Un novedoso diseño de sistema óptico de campo de visión dual LWIR con zoom escalonado

El sistema óptico infrarrojo es una parte importante del generador de imágenes infrarrojas, que se utiliza para concentrar la energía de la radiación infrarroja, hacer zoom, disipar el calor, controlar la calidad de la imagen y enfocar la energía de la radiación infrarroja en el plano focal. Debido a la única función del sistema óptico infrarrojo de campo único, el uso práctico es limitado y es difícil satisfacer las necesidades de desarrollo de los sistemas ópticos infrarrojos modernos.

El sistema óptico infrarrojo de doble campo tiene dos campos de visión de diferentes tamaños. El campo de visión grande se puede utilizar para buscar objetivos sospechosos en un amplio rango, y el campo de visión pequeño se puede utilizar para identificar y rastrear objetivos sospechosos. Tiene una estructura simple, un tiempo de cambio de campo de visión corto e imágenes. Tiene las ventajas de alta calidad, simplicidad y practicidad, por lo que se ha utilizado ampliamente en los sistemas ópticos infrarrojos modernos.

El sistema óptico infrarrojo con zoom utilizado para el detector de enfriamiento adopta principalmente el método de imagen secundaria para hacer coincidir la pupila de salida del sistema óptico con la pantalla fría del detector, y puede controlar efectivamente la apertura de la lente del objetivo, lo que generalmente no causa la variedad de planos de imagen intermedios durante el proceso de zoom.

En este artículo, se presenta un novedoso sistema óptico infrarrojo de campo dual con forma de zoom, que utiliza el grupo de zoom para moverse axialmente delante y detrás de la imagen primaria para lograr zoom, enfoque y compensación de temperatura, que no solo cambia la distancia focal longitud del sistema pero también cambia la imagen intermedia. La posición de la superficie tiene las ventajas de un menor número de componentes del sistema y una estructura muy compacta.

En este artículo, para el detector de plano focal de mirada de onda larga de 320 × 256, se utiliza una nueva forma de zoom y se diseña un sistema óptico de campo dual de imágenes secundarias con solo 5 lentes. Los campos de visión amplios y estrechos están en la frecuencia de Nyquist (17 lp/mm). Los MTF están cerca del límite de difracción y la calidad de la imagen es excelente.

Existen algunos tipos de modos de zoom del sistema óptico infrarrojo de campo dual. En la actualidad, se suele adoptar el modo de conmutación o el modo de zoom de compensación óptica de dos componentes. Estos dos modos de zoom no provocan cambios en el plano de la imagen y cada uno tiene ventajas y desventajas. El tipo de conmutación cambia principalmente la distancia focal del sistema óptico al activar/desactivar el grupo de zoom en el sistema.

Cuando el grupo de zoom corta la trayectoria óptica, la distancia focal del sistema se acorta, formando un modo de campo de visión amplio; cuando el grupo de zoom se corta del camino óptico, la distancia focal del sistema cambia. de largo, formando un modo de campo de visión estrecho, como se muestra en la Figura 1.

Fig.1 Sistema óptico Rotar-Zoom

El modo de zoom de compensación óptica de dos componentes cambia principalmente la distancia focal del sistema óptico moviendo axialmente el grupo de zoom en el sistema. El grupo de zoom suele utilizar un grupo de lentes negativos. Al avanzar, la distancia focal del sistema se acorta, formando un modo de campo de visión amplio; cuando el grupo de zoom se mueve hacia atrás, la distancia focal se vuelve más larga, formando un modo de campo de visión estrecho, como se muestra en la Figura 2.

Fig.2 Sistema óptico Step-Zoom

Este artículo presenta otro método de zoom novedoso, que también se logra moviendo el grupo de zoom axialmente para lograr el zoom del sistema. A diferencia del método de zoom de compensación óptica de dos componentes, este método de zoom se combina ingeniosamente con el segundo sistema de imágenes.

El grupo de zoom se mueve hacia adelante y hacia atrás en la posición del plano de imagen principal, lo que no solo cambia la distancia focal del sistema sino que también cambia la posición del plano de imagen intermedio. Asegúrese de que el plano de imagen final del sistema sea estable y que la calidad de la imagen sea buena.

