تصميم النظام البصري المطوي بالأشعة تحت الحمراء البؤرية الطويلة للنظام متعدد التوجيه

في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع لتكنولوجيا كاشف الأشعة تحت الحمراء، انخفض حجم بكسل الكاشف تدريجيًا، وزاد حجم مصفوفة المنطقة تدريجيًا. في الوقت الحاضر، في تصميم النظام البصري ذو البعد البؤري الطويل للأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة، نظرًا لارتفاع أسعار مواد الأشعة تحت الحمراء ذات القطر الكبير، غالبًا ما يتم استخدام الهياكل العاكسة، ولكن لا يمكن توسيع مجال الرؤية.

يمكن لنظام التصوير بالأشعة تحت الحمراء المطوي أن يجمع بين مزايا النقل والانعكاس، وله نسبة تقريب أكبر ومجال رؤية. خاصة في نظام التوجيه الهجين متعدد الأوضاع، يجب أن يكون للنظام البصري نسبة حجب منخفضة وبنية مدمجة لتقليل التأثير على اكتشاف الأوضاع الأخرى، وتكون مزايا هذا الهيكل أكثر وضوحًا.

بشكل عام، درجة حرارة بيئة العمل لنظام التوجيه متعدد الأوضاع هي -50 إلى 70 درجة مئوية، ويتأثر معامل الانكسار لمواد الأشعة تحت الحمراء بشكل كبير بدرجة الحرارة، مما يقلل بشكل خطير من جودة التصوير.

التحليل الحراري الحالي لأنظمة الأشعة تحت الحمراء. يتم استخدام عنصر الانعراج بشكل أساسي لتحقيق الانحراف اللوني والحراري باستخدام خصائص التشتت الخاصة. ومع ذلك، فإن كفاءة حيود عنصر الانعراج تمثل أيضًا مشكلة يجب أخذها في الاعتبار، وستؤدي إلى إدخال ضوء شارد إضافي إلى النظام. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أنظمة تعويض التركيز البؤري النشط الكهروميكانيكية بشكل شائع أيضًا في التصميم الحراري للأنظمة البصرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.

في ضوء التحليل أعلاه، تم تصميم نظام مطوي بالأشعة تحت الحمراء المقربة مناسب للتوجيه متعدد الأوضاع في هذه الورقة. نطاق الطول الموجي هو 3.7μm-4.8μm، والرقم F هو 2، وكفاءة الحجاب الحاجز البارد هي 100%، ويتم تحقيق فرق تبديد الحرارة عند -50 ~ 70 درجة مئوية، وجودة الصورة قريبة من حد الحيود.

من أجل تلبية كفاءة الحجاب الحاجز البارد، يحتاج نظام الأشعة تحت الحمراء ذو الموجة المتوسطة إلى مطابقة حدقة الخروج للنظام مع الحجاب الحاجز البارد للكاشف. إذا تم استخدام هيكل مرآة RC، فستكون فتحة المرآة الثانوية كبيرة جدًا، مما سيزيد من نسبة الحجب للنظام. عادةً ما يتم تحقيق نظام انعكاس الأشعة تحت الحمراء الموجي عن طريق التصوير الثانوي، كما هو موضح في الشكل 1. تعتمد المجموعة الأمامية هيكل انعكاس مزدوج RC، وتعتمد المجموعة الخلفية نظام تصوير مرحل مع تكبير معين.

الشكل 1: نظام التتابع

يمكن الحصول على البنية الأولية لنظام RC من نصف قطر الانحناء R1 للمرآة الأساسية للنظام، ونسبة الحجب α والتكبير β للمرآة الثانوية بواسطة الصيغة الغوسية:

ولذلك، بعد تحديد البعد البؤري للمرآة الأولية ونسبة الحجب والتكبير للمرآة الثانوية، يمكن تحديد الهيكل الأولي لنظام RC.

