تصميم نظام تكبير الموجة المتوسطة بالأشعة تحت الحمراء ثلاثي المجالات

يتميز نظام التكبير ثلاثي المجالات بمزايا الهيكل الميكانيكي البسيط، والموثوقية الأفضل، والوقت القصير لتغيير التركيز مقارنة بأنظمة التكبير/التصغير الأخرى. باستخدام كاشف مبرد بدقة 320×240 مع أبعاد بكسل 30μm×30μm، تم تصميم نظام بصري ثلاثي المجالات ذو موجة متوسطة بطريقة التصوير الثانوية. الرقم البؤري للنظام هو 4، نطاق مجال الرؤية هو 1.4 درجة -23.8 درجة، ويمكنه تحقيق طول بؤري ثلاثي المواضع 30 مم/100 مم/500 مم.

في عملية التصميم، تم اعتماد مادة الجرمانيوم ومادة السيليكون لموازنة الانحراف اللوني، مما يوفر كرة واحدة لموازنة انحراف الكرة. يستخدم النظام مرآتين لتقليل أبعاد المحور. أبعاد النظام أفضل من 210 مم × 160 مم × 120 مم، ويتميز بخصائص البعد الصغير، وهيكل التكبير البسيط، وجودة الصورة الجيدة، وما إلى ذلك. وظيفة نقل التعديل (MTF) أعلى من 0.5 عند تردد مكاني يبلغ 17lp/mm و أن تكون نسبة تركيز الطاقة أكبر من 70% داخل عنصر الاستشعار بالكاشف.

في السنوات الأخيرة، مع تطور صناعات معالجة الأشعة تحت الحمراء وأشباه الموصلات، أصبحت أنظمة الأشعة تحت الحمراء تستخدم على نطاق واسع. نظرًا لأن نظام الأشعة تحت الحمراء يتميز ببعض الخصائص التي لا يتمتع بها نظام الضوء المرئي، مثل التصوير الليلي وقياس درجة الحرارة بدون تلامس وما إلى ذلك، فإن التصوير بالأشعة تحت الحمراء يستخدم بشكل متزايد في الإنقاذ الليلي والمراقبة الليلية وغيرها من المجالات.

مع تطور متطلبات تطبيق نظام الأشعة تحت الحمراء، أصبحت عيوب نظام التركيز الثابت أكثر وضوحًا. لديها مجال رؤية واحد ولا يمكنها تحقيق مسح عام لمجال رؤية كبير وفحص تفصيلي لمجال رؤية صغير. يمكن لنظام التكبير/التصغير أن يعوض هذا النقص.

بالمقارنة مع نظام التكبير المستمر، يمكن لنظام التكبير ثلاثي المجالات أن يلغي الحاجة إلى تصميم منحنى الكامة المعقد. من خلال التعويض الميكانيكي البسيط، يمكن تحقيق ثلاثة أطوال بؤرية مختلفة طويلة ومتوسطة وقصيرة، تتوافق مع الأنواع الثلاثة الضيقة والمتوسطة والواسعة. بالنسبة لمجالات الرؤية المختلفة، يمكن تحديد مجال الرؤية أو البعد البؤري المقابل وفقًا لمناسبات الاستخدام المختلفة.

بالمقارنة مع نظام التكبير/التصغير التقليدي، يتمتع نظام التكبير/التصغير ثلاثي المجالات بمزايا تقليل اهتزاز المحور البصري ووقت تكبير أقصر. في هذا البحث، تم استخدام كاشف مبرد بدقة 320×240 وحجم بيكسل 30μm×30μm لتصميم نظام بصري تكبير ثلاثي المجالات يعمل في طيف الموجة المتوسطة.