Como se muestra en la Figura 3, el sistema consta del grupo fijo frontal 1, el grupo de zoom 2 y el grupo fijo trasero 3. Cuando el grupo de zoom se mueve en la dirección del grupo fijo frontal, forma un grupo de lentes objetivo con el Se forma un grupo fijo frontal para hacer converger los rayos de radiación del objetivo de la escena y un plano de imagen primario.

En este momento, el grupo fijo trasero forma un grupo de retransmisión para realizar imágenes secundarias en el plano de imagen primaria para formar un modo de campo de visión estrecho; cuando el grupo de zoom se mueve hacia el grupo fijo trasero, forma un grupo de relevo con el grupo fijo trasero. , realice imágenes secundarias en el plano de la imagen primaria formado por el grupo fijo frontal y mueva la posición del plano de la imagen primaria hacia adelante para formar un modo de campo de visión amplio.

El sistema de campo de visión dual tiene un método de zoom novedoso. El grupo de lentes objetivo y el grupo de relés se combinan estrechamente a través del grupo de zoom, lo que acorta efectivamente el intervalo entre el grupo de lentes objetivo y el grupo de relés, haciendo que la estructura de todo el sistema sea muy compacta y acortando en gran medida la longitud total del sistema. En comparación con el método de zoom de compensación óptica de dos componentes, el método de zoom tiene un grupo de lentes menos, menos lentes, mayor transmitancia, menor costo y una estructura más compacta.

Fig.3 Nuevo sistema óptico Step-Zoom

Teniendo en cuenta diversas limitaciones, como el volumen, el peso y el rendimiento, los principales indicadores técnicos de diseño del sistema óptico infrarrojo atermalizado de campo dual de onda larga se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Parámetros de diseño óptico

Para el detector de plano focal infrarrojo refrigerado de onda larga de 320 × 256 elementos, se seleccionó una estructura inicial adecuada y se utilizó el software de diseño asistido óptico ZEMAX para optimizar el diseño del sistema óptico infrarrojo de campo dual. El resultado del diseño se muestra en la Figura 4. El sistema óptico infrarrojo de campo dual tiene un total de 5 lentes. Consta de un grupo de fijación anterior (2 piezas), un grupo de zoom (1 pieza) y un grupo de fijación posterior (2 piezas) y adopta una estructura de enfoque óptico +, -, -, +, +.

Los materiales infrarrojos utilizan 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 en longitudes de onda largas, pero es difícil corregir la aberración cromática para sistemas de zoom complejos con un solo material, mientras que ZnSe es principalmente utilizado para acromático. Para reducir la cantidad de lentes, mejorar la transmitancia del sistema, controlar eficazmente la aberración del sistema y mejorar la calidad de la imagen, se introducen tres superficies asféricas de alto orden.

El grupo de zoom es impulsado por un motor de CC para moverse hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje óptico para realizar las funciones de conmutación del campo de visión, enfoque y compensación de temperatura. Después de un diseño optimizado, el sistema tiene planos de imagen estables con campos de visión amplios y estrechos, y la calidad de la imagen está cerca del límite de difracción. Sus principales características son:

(1) La forma de hacer zoom es novedosa y el cambio del campo de visión se realiza moviendo el grupo de zoom delante y detrás de una imagen, lo que reduce la cantidad de elementos del sistema;

(2) La estructura es más compacta, la longitud total del sistema es corta, la distancia desde el primer espejo al plano focal del detector de infrarrojos es inferior a 130 mm y la relación longitud total/distancia focal es aproximadamente 0,7;

(3) La cantidad de lentes es pequeña, solo 5 piezas, lo que mejora la transmitancia del sistema, ahorra efectivamente materiales infrarrojos y reduce costos;

(4) Se adopta el método de imagen secundaria, que favorece la coincidencia completa de la pupila de salida del sistema óptico y la pantalla fría del detector de infrarrojos, se puede garantizar que la eficiencia de la pantalla fría sea del 100% y la apertura de la lente del objetivo se puede comprimir eficazmente;

(5) El grupo de zoom de movimiento axial puede realizar las funciones de zoom, enfoque y compensación de temperatura, lo que simplifica la estructura y el diseño electrónico;

(6) Tamaño pequeño, peso ligero, alta calidad de imagen, bajo costo y rendimiento de alto costo.

