Diseño de un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de alta resolución

Una cámara termográfica infrarroja es un instrumento fotoeléctrico que permite a las personas monitorear, rastrear e identificar objetivos a larga distancia durante la noche y con mal tiempo. En los últimos años se ha utilizado ampliamente en campos de monitoreo de todo clima, como defensa nacional, prevención de incendios y socorro en casos de desastre, y exploración geológica. Tiene importantes beneficios económicos y sociales. Las cámaras termográficas infrarrojas tienen tres formas principales: campo de visión único, campo de visión dual y zoom continuo.

La cámara termográfica infrarroja de campo único tiene una única distancia focal fija y el campo de visión es pequeño, lo que no puede satisfacer las necesidades de búsqueda e identificación de objetivos al mismo tiempo; La cámara termográfica de campo dual tiene dos distancias focales diferentes, formando dos campos de visión grandes y pequeños, que se pueden utilizar para la búsqueda de campos de visión grandes y campos de visión pequeños para identificar objetivos.

Ha habido varios resultados de investigaciones nacionales sobre sistemas de zoom continuo infrarrojo de onda larga y alto zoom. Se utilizan detectores refrigerados, como el diez veces diseñado por Zhang Liang et al., 20 veces diseñado por Chen Luji et al., y un sistema de zoom continuo infrarrojo de onda larga de 25 veces diseñado por Jia Xingrui. Sistema óptico de zoom; utilizando detectores no refrigerados, como el 10x diseñado por Liu Feng y el sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga 4x diseñado por Bai Yu.

Los resultados de investigaciones extranjeras incluyen el Mark C estadounidense de 2010. Un sistema óptico de zoom infrarrojo con una relación de zoom de 30× informado por Sanson et al. Sin embargo, debido al desarrollo de los detectores, existen pocas publicaciones sobre sistemas de zoom infrarrojo de alta resolución. Este artículo hace un nuevo intento de diseño en este punto.

El diseño del sistema óptico de zoom continuo por infrarrojos requiere que la distancia focal cambie dentro de un cierto rango y que la posición del plano de la imagen sea fija, la apertura relativa del sistema es grande y permanece casi sin cambios durante el zoom, y requiere una buena calidad de imagen para cada distancia focal y campo de visión. Por tanto, existe una cierta complejidad técnica en el diseño, fabricación y montaje.

Basado en los requisitos de diseño de productos reales, este artículo diseña un sistema óptico infrarrojo de zoom continuo de 6× con una distancia focal de 20~120 mm basado en la teoría de diseño de un sistema óptico de zoom continuo. Cuando la distancia focal del sistema es de 20~90 mm, el número F es 1, y cuando la distancia focal es de 90~120 mm, el número F es 1,1.

En comparación con diseños anteriores, este sistema tiene una resolución óptica más alta y es adecuado para detectores no refrigerados de óxido de vanadio de 640 × 512 elementos. El tamaño de píxel es de sólo 17 μm × 17 μm. Adopta una estructura de zoom compensada mecánicamente y utiliza cinco piezas de lente monocristalina de germanio y una pieza de lente de vidrio de calcogenuro.

Con la premisa de garantizar una mayor relación de zoom y una gran apertura, se mejora la resolución del sistema y se utilizan detectores y materiales ópticos de menor precio, que pueden controlar eficazmente el costo general al mismo tiempo que cumplen con los requisitos de uso y tienen una buena Rendimiento práctico.

Este diseño adopta una estructura de compensación mecánica de grupo positivo (es decir, el grupo de compensación tiene una potencia óptica positiva). El diámetro de la lente es pequeño, la distancia focal del grupo fijo frontal es más larga y el espectro secundario es pequeño.

Se utilizan movimientos de dos componentes para lograr zoom y compensación, y la cantidad de componentes de movimiento es pequeña, lo cual es conveniente para el diseño y optimización de la estructura. El sistema de zoom óptico se puede dividir en el grupo fijo de 1 frente; Grupo de aumento de 2 variables; Grupo de 3 compensaciones; Grupo fijo de 4 traseros; las contribuciones a la potencia óptica general son 1-positivas; 2-negativo; 3 -Positivo; 4-Positivo.

Cuando el grupo de zoom se mueve linealmente para cambiar la posición, la distancia focal del sistema y la posición del plano de la imagen también cambian en consecuencia. Para garantizar la estabilidad del plano de la imagen, el mecanismo de leva debe impulsar el grupo de compensación para realizar el movimiento no lineal para compensar la posición del plano de la imagen. El principio de zoom se muestra en la Figura 1.

