تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة عالي الدقة

كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء هي أداة كهروضوئية يستخدمها الأشخاص لمراقبة وتتبع وتحديد الأهداف بعيدة المدى في الليل وفي الأحوال الجوية السيئة. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات مراقبة جميع الأحوال الجوية مثل الدفاع الوطني والوقاية من الحرائق والإغاثة في حالات الكوارث والاستكشاف الجيولوجي في السنوات الأخيرة. ولها فوائد اقتصادية واجتماعية كبيرة. كاميرات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء لها ثلاثة أشكال رئيسية: مجال رؤية واحد، مجال رؤية مزدوج، والتكبير المستمر.

تحتوي كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء ذات المجال الواحد على طول بؤري ثابت واحد، ومجال الرؤية صغير، ولا يمكنه تلبية احتياجات البحث عن الهدف وتحديد هويته في نفس الوقت؛ تحتوي كاميرا التصوير الحراري ذات المجال المزدوج على طولين بؤريين مختلفين، مما يشكل مجالين كبيرين وصغيرين للرؤية، ويمكن استخدام مجال رؤية كبير للبحث، ومجال رؤية صغير لتحديد الأهداف.

كانت هناك العديد من نتائج الأبحاث المحلية حول أنظمة التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة ذات التكبير العالي. يتم استخدام أجهزة الكشف المبردة، مثل عشر مرات صممها Zhang Liang وآخرون، و20 مرة صممها Chen Luji وآخرون، و25 مرة نظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة الذي صممه Jia Xingrui. تكبير النظام البصري. باستخدام أجهزة الكشف غير المبردة، مثل 10x الذي صممه Liu Feng والنظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة 4x الذي صممه Bai Yu.

تتضمن نتائج الأبحاث الأجنبية المنتج الأمريكي Mark C لعام 2010. وهو نظام بصري للتكبير/التصغير يعمل بالأشعة تحت الحمراء بنسبة تكبير 30× تم الإبلاغ عنه بواسطة Sanson et al. ومع ذلك، نظرًا لتطور أجهزة الكشف، هناك عدد قليل من المنشورات حول أنظمة تكبير الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة. تقوم هذه المقالة بمحاولة تصميم جديدة في هذه المرحلة.

يتطلب تصميم النظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء تغيير الطول البؤري ضمن نطاق معين وتثبيت موضع مستوى الصورة، وتكون الفتحة النسبية للنظام كبيرة وتبقى دون تغيير تقريبًا أثناء التكبير، كما تتطلب جودة تصوير جيدة لكل منها البعد البؤري ومجال الرؤية. ولذلك، هناك تعقيد تقني معين في التصميم والتصنيع والتجميع.

استنادًا إلى متطلبات تصميم المنتجات الفعلية، تصمم هذه الورقة نظامًا بصريًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء بتكبير مستمر 6× مع طول بؤري يتراوح من 20 إلى 120 مم استنادًا إلى نظرية التصميم للنظام البصري للتكبير المستمر. عندما يكون البعد البؤري للنظام من 20 إلى 90 مم، يكون الرقم البؤري 1، وعندما يكون البعد البؤري من 90 إلى 120 مم، يكون الرقم البؤري 1.1.

بالمقارنة مع التصميمات السابقة، فإن هذا النظام يتمتع بدقة بصرية أعلى ومناسب لكاشفات عناصر أكسيد الفاناديوم غير المبردة 640×512. حجم البكسل هو 17μm×17μm فقط. إنها تعتمد هيكل تكبير معوض ميكانيكيًا وتستخدم خمس قطع من العدسة البلورية المفردة الجرمانيوم وقطعة واحدة من العدسة الزجاجية للكالكوجينيد.

على أساس ضمان نسبة تكبير أعلى وفتحة كبيرة، تم تحسين دقة النظام، ويتم استخدام أجهزة كشف ومواد بصرية منخفضة السعر، والتي يمكنها التحكم بشكل فعال في التكلفة الإجمالية مع تلبية متطلبات الاستخدام، ولها أداء جيد الأداء العملي.

يعتمد هذا التصميم هيكل التعويض الميكانيكي للمجموعة الإيجابية (أي أن مجموعة التعويض لديها قوة بصرية إيجابية). قطر العدسة صغير، والبعد البؤري للمجموعة الثابتة الأمامية أطول، والطيف الثانوي صغير.

يتم استخدام حركات مكونة من عنصرين لتحقيق التكبير والتعويض، وعدد مكونات الحركة صغير، وهو مناسب لتصميم الهيكل وتحسينه. يمكن تقسيم نظام التكبير البصري إلى مجموعة ثابتة أمامية واحدة؛ 2-مجموعة التكبير المتغيرة؛ 3- مجموعة التعويض؛ 4-المجموعة الثابتة الخلفية؛ المساهمات في الطاقة الضوئية الإجمالية هي 1 إيجابية؛ 2-سلبي؛ 3-إيجابية. 4-إيجابي.

