Progreso y perspectivas del sistema óptico de imágenes infrarrojas

El sistema óptico de imágenes infrarrojases un vínculo importante para lograr imágenes térmicas/infrarrojas de alta calidad. En comparación con los sistemas ópticos de imágenes de luz visible, los sistemas ópticos de imágenes de infrarrojos son más complejos y difíciles. La longitud de onda de la radiación infrarroja es un orden de magnitud mayor que la de la luz visible y es propensa a la difracción; el índice de refracción de los materiales ópticos infrarrojos es grande y hay pocos tipos, y el rango de selección de corrección de la aberración óptica con diferentes combinaciones de materiales es pequeño; Por lo tanto, los requisitos de diseño y procesamiento del sistema óptico de imágenes infrarrojas y la forma de la superficie del elemento son mayores.

La energía radiante en la banda infrarroja difiere de la de la banda de luz visible en varios órdenes de magnitud. Para obtener suficiente energía radiante infrarroja, el sistema de imágenes térmicas/infrarrojas necesita utilizar un sistema óptico de imágenes de gran apertura. Para escenas con una distancia (como 5000 m), se necesita un sistema óptico con una distancia focal larga (como 200 mm). Para controlar la difracción de la radiación infrarroja, la apertura relativa del sistema óptico de imágenes infrarrojas debe tomar un valor mayor (por ejemplo, el número F es 1 ~ 4), el número F de una lente de cámara de luz visible típica. va del 1 al 22.

El desarrollo de la primera generación de tecnología de imágenes térmicas ha producido sistemas ópticos infrarrojos basados en imágenes de escaneo óptico-mecánico, especialmente sistemas ópticos infrarrojos de onda larga basados en elementos ópticos de material de germanio.

El desarrollo de la tecnología de imágenes infrarrojas/térmicas de segunda generación no solo ha creado nuevas demandas para los sistemas ópticos de imágenes infrarrojas de las cámaras infrarrojas de onda media y de onda corta, sino que también ha creado nuevas demandas para los sistemas ópticos de imágenes infrarrojas de las cámaras termográficas no refrigeradas. Se desarrollan nuevos materiales ópticos infrarrojos, diseño y métodos de procesamiento de componentes ópticos infrarrojos, lo que enriquece el contenido de los sistemas ópticos de imágenes infrarrojas.

Actualmente, los detectores de infrarrojos se están desarrollando hacia la tercera generación de detectores de plano focal de infrarrojos. El tamaño del píxel supera el millón de píxeles; el tamaño del elemento de detección se reduce a 8 um o incluso 5 um; la sensibilidad térmica aumenta al nivel mK y la dimensión de información adquirida aumenta la dimensión espectral. (doble/multibanda), dimensión de polarización (4 estados de polarización), etc.

Las nuevas características de la tecnología de detección de plano focal infrarrojo de tercera generación conducen al hecho de que la tecnología del sistema óptico de imágenes infrarrojas de segunda generación no puede cumplir bien, o incluso no puede cumplir, los requisitos de imágenes de la imagen térmica/infrarroja de tercera generación. sistema. En otras palabras, los detectores de plano focal infrarrojo de tercera generación plantean nuevos requisitos para el sistema óptico infrarrojo utilizado en el sistema de imágenes térmicas/infrarrojas de tercera generación.

En este artículo, se revisan brevemente los sistemas ópticos de imágenes infrarrojas de primera y segunda generación. Sobre esta base, se clasifican los nuevos problemas que debe resolver el sistema óptico de imágenes infrarrojas de tercera generación y se revisan los enfoques técnicos y los avances del sistema óptico de imágenes infrarrojas de tercera generación para resolver estos nuevos problemas. Finalmente, la tendencia de desarrollo de las perspectivas del sistema óptico de imágenes infrarrojas de tercera generación.