Fig.1 Croquis del sistema óptico de zoom

El proceso de diseño del sistema se divide en dos etapas: obtención de una solución gaussiana y diseño de aberración. Primero, determine la distancia focal, el intervalo de la lente, el rango de movimiento del grupo de zoom y el grupo de compensación de cada lente en el sistema de acuerdo con parámetros como el rango de distancia focal, la apertura relativa, el tamaño de la imagen y el tamaño de la forma requeridos por el sistema; y luego calcularlo de acuerdo con los datos de la solución gaussiana. El software ZEMAX se utiliza para calcular la aberración y optimizar el diseño de los parámetros de la estructura inicial de la lente.

En el diseño, es necesario seleccionar múltiples posiciones de distancia focal diferentes de acuerdo con la misma proporción de todo el rango de cambio de distancia focal. Cuando el sistema esté en la posición de distancia focal anterior, use el grupo fijo frontal, el grupo de zoom y el grupo de compensación para optimizar la aberración al mínimo y luego use el grupo fijo trasero para corregir la imagen residual.

Este diseño utiliza un detector infrarrojo de onda larga no refrigerado con elementos de óxido de vanadio de 640 × 512 con un tamaño de píxel de 17 μm × 17 μm. Según los requisitos de la aplicación real, los principales indicadores de diseño del sistema óptico de zoom continuo infrarrojo se muestran en la Tabla 1.

La forma y estructura del sistema óptico de zoom continuo infrarrojo diseñado según el índice se muestra en la Figura 2. La Figura 2(a), la Figura 2(b) y la Figura 2(c) muestran la apariencia y estructura del sistema cuando el La distancia focal corta es de 20 mm, la distancia focal media es de 60 mm y la distancia focal larga es de 120 mm. La longitud total del sistema es de 264 mm.

Fig.2 Diseño del sistema óptico de zoom continuo LWIR

La relación de zoom del sistema es 6× y el diseño optimizado se lleva a cabo utilizando el software de diseño asistido ópticamente ZEMAX. Adopta la estructura de 4 grupos de 6 elementos, el grupo fijo frontal es una lente única de potencia positiva, lo que reduce el peso del sistema. La segunda lente es una lente negativa del grupo de aumento variable, la tercera es una lente positiva del grupo de compensación y el grupo fijo trasero utiliza 3 lentes separadas, que pueden optimizar eficazmente la aberración restante de la estructura anterior.

En términos de materiales, dado que los monocristales de germanio tienen un alto índice de refracción y una baja dispersión para ondas de luz infrarroja de onda larga de 8 ~ 12 μm, se utilizan 5 lentes de monocristal de germanio y 1 lente de vidrio de calcogenuro para eliminar la aberración cromática. La cantidad de lentes es pequeña y el precio es relativamente bajo (el precio del vidrio de calcogenuro es solo un tercio del del seleniuro de zinc), lo que efectivamente reduce el costo bajo la premisa de que el sistema puede corregir aberraciones.

Este artículo utiliza principalmente MTF y diagrama de puntos para evaluar el sistema óptico de zoom continuo infrarrojo. A continuación se proporcionará el mapa MTF y los puntos del sistema de zoom continuo infrarrojo en los tres casos de enfoque corto, enfoque medio y enfoque largo.

La curva MTF de la función de transferencia de modulación de este sistema en todo el rango de distancia focal se muestra en la Fig. 3. Las Figuras 3 (a), 3 (b) y 3 (c) son las curvas MTF de 6 campos de visión cuando el corto La distancia focal es de 20 mm, la distancia focal media es de 60 mm y la distancia focal larga es de 120 mm.

A la frecuencia de corte espacial del detector de 30 lp/mm, se puede ver que el MTF de todo el rango de distancia focal es mayor que 0,45, lo que está cerca del límite de difracción, lo que indica que el sistema tiene una buena calidad de imagen en cada campo de visión dentro de todo el rango de distancia focal. Por lo tanto, el sistema se puede utilizar con una variedad de detectores de matriz de área infrarroja con un tamaño de píxel mayor o igual a 17 μm.

Fig.3 Curvas MTF del sistema óptico de zoom continuo LWIR

La Figura 4 muestra los diagramas de puntos de 6 campos de visión diferentes cuando la distancia focal de este sistema de diseño es 20 mm, 60 mm y 120 mm. Se puede ver en la figura que los puntos difusos en cada campo de visión del sistema están cerca del límite de difracción (el círculo negro en la figura es el rango del disco aireado) y su radio cuadrático medio no excede los 6,3 μm. como máximo, que es más pequeño que el tamaño de píxel de 17 μm × 17 μm. Este diseño logra una resolución más alta y puede cumplir con los requisitos correspondientes del detector no refrigerado de alta definición de este sistema.

