Diseño de un sistema óptico de zoom continuo infrarrojo de longitud de onda media miniaturizado aerotransportado

La obtención de imágenes infrarrojas se completa con la radiación infrarroja irradiada por el propio objeto después de pasar por el sistema de imágenes, y la radiación térmica está relacionada con la temperatura del objeto. Por lo tanto, las imágenes infrarrojas pueden lograr imágenes durante todo el día durante el día y la noche, y tienen la capacidad de detección e identificación de objetivos en cualquier clima.

Además, debido a que pertenece a la imagen pasiva, tiene la ventaja de que no se interfiere fácilmente y tiene una fuerte capacidad de identificación de camuflaje. Los sistemas de imágenes infrarrojas se instalan en sistemas optoelectrónicos aerotransportados de vehículos aéreos como helicópteros, aviones de ala fija y vehículos aéreos no tripulados para ayudar a completar misiones de combate como conocimiento de la situación en el campo de batalla, búsqueda de objetivos, seguimiento de objetivos, detección e identificación de objetivos y evaluación del efecto de las armas. orientación y huelga. En resumen, los sistemas de imágenes infrarrojas se han convertido en una de las configuraciones estándar de los sistemas optoelectrónicos.

El sistema óptico de imágenes infrarrojas de enfoque fijo tiene una distancia focal fija, lo que dificulta cumplir con los requisitos de detección e identificación de objetivos a diferentes distancias. El sistema óptico infrarrojo de zoom continuo tiene un gran campo de visión en el estado de enfoque corto y su área de recepción de imágenes es grande; en el estado de enfoque largo, el campo de visión es pequeño y la resolución de imagen es alta. Aplicado en el sistema optoelectrónico aerotransportado, el campo de visión grande se puede utilizar para una amplia gama de búsqueda de objetivos, y el campo de visión pequeño se puede utilizar para inspección e identificación detalladas, seguimiento y apuntamiento del objetivo.

Además, dado que el sistema de imágenes de zoom continuo siempre mantiene una imagen clara del objetivo cuando se cambia la distancia focal, al rastrear o apuntar al objetivo, la distancia focal se puede ajustar de acuerdo con las necesidades de observación y seleccionar el campo de visión de observación apropiado. . Durante el proceso de cambio del campo de visión, se puede mantener el seguimiento estable del objetivo sin fallas, mejorando así efectivamente el diseño ergonómico.

En este artículo, se adopta la combinación de la lente de aumento afocal frontal y el sistema óptico de zoom continuo trasero. Después de agregar la lente de aumento, un 22^XSe realiza un sistema óptico de zoom continuo de 30-660 mm. El sistema óptico de zoom continuo trasero puede realizar un 22^XSistema óptico de zoom continuo de 15 a 330 mm después de retirar la lente de aumento afocal frontal.

1. Indicadores de diseño

En este artículo, se diseña un sistema óptico de zoom continuo para el ampliamente utilizado detector infrarrojo refrigerado por elementos de 640 × 512. El tamaño de píxel del detector es de 15 μm × 15 μm y la banda de respuesta es de 3,7 a 4,8 μm. Los parámetros de diseño del sistema óptico se muestran en la Tabla 1.

2. Ideas de diseño

La figura 1 muestra la composición del sistema óptico. Se combinan la lente de aumento de expansión afocal frontal y el sistema óptico de zoom continuo trasero. Las dos partes están diseñadas de forma independiente. El sistema óptico de zoom continuo trasero adopta una estructura de compensación mecánica de tres componentes, acortando así efectivamente la longitud del sistema óptico y logrando un diseño miniaturizado.

La parte delantera es un 2^XTelescopio afocal, que se utiliza para ampliar la distancia focal del sistema óptico. En el diseño, la pupila de salida del sistema de teleobjetivo delantero y la pupila de entrada del sistema de zoom continuo trasero coinciden. La lente de aumento frontal duplica la distancia focal del sistema óptico de zoom continuo trasero para lograr un enfoque prolongado, que es adecuado para sistemas de cápsulas optoelectrónicas aerotransportadas a gran escala para la detección de objetivos a larga distancia.

Después de retirar la lente de expansión afocal frontal, el sistema óptico de zoom continuo trasero se puede utilizar como un sistema de zoom continuo independiente en el sistema de pod optoelectrónico aerotransportado de tamaño pequeño y mediano para la detección de objetivos de corto alcance.