En el sistema de imágenes térmicas de primera generación, debido al gran ángulo de escaneo del haz de escaneo, el diafragma de apertura del sistema óptico generalmente se coloca antes del espejo/dispositivo de escaneo, y el diafragma de apertura es relativamente grande. Cuando la densidad de flujo de radiación infrarroja del objetivo (como un objetivo de larga distancia) es menor que la densidad de flujo de radiación infrarroja del sistema óptico de imágenes infrarrojas (incluidos los componentes ópticos infrarrojos, las estructuras de soporte, etc.), la radiación infrarroja generada por el sistema óptico de imágenes infrarrojas se considera el principal ruido de fondo. El detector de infrarrojos recibe el astigmatismo para formar una imagen de "efecto narciso" superpuesta a la imagen térmica de la escena, lo que se ha convertido en un factor importante que limita la sensibilidad térmica del sistema de imágenes térmicas de primera generación y afecta la calidad de la imagen térmica.

Problemas con la primera generación de sistemas ópticos de imágenes infrarrojas:

1) El sistema óptico de imágenes infrarrojas debe personalizarse; la estructura es compleja; la función de transferencia es baja; la cantidad de componentes ópticos es grande y los requisitos de instalación y ajuste del sistema son altos;

2) No se puede lograr una integración efectiva con los detectores de infrarrojos y el tamaño y peso del sistema óptico de imágenes de infrarrojos son relativamente grandes;

3) El "efecto narciso" del sistema óptico de imágenes infrarrojas refractivas es más grave.

Para superar la influencia del "efecto narciso", el sistema óptico de imágenes infrarrojas de segunda generación fortalece el diseño de la pantalla fría, aumenta la eficiencia de la pantalla fría al 100% y minimiza la influencia de la luz parásita de fondo; El segundo modo de imagen se adopta para reducir el efecto del diámetro de la pupila de entrada y el volumen de la lente del objetivo infrarrojo. El diafragma frío se coloca en la pupila de salida para minimizar la apertura del diafragma y bloquear la mayor parte de la luz parásita (Figura 1), lo que mejora la calidad de la imagen.

En la aplicación de subdivisión del sistema de imágenes infrarrojas/térmicas, el sistema óptico de imágenes infrarrojas de segunda generación tiene las siguientes características técnicas:

1) La tecnología de termalización ha sido desarrollada para reducir el desenfoque del sistema óptico debido a los cambios de temperatura.

2) Los elementos ópticos híbridos y los elementos ópticos asféricos se desarrollan para el procesamiento de superficies de difracción de elementos refractivos, la superficie de difracción corrige la diferencia de color axial y la diferencia de cromosfera, la superficie asférica y la lente pueden eliminar tanto la diferencia esférica como la diferencia de sabiduría, mejorar la calidad de la imagen y simplificar el sistema óptico.

3) La aplicación de un sistema de imágenes térmicas/infrarrojas de larga distancia focal y de larga distancia desarrolla el sistema óptico infrarrojo de reflexión axial, y el tamaño axial del sistema se reduce plegando la trayectoria óptica, como el sistema óptico Cassegrain reflectante axial. Debido a la gran oclusión del sistema de reflexión axial, se reduce la radiación incidente efectiva y se ha desarrollado un sistema de reflexión fuera del eje sin oclusión, tal como un sistema óptico infrarrojo de tres espejos fuera del eje. Para evitar nuevas oclusiones causadas por demasiados espejos, normalmente se coloca un sistema óptico refractivo detrás de los espejos para enfocar la radiación infrarroja en el detector de plano focal infrarrojo. En 2011, Min Wang et al. del Instituto Nacional de Óptica de Canadá diseñó un telescopio infrarrojo fuera de eje de reflexión total de apertura común de cuatro canales, con cuatro bandas de 3,4 um ~ 4,0 um, 8,3 um ~ 9,3 um, 10,0 um ~ 11,0 um y 11,5 um -12,5 um , y el detector es un detector de plano focal infrarrojo lineal de 256 × 1.

4) Se ha desarrollado una amplia variedad de sistemas ópticos infrarrojos no refrigerados para la aplicación de cámaras termográficas no refrigeradas, ligeras y miniaturizadas, como miras térmicas y cámaras termográficas individuales.