الرقم البؤري للنظام هو 4، والبعد البؤري المقربة 500 مم، والبعد البؤري 100 مم، والبعد البؤري القصير 30 مم، وزوايا مجال الرؤية 1.4 درجة، 6.8 درجة، و 23.8 درجة على التوالي. يتكون النظام من 9 عدسات ومرآتين، مما يحقق كفاءة الحجاب الحاجز البارد بنسبة 100%، وهيكل مدمج، وجودة صورة جيدة، وخصائص أخرى.

باستخدام كاشف مبرد بدقة 320 × 256، تظهر معلمات تصميم النظام البصري في الجدول 1.

نظرًا لأن النظام عبارة عن نظام بصري يعمل بالأشعة تحت الحمراء مبرد، فإن كيفية تقليل الانعكاس البارد للنظام يعد أحد الاعتبارات المهمة في التصميم. يعد الانعكاس البارد ظاهرة شائعة في أنظمة الأشعة تحت الحمراء المبردة. يختلف عن نظام الضوء المرئي، في نظام الأشعة تحت الحمراء، كل إطار أو برميل هو مصدر إشعاع، والذي ينعكس عن طريق السطح غير العامل للجزء البصري ويدخل إلى كاشف الأشعة تحت الحمراء.

إذا لم يكن توزيع مجال الرؤية الكامل هذا موحدًا، فسيتم إنشاء تدرجات رمادية أثناء التصوير. في معظم الحالات، يكون التدرج الرمادي في المركز أقل من التدرج الرمادي عند الحواف، وسيظهر نظام التصوير باللون الأسود في المركز ومشرقًا عند الحواف. ويمكن اعتباره ضجيجًا في الخلفية يتم تثبيته على الصورة المستهدفة أثناء التصوير. عندما يكون الانعكاس البارد شديدًا، فقد يؤثر ذلك بشكل خطير على جودة الصورة. ولذلك، فمن الضروري التركيز على تحليل وتقييم تأثير الانعكاس البارد أثناء التصميم.

يعتمد النظام هيكل مجموعة التكبير المفردة ومجموعة التعويض المفردة، ويجب أن يفي الحل الغوسي بالمعادلة التالية:

الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير والمجموعة الثابتة بعد التكبير:

الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير ومجموعة التعويض:

يمكن معرفتها من صيغة علاقة صورة كائن البصريات الهندسية:

المسافة المقترنة للنظام هي:

في الصيغة أعلاه: T هي نسبة التكبير/التصغير للنظام؛ ب₂هو التكبير الرأسي للموضع الأولي لمجموعة التكبير المتغير؛ ب₃هو التكبير الرأسي للموضع الأولي لمجموعة التعويض؛β^*₂هو التكبير الرأسي لمجموعة التكبير المتغير بعد التكبير التكبير؛ ب^*₃هو تكبير المحور العمودي لمجموعة التعويض بعد التكبير؛ F₁' هو البعد البؤري للمجموعة الثابتة الأمامية؛ F₂' هو البعد البؤري للتكبير المتغير؛ F₃' هو البعد البؤري لمجموعة التعويض؛ د_s12هو الموضع الأولي لمجموعة التكبير المتغيرة مثل الفاصل الزمني للمجموعة الثابتة السابقة؛ د_S23هو الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير ومجموعة التعويض؛ د*_s12هو الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير بعد التكبير والمجموعة الثابتة السابقة؛ د*_S23هو الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض بعد التكبير/التصغير.

بتعويض الصيغتين (8) و (9) في الصيغة (10) نحصل على:

الشكل 1: الرسم التخطيطي الأساسي للنظام البصري

في التصميم، يتم وضع غشاء النظام البصري في موضع الشاشة الباردة للكاشف، ويتم استخدام طريقة التصوير الثانية لتحقيق كفاءة الحجاب الحاجز البارد بنسبة 100%. وفقًا للصيغة ذات الصلة، يمكن حساب موضع الحجاب الحاجز عند هياكل البعد البؤري المختلفة للنظام لضمان أطوال بؤرية مختلفة. يمكن أن يلبي الموضع كفاءة الفتحة الباردة بنسبة 100%.

