Estructura del sistema óptico infrarrojo
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- 2024/9/19
Resumen
Las estructuras ópticas infrarrojas tradicionales se pueden dividir en tres tipos: refractivas, reflexivas y catadióptricas. Las nuevas estructuras ópticas infrarrojas modernas se pueden dividir en tres tipos: sistema híbrido refractivo-difractivo, sistema de tres espejos fuera del eje y sistema óptico de doble campo de visión.
Las estructuras ópticas infrarrojas tradicionales se pueden dividir en tres tipos: refractivas , reflexivas y catadióptricas . Las nuevas estructuras ópticas infrarrojas modernas se pueden dividir en tres tipos: sistema híbrido refractivo-difractivo , sistema de tres espejos fuera del eje y sistema óptico de doble campo de visión .
1、Sistema óptico infrarrojo tradicional: refractivo
El sistema óptico refractivo puede estar compuesto por una sola lente o por varias lentes, y los materiales de las lentes incluyen principalmente germanio, silicio, seleniuro de cinc y vidrio calcogenuro. Al emplear imágenes de tres etapas en sistemas refractivos, se puede diseñar un sistema óptico compacto.
Ventajas: calidad de imagen estable, poca luz parásita, amplio campo de visión
Desventajas: apertura relativamente pequeña, banda de trabajo estrecha y aberraciones.
Aplicaciones: Adecuado para sistemas de búsqueda y seguimiento por infrarrojos para búsqueda panorámica e inclinación en espacios más grandes, torretas optoelectrónicas, módulos infrarrojos, buscadores infrarrojos y otros sistemas.
2、Sistema óptico infrarrojo tradicional——reflectivo
El sistema óptico reflectivo consta de un espejo primario y un espejo secundario. El espejo secundario es convexo, llamado sistema Cassegrain, y el espejo secundario es cóncavo, llamado sistema Gregoriano. En comparación con las estructuras refractivas, el sistema óptico de infrarrojos reflectivo requiere menos elementos ópticos y utiliza el principio de reflexión de espejo para plegar la trayectoria de la luz.
Ventajas: sin aberración cromática, menos elementos, peso ligero, amplia banda de trabajo, fácil eliminación de diferencias térmicas, etc.
Desventajas: procesamiento y ensamblaje complejos, campo de visión pequeño, capacidad de corrección de aberración débil, solo puede eliminar dos aberraciones al mismo tiempo (como eliminar la aberración esférica y el coma al mismo tiempo)
Aplicaciones: radiómetros, sensores de imágenes infrarrojas con visión de futuro, lidar, telescopios de gran apertura y sistemas de guía de misiles, etc.
3、Sistema óptico infrarrojo tradicional: catadióptrico
El sistema óptico catadióptrico se basa en espejos esféricos combinados con elementos refractivos. Dado que los espejos primario y secundario del sistema óptico catadióptrico comparten la mayor parte de la potencia focal óptica, es propicio para un diseño atermalizado. Además, el camino óptico plegado reduce el tamaño y la masa de la lente, lo que hace que la longitud del sistema sea más corta que su longitud focal.
Ventajas: estructura compacta, apertura relativamente grande, distancia focal larga, buena calidad de imagen, propicio para la atermalización, etc.
Desventajas: obstrucción en el centro, inspección y ajuste complejos.
Aplicación: se puede utilizar para sistemas ópticos infrarrojos de gran apertura y longitud focal larga, como el diseño antiinterferencias de buscadores infrarrojos, sistemas ópticos infrarrojos de seguimiento e identificación de objetivos de tanques, etc.
4、Nuevo sistema óptico infrarrojo moderno: sistema híbrido refractivo-difractivo
El sistema híbrido refractivo-difractivo es un sistema óptico que combina elementos ópticos difractivos con elementos ópticos refractivos. Los elementos ópticos difractivos (DOE) se fabrican utilizando técnicas de micrograbado nanométrico en la superficie de una lente para grabar un patrón óptico binario, creando una distribución bidimensional de unidades difractivas, formando una lente difractiva-refractiva de doble superficie.
Ventajas: tamaño pequeño, peso ligero, gran libertad de diseño, muchas variables de optimización, buena eliminación de la aberración térmica y cromática.
Aplicación: El sistema óptico de zoom de doble banda está diseñado para lograr zoom en diferentes bandas, brindando mayor flexibilidad y rango de aplicación, y es adecuado para escaneo de imágenes y sistemas infrarrojos de visión frontal (FLIR).
