Diseño de un sistema de zoom infrarrojo de onda media de tres campos

El sistema de zoom de tres campos tiene las ventajas de una estructura mecánica simple, mayor confiabilidad y un corto tiempo de cambio focal en comparación con otros sistemas de zoom de patrón. Utilizando un detector enfriado con una resolución de 320 × 240 y una dimensión de píxeles de 30 μm × 30 μm, se diseñó un sistema óptico de tres campos de onda media mediante una forma de obtención de imágenes secundarias. El número F del sistema es 4, el rango FOV es 1,4°-23,8°, puede alcanzar una distancia focal de tres posiciones de 30 mm/100 mm/500 mm.

En el proceso de diseño, se adoptaron materiales de germanio y silicio para equilibrar la aberración cromática, introduciendo una asfera para equilibrar la aberración esférica. El sistema utiliza dos espejos que reducen la dimensión del eje. La dimensión del sistema es mejor que 210 mm × 160 mm × 120 mm, tiene características de dimensión pequeña, estructura de zoom simple, buena calidad de imagen, etc. La función de transferencia de modulación (MTF) está por encima de 0,5 a una frecuencia espacial de 17 lp/mm y la relación de concentración de energía es superior al 70% dentro del elemento sensor del detector.

En los últimos años, con el desarrollo de las industrias de semiconductores y procesamiento de infrarrojos, los sistemas de infrarrojos se han utilizado cada vez más. Debido a que el sistema de infrarrojos tiene algunas características que el sistema de luz visible no tiene, como imágenes nocturnas, medición de temperatura sin contacto, etc., las imágenes de infrarrojos se utilizan cada vez más en rescate nocturno, vigilancia nocturna y otros campos.

Con el desarrollo de los requisitos de aplicación del sistema de infrarrojos, las deficiencias del sistema de enfoque fijo son cada vez más obvias. Tiene un campo de visión único y no puede lograr un estudio general de campo de visión grande y una inspección detallada de campo de visión pequeño. El sistema de zoom puede compensar esta deficiencia.

En comparación con el sistema de zoom continuo, el sistema de zoom de tres campos puede eliminar la necesidad de un diseño complejo de curvas de leva. Mediante una simple compensación mecánica, se pueden obtener tres distancias focales diferentes: larga, media y corta, correspondientes a los tres tipos de estrecha, media y ancha. Para diferentes campos de visión, se puede seleccionar el campo de visión o la distancia focal correspondiente según las diferentes ocasiones de uso.

En comparación con el sistema de zoom tradicional, el sistema de zoom de tres campos tiene las ventajas de una menor vibración del eje visual y un tiempo de zoom más corto. En este artículo, se utiliza un detector enfriado con una resolución de 320 × 240 y un tamaño de píxel de 30 μm × 30 μm para diseñar un sistema óptico de zoom de tres campos que funcione en el espectro de onda media.

El número F del sistema es 4, la distancia focal del teleobjetivo es de 500 mm, la distancia focal es de 100 mm, la distancia focal corta es de 30 mm y los ángulos del campo de visión son 1,4°, 6,8° y 23,8° respectivamente. El sistema consta de 9 lentes y dos espejos, que cumplen con una eficiencia de diafragma frío del 100%, una estructura compacta y una buena calidad de imagen, entre otras características.

Utilizando un detector refrigerado con resolución de 320 × 256, los parámetros de diseño del sistema óptico se muestran en la Tabla 1.

Dado que el sistema es un sistema óptico infrarrojo refrigerado, cómo reducir el reflejo frío del sistema es una consideración importante en el diseño. La reflexión del frío es un fenómeno común en los sistemas de infrarrojos refrigerados. A diferencia del sistema de luz visible, en el sistema de infrarrojos, cada marco o barril es una fuente de radiación, que se refleja en la superficie no funcional de la parte óptica y entra en el detector de infrarrojos.

Si la distribución de este campo de visión completo no es uniforme, se generarán gradientes en escala de grises durante la toma de imágenes. En la mayoría de los casos, la escala de grises en el centro es más baja que la escala de grises en los bordes, y el sistema de imágenes aparecerá negro en el centro y brillante en los bordes. Puede considerarse como ruido de fondo, que se superpone a la imagen de destino durante la toma de imágenes. Cuando el reflejo del frío es intenso, puede afectar gravemente la calidad de la imagen. Por tanto, es necesario centrarse en el análisis y evaluación del efecto de reflexión en frío durante el diseño.