In order to reduce the axial size of the system, the system adopts a negative group compensation zoom method without object image exchange. It can be known from related references that when the focal length of the compensation group |f₃′| is too large, the total length of the system will increase, so in the system, the size of |f₃′| is limited during optimization.

The final normalized focal length of the compensation group of the system is |f₃'|=1.3. When the focal length of the compensation group decreases, the relative aperture of the compensation group will increase, which will increase the difficulty of system aberration correction.

يستخدم التصميم سطحًا شبه كروي لتصحيح الانحراف الكروي وانحراف الغيبوبة، ويتم إضافة السطح شبه الكروي إلى العدسة السلبية السادسة من مادة الجرمانيوم في النظام. يتم استخدام مادة الجرمانيوم ذات معامل تشتت كبير في نطاق الموجة المتوسطة كعدسة سلبية، ويتم استخدام مادة السيليكون ذات معامل تشتت صغير في نطاق الموجة المتوسطة كعدسة موجبة حتى يتمكن النظام من ضمان جودة تصوير جيدة عند كل موقف التكبير. تظهر نتيجة التصميم في الشكل 2.

الشكل 2 التخطيطي البصري للتصميم

ومن خلال تغيير مواضع العدسة 3 والعدسة 4، يحقق النظام أطوالًا بؤرية طويلة ومتوسطة وقصيرة، مما يلغي الحاجة إلى تصميم منحنى الكاميرا ويقلل من تعقيد النظام. قبل أن ينكسر مسار الضوء، يكون طول النظام 400 مم، ونسبة التقريب (الطول الإجمالي/البعد البؤري) = 400/500 = 0.8. بعد أن ينكسر مسار الضوء بواسطة المرآة، يكون الحجم الإجمالي للنظام أقل من 210mm×160mm×120mm. يحتوي النظام على هيكل مدمج ويلبي متطلبات التصغير.

تميز وظيفة النقل البصري قدرة العدسة على التصوير لأهداف ذات مستويات مكانية مختلفة، من بينها التردد المنخفض الذي يميز الكفاف، والتردد المتوسط الذي يميز المستوى، والتردد العالي الذي يميز القدرة على الدقة. في أنظمة التصوير العامة، تكون وظيفة النقل أكبر من 0.2، ويتطلب عمومًا أن تكون وظيفة النقل لعدسة الأشعة تحت الحمراء أكبر من 0.4.

تم إدخال نظام تصحيح الانحراف الكروي في التصميم، الموجود في العدسة السادسة، ويبلغ حجم بكسل النظام 30μm، وتردد Nyquist هو 16.7lp/mm، والأطوال البؤرية الثلاثة للنظام هي 17lp/mm، يظهر منحنى وظيفة النقل في الشكل 3.

الشكل 3 منحنيات MTF

يمكن أن نرى من الشكل أن قيم دالة النقل للنظام كلها أكبر من 0.5، وهو قريب من حد الحيود، مما يشير إلى أن النظام يتمتع بجودة تصوير جيدة ودقة عالية. ويبين الشكل 4 منحنى الطاقة لدائرة الحيود المحيطة بالنظام. يمكن أن نرى من الشكل أن حوالي 70% من الطاقة تتركز في العنصر الحساس للكاشف، وهو ما يلبي المتطلبات الأساسية للكشف عن التبريد بالأشعة تحت الحمراء.

الشكل 4: بقعة الانكسار

نظرًا لأن الغشاء البارد للكاشف المبرد يمكن أن ينعكس من خلال سطح الانكسار في النظام البصري الأمامي، فيمكنه استقبال الإشعاع البارد من نفسه ومن البيئة المحيطة لتكوين صورة انعكاس باردة. سيشكل الانعكاس البارد نقطة داكنة في وسط السطح المستهدف، مما يقلل من نسبة ضوضاء إشارة النظام، لذلك يجب مراعاته في التصميم لتقليل تأثيره على تصوير النظام.

