Diseño de sistema óptico de cámara aérea panorámica de doble banda/doble campo
Las cámaras aéreas son instrumentos ópticos de precisión instalados en aviones para tomar fotografías del terreno. Se utilizan ampliamente en control de inundaciones, planificación urbana, agrimensura, cartografía y otros campos. Hay tres tipos principales de cámaras aéreas: tipo marco, tipo escoba y tipo panorámica. En comparación con las dos primeras, la cámara aérea panorámica utiliza la lente del objetivo del campo de visión ordinario para barrer a través del reflector frontal, es decir, puede lograr un campo de visión ultra amplio y obtener una mayor cantidad de información.
Dado que el objetivo muestra diferentes características ópticas en diferentes bandas de ondas, para aumentar la cantidad de información del objetivo obtenida y mejorar la precisión del procesamiento y la interpretación, las cámaras aéreas multibanda se utilizan cada vez más. El desarrollo de sistemas ópticos multibanda se llevó a cabo muy temprano en el extranjero. En la actualidad, se utilizan ampliamente cámaras aéreas de luz visible/infrarrojos con capacidad de aplicación en todo tipo de clima. La investigación nacional sobre la tecnología de imágenes de doble banda de luz visible/infrarrojos comenzó tarde y se centró principalmente en cámaras aéreas de tipo marco. La estructura del sistema adopta principalmente el sistema óptico primario de apertura común Cassegrain y utiliza el divisor de haz para realizar la división del haz de doble banda. Hay pocos informes sobre la investigación sobre cámaras aéreas panorámicas de doble banda. Además, para mejorar la flexibilidad y precisión del reconocimiento aéreo, también está aumentando la demanda de cámaras aéreas con doble campo de visión. Puede satisfacer las necesidades de diferentes altitudes de vuelo para la cobertura terrestre y lograr una búsqueda de objetivos de campo grande y una observación precisa de objetivos de campo pequeño.
En este artículo, se diseña un sistema óptico de imágenes de campo dual de doble banda de luz visible/infrarrojo para cámaras aéreas panorámicas. El sistema óptico tiene las ventajas de una estructura compacta, un volumen pequeño, un peso ligero y un bajo costo.
1 El principio óptico del zoom de doble campo de visión
El zoom observa el principio de intercambio de imágenes de objetos, que cambia la distancia focal de todo el sistema mediante el movimiento de un grupo de lentes en el sistema óptico, asegurando una buena calidad de imagen en los campos de visión grandes y pequeños y la posición del plano de imagen sin cambios. . Como se muestra en la Figura 1, para cualquier lente o grupo de lentes en el sistema óptico, cuando se mueve de la posición A a la posición B, puede garantizar que la distancia conjugada permanezca sin cambios y el aumento cambie. El zoom del sistema de campo dual respeta el principio del intercambio de imágenes de objetos.
Figura 1:
La ampliación del sistema de la Figura 1 (a) es:
Diseño del sistema óptico de 2 cámaras
2.1 Índice de diseño óptico
Los principales indicadores de diseño óptico se muestran en la Tabla 1.
Parámetro | sistema de infrarrojos | Sistema de luz visible | ||
Pequeño campo de visión | Gran campo de visión | Pequeño campo de visión | Gran campo de visión | |
Longitud de onda/μm | 3~5 | 3~5 | 0,4 ~ 0,7 | 0,4 ~ 0,7 |
Campo de visión/（°） | 4,7*3,7 | 9,4*7,5 | 4,7*3,5 | 9,4*7,0 |
Apertura relativa | 1:4 | 1:4 | 1:8.8 | 1:8.8 |
Longitud focal/mm | 234 | 117 | 400 | 200 |
Recuento de píxeles del dispositivo | 1280*1024 | 1280*1024 | 5120*3840 | 5120*3840 |
Tamaño de celda/μm | 15 | 15 | 6.4 | 6.4 |
Ángulo de escaneo del espejo del objeto (°) | ±5 | ±5 | ±5 | ±5 |
2.2 Selección y diseño del sistema óptico.
Hay tres tipos de estructuras de sistemas ópticos: refractivos, catadióptricos y reflectantes. En cuanto al diseño de sistemas ópticos de imágenes de campo dual de luz visible/infrarrojo, el sistema óptico catadióptrico Cassegrain y el sistema óptico de reflexión total se utilizan principalmente en China. Sin embargo, estos dos tipos de sistemas sólo pueden soportar un ángulo de campo de visión pequeño. Los sistemas de campo de visión de luz visible e infrarroja de gran tamaño en este documento tienen un ángulo de visión grande, por lo que no se consideran. El sistema óptico refractivo tiene las ventajas de un gran campo de visión y una alta calidad de imagen. Por lo tanto, en este artículo se adopta la estructura del sistema óptico refractivo y se utiliza apropiadamente el espejo plano para plegar la trayectoria óptica y facilitar la miniaturización.