عندما تتحرك مجموعة التكبير/التصغير خطيًا لتغيير الموضع، يتغير أيضًا الطول البؤري للنظام وموضع مستوى الصورة وفقًا لذلك. لضمان استقرار مستوى الصورة، تحتاج آلية الكامة إلى دفع مجموعة التعويض لأداء الحركة غير الخطية للتعويض عن موضع مستوى الصورة. يظهر مبدأ التكبير في الشكل 1.

الشكل 1: خريطة تخطيطية لنظام التكبير البصري

تنقسم عملية تصميم النظام إلى مرحلتين: الحصول على الحل الغوسي وتصميم الانحراف. أولاً، تحديد الطول البؤري والفاصل الزمني للعدسة والنطاق المتحرك لمجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض لكل عدسة في النظام وفقًا لمعلمات مثل نطاق الطول البؤري والفتحة النسبية وحجم الصورة وحجم الشكل الذي يتطلبه النظام؛ ومن ثم حسابها وفقًا لبيانات الحل الغاوسي. يتم استخدام برنامج ZEMAX لحساب الانحراف وتحسين تصميم معلمات البنية الأولية للعدسة.

في التصميم، من الضروري تحديد عدة مواضع مختلفة للطول البؤري وفقًا لنفس النسبة من نطاق تغيير الطول البؤري بأكمله. عندما يكون النظام في موضع الطول البؤري أعلاه، استخدم المجموعة الثابتة الأمامية ومجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض لتحسين الانحراف إلى الحد الأدنى، ثم استخدم المجموعة الثابتة الخلفية لتصحيح الصورة المتبقية.

يستخدم هذا التصميم كاشف الأشعة تحت الحمراء طويل الموجة غير المبرد بعنصر أكسيد الفاناديوم 640×512 بحجم بكسل يبلغ 17μm×17μm. وفقًا لمتطلبات التطبيق الفعلية، تظهر في الجدول 1 مؤشرات التصميم الرئيسية للنظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء.

يظهر الشكل 2 شكل وهيكل النظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء المصمم وفقًا للمؤشر في الشكل 2. يوضح الشكل 2 (أ) والشكل 2 (ب) والشكل 2 (ج) مظهر النظام وبنيته عند البعد البؤري القصير 20 مم، والبعد البؤري المتوسط 60 مم، والبعد البؤري الطويل 120 مم. الطول الإجمالي للنظام 264 ملم.

الشكل 2: تخطيط نظام التكبير البصري المستمر LWIR

تبلغ نسبة تكبير النظام 6×، ويتم تنفيذ التصميم الأمثل باستخدام برنامج التصميم بمساعدة بصرية ZEMAX. إنها تعتمد هيكل 4 مجموعات من 6 عناصر، المجموعة الأمامية الثابتة عبارة عن عدسة واحدة ذات طاقة إيجابية، مما يقلل من وزن النظام. العدسة الثانية هي عدسة سلبية من مجموعة التكبير المتغير، والثالثة هي عدسة إيجابية من مجموعة التعويض، وتستخدم المجموعة الخلفية الثابتة 3 عدسات منفصلة، والتي يمكنها تحسين الانحراف المتبقي للهيكل السابق بشكل فعال.

فيما يتعلق بالمواد، بما أن بلورات الجرمانيوم المفردة لديها مؤشر انكسار عالي وتشتت منخفض لموجات ضوء الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة 8 ~ 12μm، يتم استخدام 5 عدسات بلورية مفردة من الجرمانيوم وعدسة زجاجية واحدة من الكالكوجينيد للقضاء على الانحراف اللوني. عدد العدسات صغير والسعر منخفض نسبيًا (سعر زجاج الكالكوجينيد هو فقط ثلث سعر سيلينيد الزنك)، مما يقلل التكلفة بشكل فعال على فرضية أن النظام يمكنه تصحيح الانحرافات.

تستخدم هذه المقالة بشكل أساسي MTF والمخطط الموضعي لتقييم النظام البصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء. فيما يلي خريطة MTF ونقاط نظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء في الحالات الثلاث للتركيز القصير، والتركيز المتوسط، والتركيز الطويل.

يظهر الشكل 3 منحنى وظيفة نقل التشكيل MTF لهذا النظام في نطاق الطول البؤري بأكمله. الأشكال 3 (أ) و3 (ب) و3 (ج) هي منحنيات MTF لستة مجالات رؤية عندما يكون المدى القصير الطول البؤري 20 مم، والبعد البؤري المتوسط 60 مم، والبعد البؤري الطويل 120 مم.