يحتوي نظام التصوير التتابعي على تكبير معين W، ويمكن الحصول على التكبير باستخدام الطول البؤري f1 لنظام انعكاس المجموعة الأمامية والطول البؤري الإجمالي f للنظام:

المعنى المادي لكل متغير في الصيغة (5) موضح في الشكل 1. لذلك، من خلال الصيغة (5)، طالما تم تحديد بنية النظام ذي المرآتين ومعلمات الكاشف، فإن موضع التصوير المترافق و يمكن حساب البعد البؤري لنظام التتابع. من أجل تلبية مجال الرؤية الكبير والمتطلبات اللونية، يحتاج نظام الترحيل عادةً إلى 2 إلى 3 عدسات.

باختصار، يمكن تحديد البنية الأولية للنظام البصري بأكمله باستخدام الصيغ (1)~(5).

نظرًا لأن معامل درجة حرارة معامل الانكسار dn/dt للمواد الضوئية بالأشعة تحت الحمراء أكبر بكثير من المواد الزجاجية الشائعة في المنطقة المرئية، على سبيل المثال، تبلغ قيمة dn/dt لبلورة الجرمانيوم (Ge) المفردة حوالي 396×10-6°C ، في حين أن قيمة dn/dt لزجاج K9 تبلغ حوالي 396×10-6°C. القيمة هي فقط 2.8×10-6 درجة مئوية.

إن تغير معامل انكسار مواد الأشعة تحت الحمراء عند درجات حرارة مختلفة سوف يتسبب في تغير المسار البصري للضوء في النظام البصري. بالإضافة إلى ذلك، فإن تغير درجة الحرارة سيؤدي أيضًا إلى تغيير سمك العدسة ونصف قطر انحناءها، مما يقلل من جودة التصوير. ويمكن ملاحظة أنه عند تنفيذ التصميم البصري بالأشعة تحت الحمراء، يجب إجراء التحليل الحراري.

من أجل تحقيق التسخين الحراري للنظام البصري، يمكن تقسيم الطرق المستخدمة حاليًا إلى ثلاث فئات: التعويض النشط الكهروميكانيكي السلبي والميكانيكي السلبي والبصري السلبي. في هذا البحث، تم تحقيق المعالجة الحرارية للنظام البصري بالطريقة البصرية المنفعلة.

المجموعة الأمامية للنظام البصري عبارة عن هيكل انعكاس كلي. عندما تتأثر المرآة بالحرارة المنتظمة وتصل إلى حالة مستقرة حراريا، يكون التغير في شكل سطحها صغيرا، ويمكن تجاهل الانحراف الذي تحدثه مرآة واحدة. إلا أن تمدد أو انكماش الهيكل المتصل للمرايا الأولية والثانوية سيؤدي إلى تغيير التباعد، وهو المصدر الرئيسي للانحرافات الحرارية في المجموعة الأمامية.

تشمل مصادر الانحراف الناتجة عن اختلاف درجة الحرارة في نظام التصوير بالترحيل العدسات والأجزاء الهيكلية. يجب أن يكون هيكل العدسة مصنوعًا من مواد ذات معامل تمدد خطي صغير، من بينها سبائك التيتانيوم ليس لديها معامل تمدد خطي صغير فحسب، ولكنها أيضًا خفيفة الوزن وعالية الصلابة، وهي مادة مثالية للأجزاء الهيكلية.

وهذا يمكن أن يقلل من صعوبة فرق تبديد الحرارة للنظام ويحسن القوة الهيكلية، ولكنه سيزيد من التكلفة. تتبنى المجموعة الخلفية بنية ناقلة بالكامل، والتي يجب أن تكون لالونية بشكل منفصل.

وفي الوقت نفسه، تحتاج أيضًا إلى التعاون مع المجموعة الأمامية لتحقيق الحرارية للنظام بأكمله وتحمل قوة بصرية معينة. وهذا يجعل تصميم المجموعة الأخيرة أكثر صعوبة، لذلك يقترح هيكل من ثلاث قطع لتلبية المعادلات التالية:

في الصيغة، hi هو ارتفاع الشعاع المجاور للمحور الأول في كل مجموعة عدسات، وعندما يعتمد النظام بنية عدسة ملامسة قريبة، hi = h1؛ Φi هي القوة البصرية للعدسة i؛ Φ هي الطاقة الضوئية الإجمالية للمجموعة الخلفية؛ pi و Φi هما المعاملات الحرارية واللونية للمادة.