من أجل منع الانعكاس البارد، الطرق المستخدمة بشكل شائع هي:

(1) يتم تطبيق طلاء مضاد للانعكاس لتحسين نفاذية العناصر البصرية وتقليل الانعكاس لتقليل الطاقة الموجودة في شعاع التصوير المنعكس؛

(2) التحكم في زاوية ضوء التصوير المنعكس لتجنب الحوادث على طول الاتجاه الطبيعي للسطح قدر الإمكان. من السهل أن يعكس الضوء الساقط على طول السطح الطبيعي السطح المستهدف للكاشف.

في تحليل الانعكاس البارد، تعد YNI وI/IBAR من المعلمات المهمة للتحقيق، حيث Y هو ارتفاع شعاع الحافة، وN هو معامل انكسار السطح، وI هي زاوية الحادث المقابلة لشعاع الحافة Y، وIBAR هو الحادث زاوية الشعاع الرئيسي. عادة عندما YNI≥1، فإنه يشير إلى أنه يمكن تجاهل مساهمة هذا الوجه في الانعكاس البارد. عندما تكون قيمة YNI صغيرة وI/IBAR<1، قد ينتج عن السطح انعكاس شديد البرودة.

يوضح التحليل أن النظام قد يكون له انعكاسات شديدة البرودة عند التركيز القصير. ويبين الجدول 2 نتائج تحليل مواضع التركيز القصيرة للنظام. من الجدول، يمكن ملاحظة أن الانعكاسات الباردة على الأسطح 3، 6، 7 قد تكون أكثر خطورة. وبما أن قيمة YNI وقيمة I/IBAR للسطح 6 هي الأصغر، ركز على السطح السادس.

اقلب النظام رأسًا على عقب، واستخدم الكاشف كمصدر للضوء، وتتبع الضوء للخلف، وقم بتعيين السطح السادس للنظام كسطح عاكس لتتبع الأشعة. ويبين الشكل 5 نتيجة تتبع الأشعة. يمكن أن نرى من الشكل أن الصورة التي يتكونها الضوء من مستوى الصورة المنعكس عن السطح 6 بعيدة عن مستوى الصورة، ويمكن تجاهل تأثير الانعكاس البارد الناتج عنها.

الشكل 5: رسم تخطيطي لتتبع شعاع الانعكاس البارد

يقدم المقال خصائص النظام البصري للتكبير ثلاثي المجالات بالتفصيل، ويستخدم كاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد بدقة 320 × 240 لتصميم نظام بصري للتكبير ثلاثي المجالات بالأشعة تحت الحمراء متوسط الموجة بثلاثة أطوال بؤرية 30 مم و100 مم و500 مم ، يتم إعطاء عملية التصميم ونتائج التصميم.

في التصميم، تم استخدام مادتين لتصحيح الانحراف اللوني للنظام، ويتم تصحيح الانحراف الكروي للنظام عن طريق السطح اللاكروي، مما يحسن جودة تصوير النظام. يتم استخدام طريقة التصوير الثانوية لجعل النظام يصل إلى كفاءة الحجاب الحاجز البارد بنسبة 100٪. ويبلغ الطول الإجمالي للمسار البصري للنظام قبل الدوران 400 ملم، وتصل نسبة التقريب إلى 0.8. بعد استخدام مرآتين لتحويل المسار البصري، يكون الطول الإجمالي أقل من 210 مم.

منحنى وظيفة النقل للنظام قريب من حد الحيود، وتركيز الطاقة للدائرة المحيطة مرتفع، مما يشير إلى أن النظام يتمتع بجودة تصوير جيدة. وفي نهاية المقال يتم تحليل الانعكاس البارد، ويتم إعطاء طريقة تحليل الانعكاس البارد ونتائج التحليل. تظهر نتائج التحليل أنه يمكن تجاهل تأثير الانعكاس البارد. النظام صغير الحجم وصغير الحجم ويلبي متطلبات التصغير ويمكن استخدامه على نطاق واسع في معسكرات البحث المحمولة جواً والتصوير الليلي للإنقاذ.

