Sistema de lentes con zoom infrarrojo para detección de objetivos

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Tiempo de Publicación: 2022/3/25

Resumen

Este artículo describe un dispositivo con lente de zoom infrarrojo (IR) diseñado para detectar firmas de misiles en longitudes de onda de 8 a 13 Bin.

Sistema de lentes con zoom infrarrojo para detección de objetivos

Este artículo describe un dispositivo con lente de zoom infrarrojo (IR) diseñado para detectar firmas de misiles en longitudes de onda de 8 a 13 Bin. Una discusión adicional involucrará la filosofía del diseño óptico en lo que respecta a este tema en particular. Al diseñar un sistema óptico, la pregunta más importante es: "¿Por dónde empezar?" La respuesta a esta pregunta tendrá un gran impacto en el éxito de la campaña, ya que el punto de partida limita el área donde se resolverá el problema de diseño. El número de elementos de la lente y los correspondientes grados de libertad deberían ser suficientes para lograr el resultado deseado sin añadir más complejidad. La elección del material también puede ser un factor clave en esta decisión, ya que la naturaleza del color depende en gran medida de la elección del material.

1.1.Requisitos

El requisito es para ópticas de imágenes de alta resolución (1 mrad) con restricción de difracción cercana en el rango de longitud de onda de 8 a 13 que funcionen a f/2 con una transmisión superior al 50 por ciento. Se necesitan tres modos de lente distintos con un rango de aumento de 3:1 para cubrir un detector de 9,525 mm de diámetro para tres conjuntos distintos de rango objetivo y área de visión (FOV). El rango de distancia focal es de 37,76 mm a 113,28 mm y el campo de visión correspondiente es de ±7,19 niveles a ±2,41 niveles. Los obstáculos de tamaño y peso son parámetros adicionales que limitan el diseño.

1.2.Tipo de sistema óptico

Un dispositivo totalmente reflectante cumpliría perfectamente con el requisito de ancho de banda espectral porque no hay aberración cromática. Uno de estos dispositivos se ha definido actualmente en la literatura.1 Se puede diseñar una máquina óptica refractiva de reconocimiento establecido para que tenga difracción restringida para cualquier conjunto determinado de situaciones. Luego se pueden diseñar e instalar 3 de estas estructuras, una por una, para reemplazar una por otra para cubrir las 3 unidades de variedad objetivo y FOV. La posibilidad opuesta es un objetivo zoom que permitiría pasar de un modo a otro de forma continua. Este sistema podría requerir un dispositivo óptico de elementos múltiples con algunos mecanismos para el desplazamiento de la lente a través del tipo zoom. Se persiguió la idea de la lente con zoom para minimizar las dimensiones y el peso del dispositivo óptico manteniendo el número f/no. Requisito.

1.3.Tipos de lentes con zoom

Las lentes con zoom se compensan en diferentes enfoques: rutinario y óptico. Dentro de la lente de zoom compensada mecánicamente, los aditivos en movimiento viajan a través del rango de zoom en una relación no lineal con admiración mutua. Dentro de la lente de zoom con compensación óptica, los elementos móviles están conectados entre sí y se mueven como una sola unidad a través del rango de zoom. A pesar de que los objetivos con zoom con compensación óptica ofrecen un mecanismo más sencillo, también tienden a ser más largos (que los que se compensan habitualmente). Además, la compensación mecánica mantiene una imagen consistente de la ubicación de la aeronave durante todo el zoom, mientras que, con el reembolso óptico, la fotografía tiene la máxima atención solo en posiciones de zoom discretas. Se optó por el reembolso mecánico para esta aplicación debido a las limitaciones de tiempo impuestas por problemas de embalaje.

1.4.El punto de partida

El diseñador óptico debe seleccionar el punto de partida más probable entre las siguientes alternativas posibles:

1)un sistema óptico disponible comercialmente;

2)un sistema óptico interno previamente diseñado;

3) una lente descrita en las patentes u otra literatura;

4)una solución fina para lentes.

En este caso específico, se optó por una solución de lente delgada como punto de partida después de descartar las tres primeras opciones. Los sistemas de lentes con zoom IR disponibles comercialmente no cumplían con los requisitos únicos de relación de zoom y f/no. Para este software. Estas son también las estructuras de lentes de zoom IR descritas en las patentes, 2, 3 y otra literatura. 4, 6 Como resultó, el enfoque de lentes delgadas fue bastante simple de diseñar e implementar.