Fig.4 Diagramas de puntos del sistema óptico de zoom continuo LWIR

El diseño del sistema óptico de zoom debe garantizar la estabilidad de la superficie de la imagen, y el diseño de la curva de zoom tiene una influencia decisiva en la estabilidad de la superficie de la imagen del producto, la calidad de la imagen y la complejidad del proceso de procesamiento y ensamblaje durante el proceso de zoom.

En aplicaciones prácticas, si el diseño de la curva de la leva del zoom no es lo suficientemente suave y hay curvaturas de salto o puntos extremos en algunas posiciones, aumentará la dificultad de procesar el mecanismo de la leva, lo que hará que el sistema no sea suave y suave al hacer zoom. , y fácil de atascar.

Este diseño utiliza un sistema electromecánico para hacer que el grupo de zoom y el grupo de compensación se muevan de forma no lineal para lograr un zoom óptico continuo de 6× y optimizar el diseño para su suavidad.

La Figura 5 muestra la curva de zoom continuo del sistema: la ordenada es la distancia focal del sistema de zoom y la abscisa es la distancia de movimiento del grupo de zoom y el grupo de compensación con respecto al origen del sistema. La Figura 5 (a) es la curva de zoom antes del diseño de optimización, hay un salto de curvatura local; La Figura 5 (b) es la curva de zoom después del diseño de optimización. La curva de zoom después de la optimización es suave y continua, lo que beneficia el procesamiento del mecanismo de leva]. La fluctuación del eje óptico del sistema es inferior a 3 píxeles en el recorrido del zoom de 20~120 mm.

(a) Curvas de lugares geométricos de zoom antes de la optimización (b) Curvas de lugares geométricos de zoom después de la optimización

Fig.5 Curvas de loci de zoom del sistema óptico de zoom continuo LWIR

En este artículo, se diseña correspondientemente un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de alta resolución basado en el detector no refrigerado de 640 × 512 elementos utilizado. La Figura 6 es la imagen original correspondiente a diferentes distancias focales cuando se utiliza este sistema óptico para fotografiar un edificio a una distancia de entre 2 y 3 km.

(a), (b), (c), (d) y (e) en la figura corresponden a distancias focales de 20 mm, 40 mm, 60 mm, 90 mm y 120 mm, respectivamente. Se puede ver en la Fig. 6 que durante el proceso de zoom, la imagen obtenida por el sistema tiene una calidad de imagen estable, alta resolución, detalles claros, alta transmitancia y buenas perspectivas de aplicación.

(d) Imagen cuando EFL=90 mm (e) Imagen cuando EFL=120 mm

Basado en la teoría del diseño del sistema óptico de zoom continuo y los requisitos de las aplicaciones prácticas de ingeniería, este artículo diseña un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de alta resolución adecuado para detectores no refrigerados de 640 × 512 elementos. El sistema utiliza 5 lentes de monocristal de germanio y 1 lente de vidrio de calcogenuro, con un costo relativamente bajo, tamaño pequeño y liviano, y es fácil de instalar y transportar.

El sistema también utiliza un método de zoom de compensación mecánica para lograr un zoom continuo y suave en el rango de 20~120 mm, y la distancia de trabajo puede alcanzar 5 m~5 km. El campo de visión puede alcanzar 33,8°×25,7° (a una distancia focal de 20 mm) a 4,6°×3,4° (a una distancia focal de 120 mm), se puede lograr un seguimiento en tiempo real cuando se cambia el campo de visión y es adecuado para seguimiento de objetivos en movimiento a alta velocidad.

La calidad de imagen del sistema es excelente, los datos del MTF y del diagrama de puntos están cerca del límite de difracción y el efecto de disparo real es bueno. La curva de la cámara con zoom ha sido optimizada por diseño y el zoom es suave; la superficie de la imagen es estable y el eje del eje óptico tiene menos de 3 píxeles para un zoom continuo.

Se ha demostrado que el diseño cumple con los requisitos de varios indicadores mediante pruebas reales. Como sistema de infrarrojos de alta resolución que reemplaza los productos refrigerados, se caracteriza por la combinación de zoom continuo, alta resolución y menor costo, y lo logra.

Sobre la base de garantizar un alto rendimiento del sistema y calidades de productos, ahorramos tanto como sea posible el costo de diseño, procesamiento, pruebas y ensamblaje, y nos esforzamos por encontrar la mejor combinación de rendimiento y costo. Este diseño se utiliza en seguridad, seguimiento, detección y otros campos que tienen un alto valor práctico.

Autores: Bao Jiaqi, Ji Zijuan, Ge Zhenjie, Li Nan, Yu Kan, Yin Juanjuan

Fuente de la revista: Ingeniería optoelectrónica, febrero de 2014

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