El sistema adopta la estructura de grupo de zoom único y grupo de compensación único, y su solución gaussiana debe satisfacer la siguiente ecuación:

El intervalo entre el grupo de zoom y el grupo fijo después de hacer zoom:

El intervalo entre el grupo de zoom y el grupo de compensación:

Se puede saber a partir de la fórmula de relación imagen-objeto de óptica geométrica:

La distancia conjugada del sistema es:

En la fórmula anterior: T es la relación de zoom del sistema; b₂es el aumento vertical de la posición inicial del grupo de aumento variable; b₃es el aumento vertical de la posición inicial del grupo de compensación;β^*₂es el aumento vertical del grupo de aumento variable después del aumento del zoom; b^*₃es la ampliación del eje vertical del grupo de compensación después del zoom; F₁' es la distancia focal del grupo fijo frontal; F₂' es la distancia focal del aumento variable; F₃' es la distancia focal del grupo de compensación; d_s12es la posición inicial del grupo de aumento variable como el intervalo del grupo fijo anterior; d_s23es el intervalo entre el grupo de zoom y el grupo de compensación; d*_s12es el intervalo entre el grupo de zoom después del zoom y el grupo fijo anterior; d*_s23es el intervalo entre el grupo de zoom y el grupo de compensación después del zoom.

Sustituyendo las fórmulas (8) y (9) en la fórmula (10), podemos obtener:

Fig.1 Diagrama de principio del sistema óptico.

En el diseño, el diafragma del sistema óptico se coloca en la posición de la pantalla fría del detector y se utiliza el segundo método de obtención de imágenes para lograr una eficiencia del diafragma frío del 100 %. Según la fórmula correspondiente, la posición del diafragma en diferentes estructuras de distancia focal del sistema se puede calcular para garantizar diferentes distancias focales. La posición puede satisfacer el 100% de eficiencia de apertura en frío.

In order to reduce the axial size of the system, the system adopts a negative group compensation zoom method without object image exchange. It can be known from related references that when the focal length of the compensation group |f₃′| is too large, the total length of the system will increase, so in the system, the size of |f₃′| is limited during optimization.

The final normalized focal length of the compensation group of the system is |f₃'|=1.3. When the focal length of the compensation group decreases, the relative aperture of the compensation group will increase, which will increase the difficulty of system aberration correction.

El diseño utiliza una superficie asférica para corregir la aberración esférica y la aberración de coma, y la superficie asférica se agrega a la sexta lente negativa de material de germanio en el sistema. El material de germanio con un gran coeficiente de dispersión en la banda de onda media se utiliza como lente negativa, y el material de silicio con un pequeño coeficiente de dispersión en la banda de onda media se utiliza como lente positiva para que el sistema pueda garantizar una buena calidad de imagen en cada posición de zoom. El resultado del diseño se muestra en la Figura 2.

Fig.2 Esquema óptico de diseño.

Al cambiar las posiciones de la lente 3 y la lente 4, el sistema logra distancias focales largas, medias y cortas, lo que elimina la necesidad de diseñar curvas de leva y reduce la complejidad del sistema. Antes de que se refracte la trayectoria de la luz, la longitud del sistema es de 400 mm y la relación de teleobjetivo (longitud total/distancia focal) = 400/500 = 0,8. Después de que el espejo refracta la trayectoria de la luz, el tamaño total del sistema es inferior a 210 mm × 160 mm × 120 mm. El sistema tiene una estructura compacta y cumple con los requisitos de miniaturización.

La función de transferencia óptica caracteriza la capacidad de obtención de imágenes de la lente para objetivos de diferentes niveles espaciales, entre los cuales, la baja frecuencia caracteriza el contorno, la frecuencia intermedia caracteriza el nivel y la alta frecuencia caracteriza la capacidad de resolución. En los sistemas de imágenes generales, la función de transferencia es superior a 0,2 y generalmente se requiere que la función de transferencia de la lente infrarroja sea superior a 0,4.

Se introduce en el diseño un sistema de corrección de aberración esférica, ubicado en la sexta lente, el tamaño de píxel del sistema es de 30μm, la frecuencia de Nyquist es de 16,7lp/mm, y las tres distancias focales del sistema están en 17lp/mm, la La curva de la función de transferencia se muestra en la Figura 3.

Fig.3 Curvas de MTF

Se puede ver en la figura que los valores de la función de transferencia del sistema son todos superiores a 0,5, lo que está cerca del límite de difracción, lo que indica que el sistema tiene buena calidad de imagen y alta resolución. La Figura 4 muestra la curva de energía del círculo circundante de difracción del sistema. En la figura se puede ver que aproximadamente el 70% de la energía se concentra en el elemento sensible del detector, que cumple con los requisitos básicos de la detección de refrigeración por infrarrojos.

