Diseño del sistema óptico de zoom LWIR con rango de zoom 20:1

Se diseña un sistema óptico de zoom infrarrojo con un rango de zoom de 20:1 basado en un detector QWIP de onda larga de 384×288. El rango de longitud de onda operativa es de 8 a 9 µm, el número F es 3 y la longitud focal se puede cambiar continuamente de 18,5 a 367 mm.

El sistema consta de un objeto de zoom compensado mecánicamente y un segundo sistema de imágenes, que incluye 6 lentes y 2 reflectores, y tiene las ventajas de una gran relación de zoom, alta resolución, tamaño pequeño y excelente calidad de imagen. La calidad de imagen del sistema óptico de zoom se evalúa con el software de diseño óptico ZEMAX, y los resultados muestran que el MTF en todo el enfoque focal tiene un límite de difracción en la frecuencia de Nyquist de 20 lp/mm.

Un sistema de zoom continuo por infrarrojos es un sistema en el que la distancia focal se puede cambiar continuamente, la superficie de la imagen permanece estable y la calidad de la imagen se mantiene durante el proceso de zoom. Puede obtener diferentes tamaños de ángulos de campo, diferentes tamaños de imágenes y diferentes rangos de escena. La continuidad de la imagen se puede mantener durante el proceso de conversión y se utiliza ampliamente en muchos campos de la economía nacional y la industria de defensa.

El sistema de imágenes térmicas con zoom continuo de alta resolución y gran aumento tiene una amplia gama de aplicaciones en el campo militar. Alta resolución significa distancia focal larga, que puede realizar la observación y el reconocimiento de objetivos de distancias ultralargas; un gran aumento significa una gran relación de zoom, que se puede realizar con un gran aumento para objetivos sospechosos pequeños; El zoom continuo significa que se puede lograr la detección, el seguimiento, el reconocimiento y la orientación continuos de los objetivos sin perderlos al cambiar la ampliación, lo que es especialmente beneficioso para buscar y seguir objetivos en movimiento a alta velocidad.

Los detectores de pozos cuánticos han recibido una gran atención y un rápido desarrollo debido a sus ventajas, como buena uniformidad, bajo costo, alto rendimiento, multicolor y producción de gran variedad. En la actualidad, en países avanzados como Estados Unidos y Europa, el plano focal del pozo cuántico se ha convertido en una de las dos ramas principales de los dispositivos de plano focal refrigerados de onda larga. Muchos países han desarrollado cámaras termográficas basadas en detectores de pozos cuánticos de diferentes tamaños.

Este artículo analizará el sistema óptico infrarrojo de zoom continuo de compensación mecánica y, para el detector de plano focal de pozo cuántico de onda larga de 384 × 288, se diseñó un sistema óptico infrarrojo de zoom continuo de onda larga de 20x con solo 6 lentes, que tiene una alta transmitancia y resolución. Las ventajas de alta velocidad, gran relación de zoom, estructura compacta, peso ligero y alta calidad de imagen están en línea con la dirección de investigación actual del sistema de zoom continuo por infrarrojos.

El principio básico del sistema óptico de zoom de compensación mecánica es utilizar los dos componentes del grupo de zoom y el grupo de compensación para moverse al mismo tiempo para lograr cambios continuos en la distancia focal mientras se mantiene una superficie de imagen estable y una buena calidad de imagen. durante el zoom.

Habitualmente, los parámetros iniciales del sistema se determinan mediante cálculos ópticos gaussianos de acuerdo con los requisitos que el sistema debe cumplir.

La Figura 1 muestra el principio óptico del sistema de zoom de compensación de grupo negativo. En la figura, 1 es el grupo fijo frontal; 2 es el grupo de zoom; 3 es el grupo de compensación; 4 es el grupo fijo trasero. Para lograr el zoom, el grupo de zoom 2 se mueve linealmente a lo largo del eje óptico y la ampliación de su eje vertical cambia de β2 a β2*.

En este momento, el punto de la imagen también se mueve en consecuencia. Para garantizar que el punto de la imagen permanezca sin cambios, el grupo de compensación 3 debe ser el eje correspondiente a moverse. Cambie la ampliación del grupo de compensación de β3 a β3*. Entonces la relación de zoom del sistema es:

La cantidad de movimiento del grupo de compensación:

Fig.1 Principio del sistema de zoom óptico compensado mecánicamente

Para el detector de plano focal de pozo cuántico de onda larga, el tamaño de la matriz es 384 × 288 y el tamaño de píxel es 25 μm × 25 μm. Teniendo en cuenta los requisitos de volumen, peso, rendimiento y costo, el índice de diseño del sistema óptico infrarrojo con zoom continuo de 20 × es el siguiente en la Tabla 1.

Para el detector de plano focal de observación de pozos cuánticos de onda larga, de acuerdo con los requisitos técnicos del sistema de zoom, los parámetros iniciales del sistema se determinan de acuerdo con los métodos y pasos introducidos en la sección 2, y luego se desarrolla el software de diseño asistido óptico ZEMAX. de la empresa estadounidense Focus se utiliza para optimizar el diseño y el diseño. Es necesario considerar la coincidencia del diafragma frío, el fenómeno de reflexión en frío, la precisión del procesamiento, el volumen y el peso del sistema, y otras cuestiones.

El sistema de zoom adopta una forma de compensación mecánica, que se compone de un grupo fijo frontal, un grupo de aumento variable, un grupo de compensación y un grupo fijo trasero. Cada grupo de lentes está compuesto por una lente de germanio y su contribución a la potencia óptica del sistema es positiva, negativa y positiva. Para corregir aberraciones, mejorar la calidad de la imagen, reducir el número de lentes tanto como sea posible y aumentar la transmitancia, se introducen una superficie difractiva binaria y dos superficies asféricas de alto orden.