※El DOE generalmente se puede dividir en modelado de haz, división de haz, luz estructurada, enfoque múltiple y otros tipos especiales de generación de haz.
5、Nuevo sistema óptico infrarrojo moderno: sistema de tres espejos fuera del eje
El diseño de sistemas ópticos de tres espejos fuera del eje se basa en la teoría óptica gaussiana. El diseño comienza con un sistema coaxial de tres espejos y logra un sistema central libre de obstrucciones mediante la desviación de la apertura o del campo de visión, o una combinación de ambos.
Hay dos métodos principales para resolver el bloqueo central: colocar la apertura en el espejo secundario e inclinar el campo para evitar la obstrucción, donde la apertura permanece en el eje; o colocar la apertura en el espejo primario, donde la apertura está fuera del eje.
Ventajas: sin aberración cromática, sin espectro secundario, banda de trabajo amplia, fácil de lograr una gran apertura, campo de visión amplio, buen rendimiento de resistencia térmica, estructura simple, peso ligero, aborda de manera efectiva el problema de la obstrucción central y ofrece muchas variables de optimización, mejorando tanto el campo de visión como la calidad de la imagen.
Aplicaciones: exploración espacial, teledetección terrestre, aviación, aeroespacial, iluminación, visualización y otros campos.
6、Nuevo sistema óptico infrarrojo moderno: sistema de campo de visión dual
Existen dos métodos de diseño principales para sistemas de imágenes infrarrojas de doble campo de visión: tipo conmutable (insertable) y movimiento axial.
(1) Sistema óptico de tipo conmutable (insertable) : los diferentes sistemas de campo de visión cambiarán los diferentes grupos de lentes de zoom para cambiar la longitud focal del sistema óptico. Con la creciente aplicación de elementos de difracción, se pueden introducir elementos de difracción en sistemas ópticos infrarrojos de doble campo de visión para simplificar la estructura del sistema, reducir el peso y hacer que todo el sistema sea más compacto. Los sistemas de zoom de tipo conmutable livianos ofrecen diversas configuraciones, incluidos componentes transmisivos, reflectantes coaxiales y reflectantes fuera del eje. Para satisfacer las demandas de zoom de alta precisión y alta velocidad, se utilizan motores rotatorios de alta velocidad y limitadores mecánicos para lograr la inserción y extracción de los grupos de lentes ópticas.
Ventajas : Cambio rápido del campo de visión, mayor precisión del eje óptico y mejor transmisión.
Desventajas : Dimensiones laterales más grandes, lo que da lugar a una estructura general menos compacta y una menor consistencia del eje óptico.
（2） Sistema óptico de movimiento axial : el sistema cambia su longitud focal ajustando el espaciado axial de los grupos de lentes. Cuando el movimiento del componente está en la posición de línea continua, el sistema está en un modo de campo de visión amplio con una longitud focal efectiva corta. Por el contrario, cuando está en la posición de línea de puntos, el sistema está en un modo de campo de visión estrecho con una longitud focal efectiva larga.
Ventajas: sistema óptico compacto y simple, consistencia estable del eje óptico
Desventajas: el plano de la imagen se vuelve borroso durante el zoom, es fácil perder el seguimiento del objeto.
El sistema de doble campo de visión es en realidad un sistema de zoom de dos velocidades con un cambio rápido del campo de visión. En la posición de enfoque corto, el campo de visión grande puede buscar objetivos en la escena; en la posición de enfoque largo, el campo de visión pequeño puede capturar y observar objetivos.
Aplicaciones: Adecuado para vigilancia de banda dual, sistemas infrarrojos de visión frontal (FLIR), detección y seguimiento de objetivos. En aplicaciones prácticas, el sistema de campo de visión dual de movimiento axial es ampliamente adoptado debido a su buena calidad de imagen y aplicabilidad.
Los sistemas ópticos infrarrojos tradicionales comparten la característica común de estructuras simples. Con el desarrollo continuo de los sistemas infrarrojos, se han introducido requisitos nuevos y más exigentes, como gran apertura, gran distancia focal, alta resolución espacial y atermalización, lo que revela las limitaciones de los sistemas tradicionales.
Los nuevos sistemas ópticos infrarrojos modernos incorporan nuevas tecnologías como la óptica binaria, la óptica adaptativa, el uso racional de superficies asféricas o difractivas o el cambio de la estructura del sistema existente. Es de gran importancia seleccionar la nueva estructura del sistema óptico infrarrojo adecuada según los diferentes requisitos técnicos en el futuro.