5) El sistema óptico infrarrojo de campo único, estandarizado, universalizado y serializado reemplazable, ha sido desarrollado para cumplir con los requisitos de aplicación de alta calidad, gran escala y bajo costo.

6) El sistema óptico infrarrojo de zoom continuo de campo dual, tres campos y gran relación de zoom integrado óptico-mecánico ha sido desarrollado para aplicaciones militares de alto rendimiento.

7) Frente a requisitos de aplicaciones diversificadas, desarrolla un sistema óptico compacto, liviano y de alto rendimiento que integra varias ventajas técnicas. Por ejemplo, en 2002, Hyun Sook Kim et al. diseñó un sistema óptico infrarrojo de onda media continua de 20: con 1 relación variable y 22 microescaneos. Además de reducir el tamaño del sistema, dos espejos también pueden realizar barridos pendulares superior, inferior e izquierdo y derecho respectivamente, para lograr 22 microimágenes de escaneo. El sistema es compacto, con una longitud de sólo 206,2 mm, una altura de 80 mm, un peso de 5,3 kg, una banda de trabajo de 3,7 um a 4,8 um, un número F de 2,5 y un rango de zoom de 12,75 mm a 275 mm. , como se muestra en la Figura 2.

El detector de plano focal infrarrojo de tercera generación plantea nuevos requisitos para el sistema óptico de imágenes infrarrojas. El análisis específico es el siguiente:

1) Bajo la condición de que el volumen del sistema óptico infrarrojo permanezca sin cambios, la distancia operativa y la sensibilidad del sistema de imágenes térmicas/infrarrojas se optimizan al mismo tiempo.

El número F de pantalla fría fija del detector de plano focal infrarrojo refrigerado de segunda generación permite obtener una eficiencia de pantalla fría del 100 % con un solo número F del sistema óptico. Las expresiones matemáticas simplificadas para el rango y la sensibilidad (NETD) son:

donde D es el diámetro de la pupila de entrada; F# es el número F; λ es la longitud de onda; M es el número de píxeles necesarios para confirmar el objetivo Δx; C es el contraste de la escena; d es el tamaño del elemento detector; η es la eficiencia de recolección del detector; ΦB2π representa el flujo radiante de fondo para un campo de visión de 2π; τint es el tiempo de integración.

Se puede ver en la fórmula (1) que mantener sin cambios el volumen del sistema óptico infrarrojo significa fijar el diámetro de la pupila de entrada D, luego cuanto mayor sea F #, mayor será la distancia de trabajo, pero la sensibilidad NETD disminuye con el aumento de F, lo que indica que en el sistema óptico de segunda generación un solo F# en el sistema no puede cumplir los requisitos de rango y sensibilidad al mismo tiempo. Por lo tanto, el sistema óptico infrarrojo de tercera generación se diseña en primer lugar con un número F variable, para optimizar simultáneamente la distancia de trabajo y la sensibilidad del sistema de imágenes térmicas/infrarrojas.

2) Bajo la condición de minimizar el número de lentes y maximizar la transmitancia del sistema óptico, se pueden lograr imágenes claras en las bandas infrarrojas de onda media e infrarroja de onda larga y imágenes de fusión a nivel de píxeles de doble banda al mismo tiempo. .

La característica del detector de plano focal infrarrojo de doble banda que utiliza la estructura de píxeles apilados es que el tamaño y la escala de píxeles de la doble banda son los mismos, y los circuitos de lectura independientes leen los datos de doble banda respectivamente. Las cuestiones que deben considerarse al diseñar el sistema óptico infrarrojo del detector de plano focal infrarrojo de doble banda son las siguientes:

La radiación infrarroja de doble banda de la misma escena debe enfocarse en el mismo detector de plano focal sin reenfocar, y debe obtenerse una calidad de imagen suficientemente alta;

La doble banda alcanza el límite de difracción en cada campo de visión.

