Diseño de un sistema óptico de zoom continuo de doble enlace infrarrojo de onda larga
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- 2022/1/20
Resumen
En este artículo, basado en el detector infrarrojo enfriado de onda larga de 640 × 512, que se ha aplicado con madurez, se diseña un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de enlace de grupo dual.
Los sistemas de imágenes térmicas infrarrojas son de detección pasiva y no requieren iluminación auxiliar activa. Por lo tanto, se han utilizado ampliamente en navegación con visión nocturna, alerta entrante, reconocimiento de objetivos y otros campos. Para objetivos con fuentes de radiación de alta temperatura, como aviones, la radiación térmica externa se concentra en la banda infrarroja de onda media.
El sistema de imágenes térmicas infrarrojas de onda media tiene ventajas en la detección e identificación de dichos objetivos; Debido a la baja temperatura de la superficie de los objetivos militares terrestres, como los edificios, su radiación térmica se concentra en la banda infrarroja de onda larga, y el sistema de infrarrojos de onda larga puede suprimir el efecto adverso de los destellos de la superficie del mar en la imagen del objetivo.
Por lo tanto, el sistema infrarrojo de onda larga tiene más ventajas en la detección de objetivos en condiciones climáticas adversas como baja visibilidad y niebla, así como en la detección e identificación de objetivos de barcos en la superficie.
Debido a los efectos de la difracción, el diámetro del disco de Airy de un sistema óptico es proporcional a la longitud de onda y al número F. Para el sistema de imágenes térmicas infrarrojas de onda larga, para mejorar su resolución, es necesario diseñar un sistema óptico con una gran apertura relativa. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar sistemas ópticos con números F pequeños y aperturas relativas grandes.
El sistema de zoom continuo por infrarrojos se realiza mediante el movimiento axial del grupo de zoom y el grupo de compensación. Según los diferentes métodos de compensación, se divide en dos formas: compensación óptica y compensación mecánica.
En el sistema de zoom de compensación óptica, dado que el grupo móvil es responsable de las funciones de zoom y compensación al mismo tiempo, es difícil lograr una relación de zoom grande; Para el sistema de zoom de compensación mecánica, el intervalo de cambio entre el grupo de zoom, el grupo de compensación y el grupo fijo es pequeño. No es fácil para el sistema lograr una gran apertura relativa y un diseño miniaturizado.
En este artículo, basado en el detector infrarrojo enfriado de onda larga de 640 × 512, que se ha aplicado con madurez, se diseña un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de enlace de grupo dual. El grupo de zoom del sistema utiliza dos grupos de lentes fijos para realizar un movimiento lineal o no lineal para lograr un cambio de distancia focal, y el grupo de compensación realiza un movimiento no lineal para compensar el desenfoque del plano de imagen del sistema causado por el movimiento del grupo de zoom. . Asegúrese de que la imagen siempre pueda ser clara durante el proceso de zoom.
Sin aumentar la dificultad de mover el sistema de control de componentes, se puede reducir el ángulo de presión de la curva de leva del sistema de zoom, se puede reducir el número de lentes del sistema y se puede mejorar la relación de zoom del sistema mientras se logra una gran relación. Apertura y miniaturización.
1. Principio de zoom de enlace de doble grupo y cálculo de la estructura inicial.
La Figura 1 muestra el diagrama del principio óptico del sistema de zoom de enlace de grupo dual. En la figura, 1 es el grupo fijo frontal; 2 y 4 son grupos de zoom, que están fijados entre sí para realizar un movimiento lineal (o movimiento no lineal) en la misma dirección; 3 es un grupo de compensación, ubicado entre los dos grupos de zoom, que realiza un movimiento no lineal para compensar el desenfoque del plano de imagen del sistema causado por el movimiento del grupo de zoom, para garantizar que el plano de imagen del sistema permanezca estable durante el proceso de acercamiento; 5 es el grupo fijo trasero.
