجة مع تكبير بصري 20x[C]//SPIE، 2001، 4369: 673 -679.