La distancia focal de las bandas duales debe ser la misma;

La distorsión debería ser la misma para ambas bandas;

Debe corregirse la aberración cromática causada por la diferencia en la dispersión de los materiales ópticos infrarrojos en las bandas infrarrojas de onda media y larga.

En respuesta a estos problemas, el sistema óptico infrarrojo de doble banda de tercera generación simplifica enormemente el registro del campo de visión de las dos bandas mediante la adopción de un diseño de apertura común. Al mismo tiempo, se adopta un sistema óptico catadióptrico con un amplio espectro, pequeña aberración cromática, tamaño axial pequeño y diseño flexible. Además, se ha desarrollado un sistema óptico infrarrojo de doble banda "imagen en imagen".

3) Reducir el volumen, el peso, el consumo de energía y el coste de los sistemas de imágenes térmicas/infrarrojas es un requisito eterno: "no hay mejor, sólo mejor".

En respuesta a este requisito, la tercera generación de sistemas ópticos infrarrojos ha desarrollado sistemas microópticos, sistemas ópticos de forma libre, etc.

4) Sistemas ópticos infrarrojos para imágenes computacionales; el potencial de los sistemas ópticos debe explotarse al máximo mediante la computación inteligente.

En respuesta a este requisito, se han desarrollado imágenes ópticas multiplex. A continuación se dan breves descripciones.

El sistema óptico de imágenes infrarrojas de número F variable puede aprovechar al máximo las ventajas de los detectores infrarrojos de tercera generación con alta sensibilidad y alta resolución espacial (matriz de área grande) y optimizar la resolución espacial y la sensibilidad del sistema manteniendo el volumen. del sistema de imágenes térmicas original, mejora la relación señal-ruido al buscar un objetivo con un amplio campo de visión y mantiene la capacidad de apuntar y rastrear el objetivo a larga distancia (es decir, cuando el campo de visión es angosto). Para el diámetro limitado de la pupila de entrada en aplicaciones prácticas, elija un número F grande en un campo de visión estrecho y concéntrese en la distancia de acción; elija un número F pequeño en un campo de visión amplio y concéntrese en el campo de visión y la sensibilidad. Para detectores multibanda, elija un número F grande para la banda infrarroja de onda media y un número F pequeño para la banda infrarroja de onda larga.

De acuerdo con las características del sistema óptico infrarrojo catadióptrico con un amplio espectro, pequeña aberración cromática, tamaño axial pequeño y diseño flexible, las imágenes infrarrojas con apertura común, doble número F, doble/multibanda, multicampo/grande Se ha desarrollado una relación de zoom con zoom continuo. El sistema óptico cumple con los requisitos de búsqueda, confirmación y seguimiento de objetivos integrados y automatizados de plataformas de armas con espacio de instalación limitado.

Se desarrolla un sistema óptico de imágenes infrarrojas de doble banda "imagen en imagen" para buscar e identificar objetivos simultáneamente a través de información espacial e información espectral de diferentes aumentos ópticos en una pantalla.

Para escenas de objetos terrestres comunes, las imágenes infrarrojas de onda media y larga emitidas por el detector de plano focal infrarrojo de doble banda de onda media/onda larga tienen un alto grado de correlación (es decir, no hay una diferencia obvia entre las imágenes), y el operador necesita hacer zoom repetidamente entre el campo de visión amplio y el campo de visión estrecho para buscar e identificar objetos de interés. Para aprovechar al máximo la capacidad de los detectores de plano focal de doble banda para obtener información sincrónicamente en bandas separadas y aprovechar el hecho de que la longitud de onda máxima de radiación de los objetos terrestres se encuentra en la banda infrarroja de onda larga y la Dado que el contraste de las imágenes infrarrojas de onda media es alto, en los últimos años se ha desarrollado el sistema óptico de imágenes infrarrojas de doble banda “imagen en imagen”. Utiliza imágenes infrarrojas de onda larga de campo amplio para percibir la situación de objetos y escenas terrestres, e imágenes infrarrojas de onda media de campo estrecho para obtener imágenes de objetivos de alto contraste.