1.5. Propiedades de primer orden

Se puede construir un telescopio afocal asimétrico de unidad de energía con la ayuda de colocar una lente negativa a medio camino entre lentes finas iguales de modo que el dispositivo de lente funcione con una unidad de aumento. Si la lente central se mueve a lo largo del eje desde la posición media en ambas direcciones, el aumento cambiará rápidamente. Un dispositivo afocal de este tipo se muestra esquemáticamente en la figura 1. Una de las lentes exteriores debe empujarse mediante leva para preservar el ajuste afocal del dispositivo. Este tipo de accesorio de zoom se describe por Rudolf Kingslake en un artículo sobre el desarrollo de la lente de zoom.7 Los parámetros de primer orden de un accesorio de zoom afocal de tres:1 definido en el artículo de Kingslake se proporcionan en la tabla I. Los movimientos de la lente de este dispositivo se representan en la Fig. 2 como una característica de aumento.

Como punto de partida para este diseño se utilizó un accesorio afocal delante de una lente de imagen fija. Se logra una relación de zoom de 3:1 pasando de un aumento de l/'/J a V5", con un aumento unitario en la posición media (Fig. 3). Al colocar el tope de apertura detrás de los elementos móviles, se Es posible mantener un número f/constante en el plano de la imagen sin un iris variable.

1.6.Optimización informática

En un simposio técnico anterior de SPIE se proporcionó una evaluación de las aplicaciones de diseño óptico para sistemas ópticos de tipo infrarrojo.10 La aplicación para computadora de David Grey es especialmente adecuada para sistemas de lentes con zoom. Su programa de optimización para lentes de zoom con compensación robótica (MZOOM) se aplicó al diseño exacto de este lente de zoom. Es una aplicación completamente poderosa que optimiza nueve posiciones específicas en todo el rango de zoom al mismo tiempo que mantiene un plano de fotografía fijo en todo el rango. El consumidor puede introducir situaciones límite para regular parámetros tales como viñeteado permitido, grosor de la lente y duración normal de la máquina. Los límites de espesor y espaciado para el dispositivo de período focal unitario utilizado por Gray en la optimización se muestran en la Tabla III. El factor de dimensiones en milímetros del sistema significativo es 109,98, la duración focal de la prescripción de entrada. La tabulación de las distancias focales iniciales y finales de los detalles de las lentes presentadas en la tabla IV sugiere que al software de optimización se le permitió apartarse de las propiedades afocales iniciales de primer orden para localizar la solución excepcional al problema. Esto también podría verse a partir de una comparación de las separaciones de lentes unificadas iniciales y finales mostradas en las Figs. Cuatro(a) y cuatro(b). Se ha permitido que el período general del elemento afocal aumente en 19,0 mm para lograr una mayor estabilidad de los residuos de aberración en todo el rango del zoom. Lo más efectivo es que se necesitaron algunas tiradas claramente más económicas de principio a fin para optimizar la máquina.

2. Conclusiones

Este artículo ha descrito un dispositivo óptico con lente de zoom simple pero potente para IR que ofrece una resolución de 1 mrad para todas las condiciones de uso. Esta lente de zoom es útil para la detección de objetivos en un amplio conjunto de condiciones operativas porque el plano de la imagen generalmente está consciente en todo el rango de zoom. Se presentaron problemas de tolerancia para mantener la agudeza mental porque los componentes del zoom fluyen para intercambiar la ampliación.

También se ha proporcionado el método de la disposición óptica. La posición de la computadora se ha planteado como un poderoso dispositivo computacional que sirve para complementar las habilidades conceptuales y analíticas que el diseñador aporta a su tarea.

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3. Referencias

1. Woehl, WE, opt. Ing. 20(3), 450 (1981).

2. Altman, RM y Rosenblatt, JJ de Hughes Aircraft Company, Sistema óptico de lentes con zoom para longitudes de onda infrarrojas, Patente de EE. UU. N° 3.825.315 (23 de julio de 1974).

Noyes, GR de Hughes Aircraft Company, Telescopio con zoom afocal infrarrojo de onda larga, patente estadounidense nº 3.947.084 (30 de marzo de 1976). Noyes, GR, Proc. SPIE 131, 24 (1978).

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Kingslake, R., Revista del SMPTE 69, 534 (1969).

Welford, WT, Aberraciones del sistema óptico simétrico, pág. 141, Prensa académica, (1974).

Riedl, MJ, Diseño de sistemas electroópticos, 58 (noviembre de 1974). Juergens, RC y Mann, A., Proc. SPIE 131, 28 (1978).

Manual de referencia MZOOM del paquete de óptica informática (COP) de David Gray Associates para lentes con zoom con compensación mecánica, Genesee Computer Center, Inc., Rochester, Nueva York (junio de 1980).

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