من خلال تحليل خصائص درجة الحرارة لمواد الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة شائعة الاستخدام حاليًا في الصين (كما هو موضح في الجدول 1)، يتم وضع البيانات الواردة في الجدول 1 في الصيغ (6)~(8)، وبعد الحساب، 3 Ge، يتم استخدام ZnSe و ZnS. هذا النوع من المواد يمكن أن يحقق تصميم نظام تصوير مرحل ما بعد المجموعة ويلبي متطلبات تبديد الحرارة.

من أجل تصحيح الانحراف الكروي عالي الترتيب والغيبوبة في النظام، وتقليل تعقيد النظام وتحسين جودة التصوير، يتم استخدام الأسطح اللاكروية عالية الترتيب على الأسطح الأمامية لـ Ge وZnSe.

يتم استخدام النظام البصري في نظام التوجيه المركب للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية متوسطة الموجة، لذلك وفقًا للمتطلبات العامة، يتم مشاركة المرآة الرئيسية بواسطة الموجات المليمترية والموجات المتوسطة، وشكل سطحها هو قطع مكافئ، والطول البؤري F1 = 240 ملم. نظام التصوير بالأشعة تحت الحمراء ذو الموجة المتوسطة يستخدم كاشف مبرد بـ F/2، 320×256 بكسل، وحجم بكسل 30μm. تظهر معلمات النظام البصري في الجدول 2.

مؤشرات التصميم هي كما يلي. يجب أن يكون هيكل النظام البصري مدمجًا، ويجب أن تكون نسبة التقريب أقل من 0.6، ويجب أن يكون الانسداد المركزي أقل من 30%. ومن أجل قمع تأثير إشعاع الخلفية إلى أقصى حد، يلزم تحقيق مطابقة الفتحة الباردة بنسبة 100%. يتطلب التصميم أن يكون تركيز الطاقة في البكسل في مجال الرؤية الكامل أكثر من 85%، ويمكن تحقيق التسخين السلبي البصري في نطاق درجة الحرارة من -40 إلى 60 درجة مئوية.

في التصميم، يكون الشكل السطحي للمرآة الرئيسية عبارة عن قطع مكافئ، والطول البؤري F1 = 120 مم، والذي لا يلبي متطلبات التصوير بالموجات المليمترية فحسب، بل يسهل أيضًا تركيب المرآة الرئيسية والكشف عنها، والثانوية المرآة عبارة عن سطح زائد.

مع الأخذ في الاعتبار فتحة المرآة الثانوية، ونسبة التعتيم، والمسافة بين المرآتين، يتم ضبط البعد البؤري للمجموعة الأمامية على 300 مم، وتكبير نظام التصوير التتابعي هو -1، والهيكل المكون من ثلاث قطع تم اعتمادها، وهي Ge وZnSe وZnS على التوالي.

نظرًا للطول البؤري الطويل والفتحة الكبيرة للنظام، فمن الصعب تصحيح الانحراف. في التصميم، تم إعداد سطحين لا كرويين عاليي الترتيب في مقدمة Ge وZnSe على التوالي لتصحيح الانحراف الكروي والغيبوبة والانحراف أحادي اللون في النظام. الخصائص الفيزيائية لهاتين المادتين مناسبة لمعالجة الأسطح شبه الكروية عالية الترتيب.

باستخدام وظيفة القيد المعرفة من قبل المستخدم لبرنامج ZEMAX-EE لبرنامج Focus، تم تحسين النظام عالميًا ومحليًا، وأخيرًا، تم تحقيق تصميم النظام البصري الموضح في الشكل 2. أقطار عناصر النقل جميعها أقل من 25 مم، وهو أمر مفيد للتحكم في جودة النظام وتكلفته.