Fig.4 Sistema óptico infrarrojo de doble FOV

La función de transferencia es un método de evaluación importante para un sistema óptico. Después del diseño optimizado, el sistema es estable en el campo de visión amplio y estrecho y la calidad de la imagen es excelente. La Figura 5 y la Figura 6 muestran los diagramas de la función de transferencia de modulación óptica de campos de visión estrechos y amplios a temperatura ambiente, respectivamente. Se puede ver en las figuras que el MTF en la frecuencia de Nyquist (17lp/mm) está cerca del límite de difracción (la línea continua negra superior es el límite de difracción), lo cual es suficiente para garantizar la excelente calidad de imagen del sistema óptico. .

Fig.6 La curva MTF de WFOV

El diagrama de puntos es el punto de imagen geométrica formado por el sistema óptico que genera imágenes del objetivo puntual. La Figura 7 y la Figura 8 muestran la raíz cuadrática media (RMS) del diámetro del punto disperso en los campos de visión estrecho y amplio a temperatura ambiente, que es menor que un tamaño de elemento de detección (30 μm × 30 μm), que cumple bien con los requisitos del sistema.

Fig.8 El diagrama de puntos de WFOV

Dado que el índice de refracción de los materiales ópticos infrarrojos cambia significativamente con la temperatura, que es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que el de los materiales ópticos de luz visible, los cambios de temperatura harán que el sistema óptico infrarrojo se desenfoque, lo que resultará en un deterioro de la calidad de la imagen. Para garantizar el rendimiento estable del sistema óptico infrarrojo en un amplio rango de temperaturas. En el diseño se debe considerar la diferencia de disipación de calor.

Para ser adecuado para la estructura de zoom de doble campo de visión móvil axial y reducir la dificultad del diseño de la luz y la máquina. En este artículo, se adopta el método electromecánico de disipación de calor activa, es decir, a diferentes temperaturas, la lente de aumento variable se mueve ligeramente en la dirección axial controlando el motor de CC para compensar la deriva de la superficie de la imagen. Las Figuras 9 a 12 muestran las funciones de transferencia óptica de campos de visión estrechos y amplios a temperaturas altas y bajas, respectivamente.

Fig.12 La curva MTF de WFOV a +60 ℃

El sistema óptico infrarrojo de onda larga de campo dual desempeña un papel insustituible en el campo militar moderno. Se ha utilizado ampliamente en diversos campos, como el reconocimiento, la detección, la búsqueda y el seguimiento de objetivos, y se ha convertido en un medio importante para obtener información en el campo de batalla.

Con el objetivo del detector de plano focal CMT de infrarrojos de onda larga de 320 × 256, este artículo diseña un sistema óptico infrarrojo de campo dual asignando razonablemente la potencia óptica y haciendo coincidir razonablemente dos materiales infrarrojos comunes, Ge y Znse, y realiza dos lentes de 183 mm/61 mm. zoom rápido, tanto el campo de visión amplio como el estrecho tienen una buena calidad de imagen.

El método de zoom del sistema es novedoso y el grupo de zoom combina inteligentemente el grupo de lentes objetivo y el grupo de relés, lo que comprime efectivamente la longitud total del sistema y reduce la cantidad de componentes en el sistema, lo cual es especialmente adecuado para enfriar focales. detectores de aviones.

Tiene las ventajas de una pequeña cantidad de lentes, alta transmitancia, estructura compacta y razonable, fácil ajuste, peso ligero, pequeño volumen, ahorro de material, rendimiento de alto costo y la calidad de la imagen cumple completamente con los requisitos de la aplicación y cumple con el alto rendimiento. , miniaturización y bajo coste de las cámaras termográficas.

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Autores: Chen Luji, Chen Jinjin, Li Ping

Fuente de la revista: Tecnología Infrarroja Vol.33 No.7 Julio de 2011

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