Fig.4 Punto difractivo

Debido a que el diafragma frío del detector refrigerado puede reflejarse a través de la superficie de refracción en el sistema óptico frontal, puede recibir radiación fría de sí mismo y del entorno circundante para formar una imagen de reflexión fría. El reflejo frío formará una mancha oscura en el centro de la superficie objetivo, lo que hará que la relación ruido-señal del sistema se reduzca, por lo que se debe considerar en el diseño minimizar su impacto en la imagen del sistema.

Para suprimir el reflejo frío, los métodos comúnmente utilizados son:

(1) Se aplica un revestimiento antirreflectante para mejorar la transmitancia de los elementos ópticos y reducir la reflectividad para reducir la energía involucrada en el haz de imágenes reflejado;

(2) Controle el ángulo de la luz de imagen reflejada para evitar incidentes en la dirección normal de la superficie tanto como sea posible. La luz incidente a lo largo de la superficie normal refleja fácilmente la superficie objetivo del detector.

En el análisis de reflexión en frío, YNI e I/IBAR son parámetros importantes para la investigación, donde Y es la altura del rayo de borde, N es el índice de refracción de la superficie, I es el ángulo de incidencia correspondiente al rayo de borde Y e IBAR es el ángulo de incidencia correspondiente al rayo de borde Y. ángulo del rayo principal. Por lo general, cuando YNI≥1, indica que se puede ignorar la contribución de esta cara al reflejo frío. Cuando el valor YNI es pequeño y I/IBAR<1, la superficie puede producir un reflejo frío severo.

El análisis muestra que el sistema puede tener reflejos fríos severos en focos cortos. La Tabla 2 muestra los resultados del análisis de las posiciones de enfoque corto del sistema. En la tabla se puede ver que los reflejos fríos en las superficies 3, 6 y 7 pueden ser más graves. Dado que el valor YNI y el valor I/IBAR de la superficie 6 son los más pequeños, concéntrese en la sexta superficie.

Voltee el sistema, use el detector como fuente de luz, rastree la luz hacia atrás y configure la sexta superficie del sistema como superficie reflectante para el trazado de rayos. La Figura 5 muestra el resultado del trazado de rayos. Puede verse en la figura que la imagen formada por la luz del plano de imagen reflejada por la superficie 6 está muy alejada del plano de imagen, y el efecto de reflexión en frío causado por ella puede ignorarse.

Fig.5 Diagrama esquemático del trazado de rayos por reflexión en frío

El artículo presenta en detalle las características del sistema óptico de zoom de tres campos y utiliza un detector infrarrojo refrigerado con resolución de 320 × 240 para diseñar un sistema óptico de zoom infrarrojo de onda media de tres campos con tres longitudes focales de 30 mm, 100 mm y 500 mm. , se dan el proceso de diseño y los resultados del diseño.

En el diseño, se utilizan dos materiales para corregir la aberración cromática del sistema, y la aberración esférica del sistema se corrige mediante la superficie asférica, lo que mejora la calidad de imagen del sistema. El método de imágenes secundarias se utiliza para hacer que el sistema alcance el 100% de eficiencia del diafragma frío. La longitud total del recorrido óptico del sistema antes de girar es de 400 mm y la relación de teleobjetivo alcanza 0,8. Después de utilizar dos espejos para girar la trayectoria óptica, la longitud total es inferior a 210 mm.

La curva de la función de transferencia del sistema está cerca del límite de difracción y la concentración de energía del círculo circundante es alta, lo que indica que el sistema tiene una buena calidad de imagen. Al final del artículo, se analiza la reflexión en frío y se proporcionan el método de análisis de la reflexión en frío y los resultados del análisis. Los resultados del análisis muestran que se puede ignorar la influencia de la reflexión en frío. El sistema es de tamaño pequeño, estructura compacta, cumple con los requisitos de miniaturización y puede usarse ampliamente en campos de búsqueda aerotransportados y en imágenes nocturnas de rescate.

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Autores: Fan Zheyuan, Gao Limin, Zhang Zhi, Chen Weining, Yang Hongtao, Zhang Jian, Wu Li, Cao Jianzhong

Fuente de la revista: Vol.43 No.2 Ingeniería láser e infrarroja, febrero de 2014

Manuscrito recibido: 2013-06-14; fecha de revisión: 2013-07-19

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