الشكل 2: تكوين النظام البصري

الأشكال من 3 إلى 5 هي منحنيات وظيفة النقل البصري للنظام البصري عند 20، -50، و70 درجة مئوية، على التوالي. يمكن أن نرى من الشكل أن التردد المميز للكاشف هو 17 lp/mm، سواء كان مجال الرؤية المركزي أو الحافة. وظيفة النقل للنظام البصري قريبة من مجال الرؤية.

الشكل 5: وظيفة نقل التعديل عند درجة حرارة 70 درجة مئوية

ويبين الشكل 6 منحنى تركيز الطاقة للنظام البصري عند 20 درجة مئوية. يمكن أن نرى من الشكل أنه ضمن حجم بكسل يبلغ 30μm، يكون تركيز الطاقة أكثر من 90%، وهو ما يلبي متطلبات نظام التصوير بالأشعة تحت الحمراء.

الشكل 6: منحنى تطويق الطاقة عند درجة حرارة 20 درجة مئوية

من أجل التحقق من جدوى معالجة النظام البصري وتقليل تكلفة المعالجة، من الضروري إجراء تخصيص معقول للتفاوتات. من خلال استخدام تحليل مونت كارلو الخاص بـ Zemax بشكل متكرر، حصلنا على توزيع التسامح الموضح في الجدول 3، حيث تكون دقة المعالجة والتجميع للمرايا الأولية والثانوية عالية نسبيًا، ولكن أيضًا ضمن نطاق تقنيات المعالجة والتجميع الحالية.

عند 20 درجة مئوية، تظهر وظيفة نقل محاكاة مونت كارلو المقابلة في الشكل 7. وتظهر النتائج أنه تحت تأثير الأخطاء العشوائية المختلفة، فإن احتمال أن تكون وظيفة النقل البصري للنظام أعلى من 0.55 أكبر من 90٪، ويلبي النظام المعالجة والتعديل الفعلي. متطلبات التصوير.

الشكل 7. منحنى MTF بعد محاكاة Ment-Karol عند درجة حرارة 20 درجة مئوية

في النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، يصبح تأثير الإشعاع الشارد على جودة التصوير عاملاً يجب أخذه في الاعتبار. يمكن لقمع الضوء الشارد لنظام التصوير الثانوي المطوي اعتماد الطرق التالية: أولاً، بالنسبة للضوء الشارد من خارج مجال رؤية التصوير، يمكن استخدام أنبوب تظليل المرآة الأساسي وأنبوب تظليل المرآة الثانوي، والداخلي والخارجي يمكن معالجة الأسطح بشكل أكبر باستخدام خيوط الانقراض لتقليل المرايا الأولية والثانوية بشكل فعال.

ينعكس الضوء الشارد الذي يدخل الكاشف عدة مرات، ويمكن التحكم في حادث الضوء الشارد خارج مجال رؤية المرآة الرئيسية عن طريق تحديد طول برميل المرآة الرئيسية؛ ثانيا، يتم استخدام جزء التصوير الثانوي، ويتم إضافة حد الحجاب الحاجز الميداني بالقرب من شعاع مدخل سطح التصوير الأساسي.

وأخيرا، تم استخدام Lighttools في هذا البحث لفصل الضوء الفعال عن الضوء الشارد باستخدام طريقة مسار الضوء العكسي وأخيرا الحصول على معامل الضوء الشارد معبرا عنه كنسبة مئوية.

أثناء التحليل، نظرًا لعدم قياس نفاذية كل سطح فعليًا، تم أخذ انعكاسية بنسبة 2% وفقًا للتجربة، وتم تتبع 10 أشعة. تمثل الطاقة الضوئية للمستقبل الموجود على اليمين 96% من إجمالي الطاقة الناتجة.

يمكن تحليل أن طاقة الضوء الشارد للنظام البصري تمثل 2% من الطاقة التي يستقبلها الكاشف، مما يمكن أن يلبي احتياجات الكشف التصويري.

الشكل 8: تتبع الأشعة بناءً على Lighttools