Fig.1 Croquis del sistema de zoom de doble enlace
La relación de zoom del sistema es:
En la fórmula: β2, β3, β4 son el aumento inicial de los componentes 2.º, 3.º y 4.º, respectivamente, β*2, β*3, β*4 son los componentes 2.º, 3.º y 4.º después del aumento del movimiento del zoom. . Los aumentos iniciales del grupo de zoom y del grupo de compensación son:
En la fórmula: f1, f2, f3, f4 son las distancias focales de los componentes 1.º, 2.º, 3.º y 4.º respectivamente, d12 es el intervalo inicial entre los componentes 1.º y 2.º, y d23 es la distancia entre los componentes 2.º y 3.º . El intervalo inicial entre d34 es el intervalo inicial entre los componentes 3.º y 4.º.
Los aumentos del grupo de zoom y del grupo de compensación son:
La cantidad de movimiento del grupo de zoom:
La cantidad de movimiento del grupo de compensación:
El intervalo entre los componentes es:
Primero, proporcione valores iniciales normalizados: f3, d23, d34, tome β3=-1, β2, β4=1 o β2=-1, β3=1, β4=1 para calcular la estructura inicial del sistema.
2. Indicadores de diseño y resultados de diseño.
2.1 Indicadores de diseño
Detector: refrigeración 640×512;
Tamaño de píxel: 15 μm;
Banda de trabajo: 7,7 μm ~ 9,5 μm;
Número F: 2,24;
Distancia focal: 30 mm ~ 360 mm;
Diámetro del sistema: ≤180 mm;
La longitud total del sistema: ≤320 mm.
2.2 Resultados del diseño y análisis de la calidad de la imagen.
Establezca el teleobjetivo como posición inicial, tome el valor normalizado: f3=1, d23 es el más corto en el teleobjetivo, y es suficiente para asegurarse de que las lentes no se toquen entre sí, tome 0,05, establezca el teleobjetivo en d34=1,5 , tomar β3 =-1, β2β4=1 Realizar el cálculo de la estructura inicial del sistema. Sustituya en las fórmulas (1) a (9) para obtener el sistema en el estado de enfoque corto: d12*=0,2, d23*=1,5, d34*=0,02, d45*=0,9; en el estado de enfoque largo: d12=0,9, d23=0,3, d34=1,5, d45=0,2, la distancia focal de cada componente es: f2=-0,35, f1=1,5, f4=-6.
Después de escalar la estructura inicial obtenida, se utilizó el software de diseño óptico para su ajuste y optimización. Finalmente, se diseñó un sistema óptico de enlace de grupo dual adecuado para un detector enfriado de onda larga de 640 × 512, como se muestra en la Fig. 2.
El número F del sistema era 2,24 y la banda de trabajo era de onda larga de 7,7 μm a 9,5 μm, compuesta por 8 lentes y el diámetro máximo es de 166 mm. La tercera lente está hecha de material ZnSe y el resto están hechos de material Ge, del cual la superficie posterior de la primera lente y la superficie posterior de la tercera lente son asféricas. En la Figura 3 se muestra un diagrama esquemático del proceso de zoom del sistema óptico de zoom continuo.
Fig.2 Estructura del sistema óptico.
Fig.3 Diagrama del proceso de zoom del sistema óptico.
La Figura 4, la Figura 5 y la Figura 6 son las curvas de función de transferencia de modulación del sistema en distancias focales cortas, medias y largas. El tamaño de píxel del detector infrarrojo refrigerado de onda larga de 640 × 512 es de 15 μm y la frecuencia característica correspondiente es de 33 lp/mm, la función de transferencia del sistema óptico en el campo de visión de 0,7 está cerca del límite de difracción y el valor de la función de transferencia en el campo de visión del borde es mayor que 0,15, lo que cumple con los requisitos de la aplicación.