Fig.1 Composición del sistema óptico de zoom continuo

La Figura 2 es el diagrama esquemático óptico del sistema de zoom continuo trasero, en el que 1 es el grupo fijo delantero, 2 es el grupo de zoom, 3 es el grupo de compensación y 4 es el grupo fijo trasero.

Fig.2 Diagrama esquemático del sistema de zoom compensado mecánicamente

La relación de zoom del sistema es:

En la fórmula: β₂y β₃son los aumentos iniciales del segundo y tercer componente respectivamente; b*₂y β*₃son los aumentos del segundo y tercer componente después del movimiento del zoom.

Los aumentos iniciales del grupo de zoom y del grupo de compensación son:

En la fórmula: f₁',f₂',f₃' son las distancias focales del primer, segundo y tercer componente respectivamente; d₁₂es el intervalo inicial entre el primer y el segundo componente; d₂₃es el intervalo inicial entre el segundo y el tercer componente.

Las ampliaciones del grupo de zoom y del grupo de compensación después del movimiento del zoom son las siguientes:

En la fórmula anterior:

La cantidad de movimiento del grupo de compensación:

Los intervalos entre los componentes son:

Primero proporcione valores iniciales normalizados: d₁₂, d₂₃, f₂'=-1,f₃', β₃=-1√M para calcular la estructura inicial del sistema.

Tomando la distancia focal corta como posición inicial, se da el valor normalizado: f₂'=-1. Durante el diseño, la distancia focal del grupo de compensación no debe ser ni demasiado larga ni demasiado corta. Si es demasiado largo, la cantidad compensatoria requerida del plano de imagen de compensación será demasiada, lo que va en contra de la realización del diseño de miniaturización. Si es demasiado corta, la apertura relativa realizada por el grupo de compensación será demasiado grande, lo que dificultará la corrección de la aberración. La distancia focal del grupo de compensación es generalmente aproximadamente 3 veces la distancia focal del grupo de zoom, y f₃'=3.

Cuando el enfoque es el más corto, la distancia entre el grupo de zoom y el grupo fijo frontal es la más cercana, por lo que la selección de d12 debe garantizar que las lentes no se toquen entre sí y dejen cierto margen, y tome d12 = 0,5. Suponiendo que d23=6 con enfoque corto, de acuerdo con las fórmulas (1) a (9), el sistema está en estado de enfoque largo: d*₁₂=7,3, d*₂₃= 0,6, y las distancias focales de cada componente son f₁'=11,f₂'=-1,f₃'=3.

3. Resultados del diseño y evaluación de la calidad de la imagen.

3.1 Resultados del diseño

Se utiliza el modelo de estructura óptica de zoom continuo de compensación de grupo positivo mecánico, y el software de diseño óptico se utiliza para la optimización después de establecer y ampliar el modelo inicial. Debido al gran campo de visión de enfoque corto del sistema, tanto las aberraciones fuera del eje como las aberraciones de alto orden son relativamente grandes. Para la corrección de la aberración de alto orden, el diseño introduce superficies asféricas y difractivas de alto orden para equilibrar mejor las aberraciones dentro y fuera del eje.

Con la estructura de imagen secundaria, la pupila de entrada del sistema está más cerca del grupo de lentes frontales, por lo que la proyección del rayo principal del campo de visión fuera del eje en el grupo de lentes frontales es menor, reduciendo así la apertura del frente. lente.

Además, en el diseño de la estructura óptico-mecánica, se establece un diafragma de campo en la posición del plano de imagen primario, de modo que la luz parásita fuera del campo de visión del sistema no puede pasar a través del diafragma de campo para alcanzar el plano de imagen. Lo que puede reducir eficazmente la influencia de la luz parásita en la imagen del sistema óptico, lo que mejora la relación señal-ruido.

El diafragma de apertura se coloca en la pupila de salida del sistema óptico. El diafragma de apertura es el mismo que el diafragma frío del detector de enfriamiento. Así, el número F del sistema es el mismo que el del detector, consiguiendo un 100% de eficiencia de diafragma frío. Por lo tanto, no habrá pérdida de energía causada por el corte de la viga; por lo tanto, se mejora la sensibilidad del sistema.