عند تردد القطع المكاني للكاشف 30 lp/mm، يمكن ملاحظة أن MTF لنطاق الطول البؤري بأكمله أكبر من 0.45، وهو قريب من حد الحيود، مما يشير إلى أن النظام يتمتع بجودة تصوير جيدة في كل مجال رؤية ضمن نطاق البعد البؤري بأكمله. لذلك، يمكن استخدام النظام مع مجموعة متنوعة من كاشفات مصفوفة منطقة الأشعة تحت الحمراء بحجم بكسل أكبر من أو يساوي 17μm.

الشكل 3: منحنيات MTF لنظام التكبير البصري المستمر LWIR

يوضح الشكل 4 المخططات النقطية لستة مجالات رؤية مختلفة عندما يكون البعد البؤري لنظام التصميم هذا 20 مم و60 مم و120 مم. يمكن أن نرى من الشكل أن البقع المنتشرة في كل مجال رؤية للنظام قريبة من حد الحيود (الدائرة السوداء في الشكل هي نطاق القرص جيد التهوية)، ولا يتجاوز نصف قطر مربع متوسط جذره 6.3 ميكرومتر بحد أقصى، وهو أصغر من حجم البكسل الذي يبلغ 17μm×17μm. يحقق هذا التصميم دقة أعلى ويمكنه تلبية متطلبات المطابقة للكاشف غير المبرد عالي الوضوح في هذا النظام.

الشكل 4: المخططات الموضعية لنظام التكبير البصري المستمر LWIR

يجب أن يضمن تصميم نظام التكبير البصري استقرار سطح الصورة، كما أن تصميم منحنى التكبير له تأثير حاسم على استقرار سطح صورة المنتج وجودة الصورة وتعقيد عملية المعالجة والتجميع أثناء عملية التكبير.

في التطبيقات العملية، إذا لم يكن تصميم منحنى كاميرا التكبير سلسًا بدرجة كافية، وكانت هناك انحناءات قفز أو نقاط متطرفة في بعض المواضع، فسيزيد ذلك من صعوبة معالجة آلية الكامة، مما يجعل النظام غير سلس وسلس عند التكبير ، وسهل المربى.

يستخدم هذا التصميم نظامًا كهروميكانيكيًا لدفع مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض للتحرك بشكل غير خطي لتحقيق تكبير بصري مستمر بمعدل 6×، وتحسين التصميم من أجل سلاسة.

ويبين الشكل 5 منحنى التكبير المستمر للنظام: الإحداثي هو البعد البؤري لنظام التكبير، والإحداثي هو مسافة الحركة لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض بالنسبة لأصل النظام. الشكل 5 (أ) هو منحنى التكبير/التصغير قبل تصميم التحسين، وهناك قفزة انحناء محلية؛ الشكل 5 (ب) هو منحنى التكبير بعد تصميم التحسين، ومنحنى التكبير بعد التحسين سلس ومستمر، وهو مفيد لمعالجة آلية الكامة]. يكون ارتعاش المحور البصري للنظام أقل من 3 بكسل في حد التكبير/التصغير 20 إلى 120 مم.

(أ) تكبير منحنيات الموضع قبل التحسين (ب) تكبير منحنيات الموضع بعد التحسين

الشكل 5: منحنيات التكبير الموضعي لنظام التكبير البصري المستمر LWIR

في هذا البحث، تم تصميم نظام بصري عالي الدقة للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة وعالي الدقة استنادًا إلى الكاشف غير المبرد المستخدم بعنصر 640×512. الشكل 6 هو الصورة الأصلية للصورة المقابلة للأطوال البؤرية المختلفة عند استخدام هذا النظام البصري لتصوير مبنى على بعد حوالي 2 إلى 3 كم.

تتوافق (أ) و(ب) و(ج) و(د) و(هـ) في الشكل مع أطوال بؤرية تبلغ 20 مم و40 مم و60 مم و90 مم و120 مم على التوالي. يمكن أن نرى من الشكل 6 أنه أثناء عملية التكبير/التصغير، تتمتع الصورة التي حصل عليها النظام بجودة صورة ثابتة ودقة عالية وتفاصيل واضحة ونفاذية عالية وآفاق تطبيق جيدة.

(د) الصورة عندما يكون EFL = 90 مم (هـ) الصورة عندما يكون EFL = 120 مم

استنادًا إلى نظرية تصميم النظام البصري للتكبير المستمر ومتطلبات التطبيقات الهندسية العملية، تصمم هذه الورقة نظامًا بصريًا للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويل الموجة عالي الدقة ومناسبًا لكاشفات العناصر غير المبردة مقاس 640×512. يستخدم النظام 5 عدسات كريستالية أحادية الجرمانيوم وعدسة زجاجية واحدة من الكالكوجينيد، بتكلفة منخفضة نسبيًا، صغيرة الحجم، وخفيفة الوزن، وسهلة التركيب والحمل.