Fig.4 Curvas MTF de distancia focal corta
Fig.5 Curvas MTF de distancia focal media
Fig.6 Curvas MTF de distancia focal larga
La Figura 7, la Figura 8 y la Figura 9 son los diagramas de puntos del sistema en distancias focales cortas, medias y largas. Se puede ver en las figuras que el diámetro del punto de dispersión del sistema a diferentes distancias focales es menor que el diámetro teórico del disco Airy del sistema, para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Fig.7 Diagrama de puntos de distancia focal corta
Fig.8 Diagrama de puntos de distancia focal media
Fig.9 Diagrama de puntos de distancia focal larga
La Figura 10, la Figura 11 y la Figura 12 son las curvas de curvatura de campo y distorsión del sistema en distancias focales cortas, medias y largas. Se puede ver en las figuras que la distorsión del sistema bajo diferentes distancias focales es inferior al 2,5%, lo que cumple con los requisitos de la aplicación.
La Figura 13 es el diagrama de la curva de zoom del sistema óptico de zoom continuo, la abscisa es la distancia focal del sistema óptico de zoom continuo y la ordenada es la distancia axial del grupo de zoom y el grupo de compensación con respecto al grupo fijo frontal. En la figura se puede ver que la curva de zoom del sistema es suave y continua, y no hay cambios repentinos, lo que puede evitar efectivamente que el sistema se atasque en el proceso de zoom.
Fig.10 Curvas de campo astigmático y distorsión de distancia focal corta
Dado que el grupo de zoom está compuesto por dos grupos de lentes, que comparten la potencia óptica del grupo de zoom, se puede reducir el ángulo de presión de la curva de leva del grupo de zoom. Antes del análisis de simulación de la estructura de la leva, es necesario optimizar la curva de la leva.
Al optimizar la curva de la leva, es necesario asegurarse de que el proceso de zoom sea uniforme y estable. Al mismo tiempo, para facilitar el procesamiento, el ángulo de presión de la curva de leva no puede ser demasiado grande y el máximo no puede exceder los 45°.
La Fig. 14 es un gráfico del ángulo de presión de la leva de zoom del sistema óptico de zoom continuo. El sistema adopta el movimiento no lineal tanto del grupo de zoom como del grupo de compensación. Después de la optimización, el ángulo de presión máximo de la curva de zoom es 41,31°, el ángulo de presión máximo de la curva de compensación es 34,29° y el ángulo de circunferencia de la leva es 172,45°.
Fig.11 Curvas del campo astigmático y distorsión de la distancia focal media.
Fig.12 Curvas de campo astigmático y distorsión de distancia focal larga
Fig.13 Curvas de zoom del sistema óptico de zoom continuo
Fig.14 Ángulo de presión de la leva de zoom del sistema óptico de zoom continuo
3. Conclusión
En este artículo se estudia el diseño de un sistema óptico infrarrojo de enlace de doble grupo. Basado en un detector infrarrojo refrigerado de onda larga de 640 × 512 y 15 μm, se diseña un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de onda larga de enlace de grupo dual con una longitud focal de 30 mm a 360 mm y un número F de 2,24.
El grupo de zoom del sistema está formado por dos grupos de lentes fijos para realizar el movimiento lineal o no lineal, y el grupo de compensación realiza un movimiento no lineal para compensar el desenfoque del plano de imagen del sistema causado por el movimiento del grupo de zoom, con lo que asegurando que durante el proceso de zoom pueda obtener imágenes nítidas en todo momento. Los resultados muestran que se puede reducir el ángulo de presión de la curva de leva y se puede lograr el diseño de una gran apertura relativa y la miniaturización sin aumentar la dificultad del sistema de control del componente móvil.
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Autores: Wu Haiqing, Zhao Xinliang, Li Tonghai, Tian Haixia, Cui Li
Fuente de la revista: Tecnología infrarroja Vol.41 No.7 julio de 2019
Fecha de recepción: 2018-12-18; Fecha de revisión: 2019-06-26.
Referencias:
[1] LUO Shoujun, XIA Yinhui, YANG Ningning, et al. Sistema óptico de escaneo con zoom continuo infrarrojo de longitud de onda larga[J]. Óptica china, 2015, 8(1): 107-113.
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