El diseño final del sistema óptico se muestra en las Figuras 3 a 6. Después de agregar la lente de expansión, se puede realizar el 22^XFunción de zoom continuo con la distancia focal cambiando continuamente en el rango de 30 a 660 mm. La longitud óptica total del sistema es de 244 mm y la relación de longitud total/distancia focal máxima es de 0,37, por lo que tiene las características de una longitud óptica total pequeña y una relación de zoom grande.

Después de retirar el extensor afocal frontal, el sistema óptico de zoom continuo trasero puede realizar una función de zoom continuo de 22 veces con la distancia focal cambiando continuamente en el rango de 15-330 mm. La longitud óptica total del sistema óptico de zoom continuo es de 138 mm y la relación entre longitud total y distancia focal máxima es de 0,42. La longitud total del sistema es corta y el volumen es pequeño.

Fig.3 Disposición del sistema óptico a 15 mm

Fig.4 Disposición del sistema óptico a 330 mm

Fig.5 Diseño del sistema óptico con extensor a 30 mm

Fig.6 Diseño del sistema óptico con extensor a 660 mm

3.2 Evaluación de la calidad de la imagen

Para el sistema óptico de imágenes, la función de transferencia de modulación óptica (MTF) es la relación entre el grado de modulación de la imagen y el grado de modulación del objeto. Es una función de la frecuencia espacial y puede expresar el cambio del contraste del fondo objetivo después de pasar por el sistema de imágenes en cada componente de frecuencia.

Las partes de alta frecuencia, frecuencia intermedia y baja frecuencia reflejan respectivamente la transferencia de detalles, la transferencia de nivel y la transferencia de contorno del objeto, que son los criterios más completos del rendimiento del sistema óptico de imágenes.

Las figuras 7 y 8 son las curvas MTF del sistema óptico en este artículo cuando el enfoque corto es de 15 mm y el enfoque largo es de 330 mm sin agregar una lente de aumento. Según las figuras, en el punto donde el detector enfriado de 640×512 tiene la frecuencia característica de 331p/mm, los valores de MTF del campo de visión central están alrededor de 0,3, lo que está cerca del límite de difracción. Los valores de MTF del campo de visión de 0,7 están alrededor de 0,2, y los valores de MTF de los campos de visión de borde están alrededor de 0,15. Para el sistema de imágenes aéreas, el área principal observada por el ojo humano está dentro del campo de visión de 0,7 de la imagen. Por lo tanto, el sistema óptico puede cumplir con los requisitos de la aplicación.

Fig.7 Gráfico MTF con distancia focal de 15 mm Fig.8 Gráfico MTF con distancia focal de 330 mm

La Figura 9 y la Figura 10 son las curvas MTF del sistema óptico en este artículo después de agregar la lente de aumento cuando el enfoque corto es de 30 mm y el enfoque largo es de 660 mm. Según las figuras, en el punto donde la frecuencia característica del detector enfriado de 640×512 es 331p/mm, los valores MTF del campo de visión central están alrededor de 0,3, lo que está cerca del límite de difracción. Los valores de MTF del campo de visión de 0,7 son de alrededor de 0,2 y los valores de MTF de los campos de visión de borde son de alrededor de 0,15, lo que puede cumplir con los requisitos de la aplicación.

Fig.9 Gráfica MTF con distancia focal de 30 mm con extensor Fig.10 Gráfica MTF con distancia focal de 660 mm con extensor

En el proceso de obtención de imágenes de óptica geométrica, debido a la aberración del sistema óptico, después de que el sistema óptico genera imágenes de la luz emitida desde un punto en la superficie del objeto, ya no se concentra en un punto en el plano de la imagen, sino que se forma. dentro de un cierto rango, un patrón de imagen geométrico que se llama diagrama de puntos.

El diagrama de puntos proporciona la base para la evaluación de la calidad de la imagen y es un método fácil y conveniente para utilizar el diagrama de puntos para evaluar la calidad de la imagen del sistema óptico. La raíz cuadrada media (RMS) del diámetro del punto disperso del sistema óptico es el diámetro de un círculo que contiene aproximadamente el 68% de la energía.

Las figuras 11 y 12 muestran el sistema óptico de este trabajo sin añadir expansor, con un foco corto de 15 mm y un foco largo de 330 mm. En las figuras se puede ver que el diámetro moteado RMS máximo del sistema es de 20,9 μm. El diámetro del disco Airy del sistema es 2,44λ.F#=39,04μm; por lo tanto, el diámetro del punto difundido es menor que el diámetro del disco Airy, lo que cumple con los requisitos de la aplicación.