يستخدم النظام أيضًا طريقة تكبير التعويض الميكانيكي لتحقيق تكبير مستمر سلس في نطاق 20 ~ 120 مم، ويمكن أن تصل مسافة العمل إلى 5 متر ~ 5 كم. يمكن أن يصل مجال الرؤية إلى 33.8 درجة × 25.7 درجة (عند البعد البؤري 20 مم) إلى 4.6 درجة × 3.4 درجة (عند البعد البؤري 120 مم)، ويمكن تحقيق التتبع في الوقت الفعلي عند تغيير مجال الرؤية، وهو مناسب لـ تتبع الأهداف المتحركة عالية السرعة.

جودة صورة النظام ممتازة، وبيانات MTF والمخطط الموضعي قريبة من حد الحيود، وتأثير التصوير الفعلي جيد. تم تحسين منحنى كاميرا التكبير حسب التصميم، كما أن التكبير سلس؛ سطح الصورة مستقر، ومحور المحور البصري أقل من 3 بكسل للتكبير المستمر.

وقد ثبت أن التصميم يلبي متطلبات المؤشرات المختلفة من خلال الاختبارات الفعلية. باعتباره نظام الأشعة تحت الحمراء عالي الدقة الذي يحل محل المنتجات المبردة، فهو يتميز بالجمع بين التكبير المستمر والدقة العالية والتكلفة المنخفضة، ويحقق ذلك.

على أساس ضمان الأداء العالي للنظام ودرجات المنتج، فإننا نوفر قدر الإمكان تكلفة التصميم والمعالجة والاختبار والتجميع، ونسعى جاهدين للعثور على أفضل مزيج من الأداء والتكلفة. يُستخدم هذا التصميم في مجالات الأمان والتتبع والكشف وغيرها من المجالات التي لها قيمة عملية عالية.

المؤلفون: باو جياكي، جي زيجوان، جي زينجي، لي نان، يو كان، يين جوانجوان

مصدر المجلة: الهندسة الإلكترونية الضوئية فبراير 2014

[1] لو شوجون، سعادة ووبين، لي وينهو، وآخرون. تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع FPA كبير [J]. البصريات والهندسة الدقيقة، 2012،20(10):2117-2121.

[2] جيا زينغروي، لي شونيو، وانغ هاييانغ، وآخرون. تصميم نظام بصري ذو تكبير مستمر LWIR مع نطاق تكبير كبير [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2012،34(8):463-466.

[3] تشانغ ليانغ، ليو هونغشيا. تصميم النظام البصري لعدسة تكبير الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2011،40(7):1279-1281.

[4] تشن لوجي، لي بينغ، صن تشيان. تصميم النظام البصري LWIR Zoom مع نطاق تكبير 20:1 [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2012،34(8):458-462.

[5] ليو فنغ، شو شيبينج، صن شيانغيانغ، وآخرون. تصميم نظام بصري للتكبير الحراري بالأشعة تحت الحمراء ذات نسبة التكبير العالية [J]. مجلة البصريات التطبيقية، 2009،30(6):1020-1023.

[6] باي يو، يانغ جيان فنغ، ما شياو لونغ، وآخرون. نظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء الانكسارية ／ في 8 ~ 12 ميكرومتر [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2008،30(9):505-508.

[7] مارك سي. سانسون وجيمس كوميل، MWIR تكبير مستمر مع نطاق تكبير كبير [C]// تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء وتطبيقاتها XXXVI، أورلاندو، فلوريدا، 05 أبريل 2010، 7660:1-12

[8] لان نينغ. التصميم البصري لنظام تكبير الأشعة تحت الحمراء ذو الطول الموجي الطويل المعوض بصريًا [J]. الأجهزة البصرية، 2011،33(3):53-56.

[9] يانغ لي، صن تشيانغ، وانغ جيان، وآخرون. تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2012،41(4):999-1003.

[10] ليو جون، جاو مينغ. تصميم النظام البصري [م]. شيان: مطبعة جامعة شيان للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية، 2006، 174-175.

[11] لي يونغ قانغ، تشانغ باو، دينغ جينوي. تصميم آلية عدسة التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء [J]. مجلة جامعة تشانغتشون للعلوم والتكنولوجيا: طبعة العلوم الطبيعية، 2009، 32 (1): 60-63.

[12] FISCHER RE، GALEB BT. تصميم النظام البصري [M]. نيويورك: ماك جراو هيل، 2000.