Para ayudar a comprimir la apertura de la primera lente objetivo y mantener el detector con una eficiencia de pantalla fría del 100%, se adopta un diseño de imágenes secundarias. El grupo de retransmisión está compuesto por Ge y ZnSe.

El material de germanio tiene las características de baja dispersión y alto índice de refracción y tiene un buen rendimiento de dispersión a 8-12 μm. Sin embargo, es difícil corregir la aberración cromática en sistemas de zoom complejos con un solo material. ZnSe juega principalmente el papel de la aberración acromática.

La longitud total del sistema óptico es inferior a 390 mm. Para facilitar la realización de una estructura compacta y la tecnología de microescaneo [8], se utilizan dos reflectores colocados a 45° para doblar la trayectoria óptica dos veces. El tamaño total es inferior a 230 mm × 175 mm × 128 mm (largo × ancho × alto), el resultado del diseño se muestra en la Figura 2.

Fig.2 Esquema de la óptica de zoom

El rango de zoom continuo del sistema es de 18,5~367 mm, correspondiente a un campo de visión de 1,5°×1,1°~30°×22,5°, y cualquier campo de visión puede garantizar la calidad de la imagen durante el proceso de zoom. La función de zoom se completa con el grupo de aumento variable y el grupo de compensación.

El grupo de aumento variable se utiliza para aumento variable con un recorrido de 74 mm; el grupo de compensación se utiliza para compensar el desplazamiento del plano de la imagen, el enfoque y la compensación de temperatura, con un recorrido de 48 mm. La trayectoria de funcionamiento del grupo de zoom y del grupo de compensación es suave, y el proceso de zoom y la curva de compensación se muestran en las Figuras 3 y 4.

Fig.3 Conceptual del sistema de zoom óptico

Fig.4 Las curvas de zoom y compensación.

La función de transferencia de modulación (MTF) es el criterio más completo entre los criterios de rendimiento de los sistemas totalmente ópticos. Especialmente para los sistemas de imágenes, actualmente se reconoce como un índice de evaluación que puede reflejar completamente la calidad de imagen real del sistema en el diseño óptico moderno. Después del diseño optimizado, la superficie de la imagen del sistema es estable y la calidad de la imagen es excelente durante el proceso de zoom.

La Figura 5 muestra los diagramas de la función de transferencia de modulación óptica para diferentes distancias focales. Se puede ver en el diagrama que la MTF en la frecuencia de Nyquist (20 lp/mm) está cerca del límite de difracción (la línea continua negra superior es el límite de difracción). ), lo que indica que la calidad de imagen del sistema de zoom es excelente, lo cual es suficiente para alcanzar la calidad de imagen del sistema óptico en todo el rango de cambio de distancia focal.

Fig.6 Diagramas de puntos del sistema óptico de zoom.

El diagrama de puntos es el punto de imagen geométrica formado por el sistema óptico al generar imágenes de un objetivo puntual. Es un indicador importante para evaluar la calidad de imagen del sistema óptico. El valor de la raíz cuadrática media del diámetro refleja la concentración de energía luminosa, que es más reflectante que el valor del diámetro máximo geométrico. La calidad de imagen del sistema. En el diseño óptico, la raíz significa que se espera que el diámetro cuadrado del objetivo puntual sea inferior a un píxel.

La Figura 6 muestra los gráficos de diferentes distancias focales. Se puede ver que el radio cuadrático medio (RMS) máximo del sistema es de 5,7 mm, que está dentro de un píxel del detector (el cuadro negro en la figura, 25 μm × 25 μm), lo que muestra que el zoom óptico El sistema y el detector de infrarrojos tienen buena coincidencia, lo que satisface los requisitos del sistema.

En este artículo, dirigido al detector de plano focal de observación de pozo cuántico de onda larga de 384 × 288, se utiliza el método de compensación mecánica para lograr un zoom continuo en el rango de 18,5 ~ 367 mm con solo 6 lentes. La apertura relativa permanece sin cambios durante el proceso de zoom y el número F es constante en 3.

Se utilizó el software de diseño óptico ZEMAX para evaluar la calidad de la imagen. Los resultados muestran que en la frecuencia central (20 lp/mm), el MTF de cada campo de visión en cada posición del zoom está cerca del límite de difracción y la calidad de la imagen es buena. Y el uso de espejos para plegar el camino de la luz, para conseguir una estructura compacta.

Esto está en línea con la tendencia de desarrollo de los sistemas de zoom continuo por infrarrojos con alta calidad de imagen, gran relación de zoom, alta resolución, tamaño pequeño y peso ligero. Satisface las necesidades de aplicaciones prácticas y puede ser ampliamente utilizado en sistemas de alerta temprana o puntería estable aerotransportada, sistemas de alerta de defensa aérea terrestre, sistemas de seguimiento y reconocimiento a bordo de barcos, sistemas de vigilancia y búsqueda de reconocimiento en el campo de batalla, sistemas de seguimiento y puntería de plataformas de armas, etc.

El lente de zoom continuo infrarrojo de onda larga diseñado y fabricado por Quanhom tiene en cuenta la ligereza de la apertura y el costo, lo cual es muy adecuado para monitoreo remoto y seguridad nacional y admite el formato SXGA (1280x1024 12μm). Si tiene una demanda para esto, puede enviarnos su demanda y le daremos una respuesta satisfactoria lo antes posible.

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Autores: Chen Luji, Li Ping, Sun Qiyan

Fuente de la revista: Tecnología infrarroja Vol.34 No.8 Agosto de 2012

Fecha de recepción: 2012-03-04

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