Fig.11 Diagrama de puntos cuando la distancia focal es de 15 mm Fig.12 Diagrama de puntos cuando la distancia focal es de 330 mm

La Figura 13 y la Figura 14 son los diagramas de puntos del sistema óptico en este documento después de agregar la lente de expansión cuando el enfoque corto es de 30 mm y el enfoque largo es de 660 mm. Se puede ver en las figuras que el diámetro máximo del punto de dispersión RMS del sistema óptico es de 23,5 μm, que es más pequeño que el diámetro del disco de Airy de 39,04 μm; por lo tanto cumple con los requisitos de la aplicación.

Fig.13 Diagrama de puntos cuando la distancia focal es de 30 mm con extensor Fig.14 Diagrama de puntos cuando la distancia focal es de 660 mm con extensor

En la estructura de una lente de zoom continuo, generalmente se usa una cámara de zoom para hacer que el grupo de zoom y el grupo de compensación se muevan. Los dos grupos de lentes del grupo de zoom y el grupo de compensación están montados respectivamente en dos carros, y se fija un pasador guía en cada carro y se mueve a lo largo de la ranura curva de la leva.

Cuando el motor gira para hacer girar la leva, los pasadores guía de los dos carros se mueven a lo largo de sus respectivas ranuras guía, haciendo que el grupo de zoom y el grupo de compensación se muevan a lo largo del eje óptico en una relación predeterminada, cambiando así la distancia focal de la lente.

El mecanismo tiene las ventajas de una transmisión estable, control simple, confiabilidad, cero rebotes y un pequeño juego. La ranura de la curva de la leva de zoom se procesa mediante los datos de la curva de zoom en la máquina herramienta CNC. Por lo tanto, para el sistema óptico de zoom continuo, el ajuste de la curva de zoom es el vínculo clave entre el diseño óptico y el diseño de la estructura óptico-mecánica.

La Figura 15 es el diagrama de la curva de movimiento del zoom del sistema óptico de zoom y el grupo de compensación, en el que la abscisa es la distancia focal del sistema óptico y la ordenada es la distancia entre el grupo de zoom y el grupo de compensación del grupo fijo frontal. . Se puede ver en la figura que el movimiento del grupo de zoom y el grupo de compensación es suave y continuo durante el proceso de cambio de distancia focal, y no hay ningún punto de inflexión, lo que puede evitar eficazmente el estancamiento del sistema durante el movimiento del zoom.

Fig.15 Curvas de zoom del subsistema de zoom continuo

4. Conclusión

Este documento adopta la combinación del extensor afocal frontal y el sistema óptico de zoom continuo trasero. Después de agregar el extensor, un 22^XSe realiza un sistema óptico de zoom continuo de 30 a 660 mm. La longitud óptica total del sistema es de 244 mm y la relación de longitud total/distancia focal máxima es de 0,37, por lo que el sistema tiene una estructura compacta y tiene las características de una longitud óptica total pequeña y una relación de zoom grande, y es adecuado para Sistemas de cápsulas fotoeléctricas aerotransportadas a gran escala para la detección de objetivos a larga distancia.

Después de retirar el extensor afocal delantero, el sistema óptico de zoom continuo trasero puede realizar un 22^XSistema óptico de zoom continuo de 15 a 330 mm. La longitud óptica total del sistema es de 138 mm y la relación longitud total/distancia focal máxima es de 0,42. Se puede utilizar como un sistema de zoom continuo independiente para sistemas de cápsulas fotoeléctricas aéreas pequeñas y medianas para la detección de objetivos a corta distancia.

De acuerdo con las diferentes necesidades del equipo de la misión, se puede agregar o quitar el espejo de expansión frontal para adaptarse a los requisitos de volumen y distancia focal de diferentes cápsulas optoelectrónicas para el sistema de zoom continuo por infrarrojos, acortando así efectivamente el ciclo de desarrollo del sistema y reduciendo los costos técnicos. riesgos y costos de desarrollo, ampliando el alcance de aplicación del producto y extendiendo el ciclo de vida del producto. En resumen, tiene buenas perspectivas de aplicación en optoelectrónica aérea y otros campos.

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Autores: Wu Haiqing, Wang Weichao

Fuente de la revista: Tecnología Infrarroja Vol.43 No.12 Diciembre de 2021

Fecha de recepción: 2021-01-01; Fecha de revisión: 2021-11-25

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