De acuerdo con la ventaja de la gran escala de los píxeles de detección del plano focal infrarrojo de tercera generación, se desarrolló un sistema óptico catadióptrico de imágenes infrarrojas circulares basado en espejos de superficie cuadráticos y se utilizó un único detector de plano focal infrarrojo para registrar un amplio campo de visión. e incluso una vista de circunferencia de 360° Información de campo para satisfacer las necesidades de advertencia y alarma por infrarrojos.

Con el apoyo de tecnología avanzada de medición y fabricación óptica, se desarrollan sistemas ópticos de imágenes infrarrojas de superficie de forma libre para superar dificultades como ampliar el campo de visión, corregir aberraciones, simplificar la estructura de los sistemas ópticos, controlar el volumen y reducir el peso.

Las superficies de forma libre proporcionan geometrías complejas que no son simétricas rotacionalmente, lo que permite la adquisición de imágenes y la corrección de aberraciones no convencionales. En 2014, Kyle Fuerschbach de la Universidad de Rochester, Jannick P. Rolland y Kevin P. Thompson señalaron que la superficie de forma libre se puede describir completamente utilizando la teoría de la aberración existente. Este estudio encontró que los diseñadores ópticos pueden romper la limitación de la simetría rotacional y diseñar superficies libres de cualquier forma de acuerdo con los modelos matemáticos actuales, para obtener un sistema óptico infrarrojo completamente sin obstrucciones, completamente compuesto por elementos ópticos reflectantes. Los tres investigadores también diseñaron y verificaron un sistema óptico infrarrojo totalmente reflectante utilizando solo tres superficies libres, con un límite de difracción tan bajo como 5 um, número F 1,9, alta compacidad, alta estabilidad térmica y un campo de visión diagonal liviano de 10, que puede ser Instalado en un espacio tridimensional complejo sin espejo plegable.

Se desarrollaron sistemas ópticos de imágenes infrarrojas ultrafinos, en miniatura y no refrigerados, para cumplir con los requisitos de imágenes infrarrojas de alto rendimiento bajo limitaciones de volumen, peso y consumo de energía (SWaP).

Con la reducción sustancial en el volumen y el peso de los componentes del detector de plano focal infrarrojo no refrigerado, está aumentando la demanda de sistemas ópticos de imágenes infrarrojas en miniatura con longitudes de trayectoria óptica inferiores a la mitad de la longitud focal. Los reflectores esféricos de procesamiento simple y de bajo costo se usan ampliamente para plegar caminos ópticos; también se usan elementos ópticos refractivos para reducir la oclusión de la superficie de reflexión al camino óptico.

El sistema óptico de imágenes infrarrojas se extiende desde la lente objetivo hasta el chip detector del plano focal infrarrojo y su circuito de procesamiento de señales reduciendo su tamaño. Cuando el tamaño de la unidad del elemento óptico se reduce al mismo tamaño que el detector, se pueden realizar operaciones tales como espectro, polarización y codificación de fase a nivel de píxel. Por ejemplo, la "retina infrarroja" propuesta por Sanjay Krishna en 2009 considera cada píxel del detector de infrarrojos como una célula cónica en la retina y acopla las interacciones entre estas células mediante tecnología de procesamiento de información posterior, imitando así la función de percepción del ojo humano. información de la escena y reconocimiento de la situación de la escena; Cuando la unidad del elemento óptico se reduce aún más a la escala micrométrica o nanométrica, debido al efecto de superficie, el efecto de volumen y el efecto de tamaño cuántico, su rendimiento óptico mostrará características significativamente diferentes de la unidad del elemento óptico macroscópico, tales como absorción superior, antirreflexión o propiedades de convergencia. Se puede decir que la tendencia de desarrollo de los sistemas ópticos infrarrojos es integrarse con detectores de infrarrojos, y la nanofotónica se ha convertido en la fuerza impulsora para el desarrollo de la cuarta generación de detectores de plano focal infrarrojo.

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