Los métodos de zoom del sistema óptico incluyen zoom de movimiento axial y zoom de entrada y salida. Dado que el método de zoom de corte y corte requiere un gran espacio estructural, se adopta el método de zoom de movimiento axial. El diafragma frío del detector de infrarrojos enfriado está configurado para eliminar la interferencia de la luz parásita fuera del campo de visión. La combinación de la pupila de salida y el diafragma frío debe considerarse en el diseño óptico para garantizar una eficiencia del 100% del diafragma frío, lo cual se logra utilizando directamente el diafragma frío como diafragma de apertura o colocando la pupila de salida del sistema óptico en el diafragma frío. diafragma manteniendo su tamaño consistente con el diafragma frío. Además, para evitar una apertura demasiado grande de las partes ópticas en un enfoque largo, la apertura de las partes ópticas se comprime mediante imágenes secundarias y se coloca un diafragma de campo en el plano de la imagen primaria para suprimir la luz parásita.
2.3 Esquema de optimización del sistema óptico.
La teoría de la óptica gaussiana se utiliza para distribuir razonablemente la potencia óptica. Después de calcular la estructura inicial, se utiliza el software de diseño óptico Zemax para establecer las condiciones de contorno y optimizar la estructura inicial. Para crear un sistema óptico compacto, tanto el sistema de luz infrarroja como el de luz visible adoptan la estructura focal óptica “positivo-negativo-positivo”. El grupo fijo frontal y el grupo fijo trasero son grupos de lentes positivos y el grupo de zoom es un grupo de lentes negativos. En el camino óptico del sistema, para reducir el volumen, el sistema de infrarrojos usa tres espejos para plegar el camino óptico, y el sistema de luz visible usa dos espejos para plegar el camino óptico.
Para facilitar la corrección de aberraciones fuera del eje y mantener el tamaño del diafragma de apertura sin cambios en campos de visión grandes y pequeños, considerando las dimensiones delantera y trasera del sistema óptico, los diafragmas de apertura del sistema de infrarrojos y la luz visible. El sistema se coloca cerca del centro del camino óptico y antes del grupo de fijación trasero. Las aberraciones en el eje se corrigen utilizando una lente cerca de la posición del tope de apertura curvo, mientras que la superficie de la lente con un gran ángulo de incidencia de la luz se dobla hacia el tope para reducir las aberraciones avanzadas. Para reducir el número de lentes en el sistema de infrarrojos y mejorar la transmitancia y obtener una calidad de imagen satisfactoria, el sistema de infrarrojos introduce tres superficies asféricas de alto orden en la superficie trasera de la lente 2, la superficie frontal de la lente 3 y la superficie trasera. superficie de la lente 4 para equilibrar la aberración esférica en el eje y la curvatura del campo.
Para garantizar el canal de suministro de material, los materiales de las lentes del sistema de infrarrojos son seleniuro de germanio, silicio y zinc monocristalino de uso común, y los materiales de las lentes del sistema de luz visible se seleccionan entre los materiales con alta frecuencia y excelente rendimiento producidos por Chengdu Guangming.
3 Conclusión
En este artículo, se diseña un sistema óptico de imágenes de campo dual de luz visible/infrarrojos para cámaras de reconocimiento aéreo panorámico, se proporcionan los indicadores de diseño óptico detallados y se analiza la estructura del sistema óptico diseñado. Los sistemas ópticos de campo dual de luz visible e infrarrojos se pueden integrar utilizando el espejo de escaneo de objetos terrestres y el espectroscopio. Los resultados del diseño muestran que la calidad de imagen del sistema óptico está cerca del límite de difracción, lo que puede satisfacer las necesidades prácticas de la ingeniería.
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