العدسة بصرية بالأشعة تحت الحمراءيتميز التصميم والتصنيع بواسطة Quanhom بمزايا كبيرة تتمثل في الوزن الخفيف والدقة العالية ويمكن مراقبته بشكل فعال في مجموعة متنوعة من البيئات المعقدة والقاسية. إذا كنت ترغب في الحصول على المزيد من الخدمات ذات الصلة، يمكنك أن ترسل لنا احتياجاتك، وسنقدم لك إجابة مرضية في أقرب وقت ممكن.

كشركة مصنعة من ذوي الخبرةالمكونات الكهروميكانيكية البصرية، تم تجهيز Quanhom بنظام فحص الجودة الاحترافي وفريق إدارة شامل ويتمتع بسمعة عالية في الصناعة. تُباع منتجاتنا في جميع أنحاء العالم وتُستخدم في جميع مناحي الحياة. كما حظيت خدمة التسوق الشاملة المدروسة لدينا بإشادة بالإجماع من العملاء. إذا كنت مهتمًا بالعدسات البصرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، فيرجى الاتصال بنا على الفور!

المؤلفون: فان زهيوان، جاو ليمين، تشانغ تشي، تشن وينينغ، يانغ هونغتاو، تشانغ جيان، وو لي، كاو جيان تشونغ

مصدر المجلة: المجلد 43 العدد 2 هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر فبراير 2014

تم استلام المخطوطة: 14-06-2013؛ تاريخ المراجعة: 2013-07-19

[1] تشانغ مينجي، لي باوبينغ، وانغ تشونغنان، وآخرون. تصميم النظام البصري للأشعة تحت الحمراء ثنائي مجال الرؤية ذو التبديل والتكبير مع الانكسار الهجين [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2008، 37(5): 850-853. (باللغة الصينية)

[2] تشين لفجي، تشين جينجين، لي بينغ. تصميم جديد للنظام البصري ذو مجال الرؤية المزدوج بالأشعة تحت الحمراء LW مع إيقاف التكبير/التصغير [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2011، 33(7): 406-410. (باللغة الصينية)

[3] تشاو شين ليانغ، وانغ هايكسيا، كوي لي، وآخرون. تصميم النظام البصري LWIR للمسح المزدوج المجال [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2011، 40(8): 1517-1520. (باللغة الصينية)

[4] دونغ كيان، صن تشيانغ، لي يونغدا، وآخرون. تصميم نظام بصري ثنائي البؤرة يعمل بالأشعة تحت الحمراء الانكسار/الحيود [J]. اكتا فيزيكا سينيكا، 2006، 55(9): 4602-4606. (باللغة الصينية)

[5] لو شوجون، هي ووبين، لي وينهو، وآخرون. تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع FPA كبير [J]. البصريات والهندسة الدقيقة، 2012، 20(10): 2117-2122. (باللغة الصينية)

[6] تشو هاو، ليو ينغ، سون تشيانغ. نظام بصري للتكبير بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة بنسبة 25[J]. اكتا أوبتيكا سينيكا، 2012، 32(4): 0422001-1-0422005. (باللغة الصينية)

[7] تاو تشونكان. تصميم عدسة التكبير [M]. بكين: مطبعة صناعة الدفاع الوطنية في بكين، 1988: 33-39، 140-153. (باللغة الصينية)

[8] فان زهيوان، يانغ هونغتاو، تشو إنشي، وآخرون. تصميم نظام مسح بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة ذو مجال كبير وفتحة كبيرة [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2012، 41(10): 2740-2744. (باللغة الصينية)