تصميم نظام بصري مصغر للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذو الطول الموجي المتوسط محمول جواً

ويكتمل التصوير بالأشعة تحت الحمراء عن طريق الأشعة تحت الحمراء التي يشعها الجسم نفسه بعد مروره عبر نظام التصوير، ويرتبط الإشعاع الحراري بدرجة حرارة الجسم. لذلك، يمكن للتصوير بالأشعة تحت الحمراء تحقيق التصوير طوال اليوم أثناء النهار والليل، ولديه القدرة على اكتشاف الأهداف وتحديدها في جميع الأحوال الجوية.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنها تنتمي إلى التصوير السلبي، فإنها تتمتع بميزة عدم التدخل بسهولة ولديها قدرات قوية في التعرف على التمويه. يتم تركيب أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء في الأنظمة الإلكترونية البصرية المحمولة جواً للمركبات الجوية مثل المروحيات والطائرات ذات الأجنحة الثابتة والطائرات بدون طيار للمساعدة في إكمال المهام القتالية مثل الوعي الظرفي في ساحة المعركة والبحث عن الهدف وتتبع الهدف واكتشاف الهدف وتحديده وتقييم تأثير السلاح. التوجيه والإضراب. باختصار، أصبحت أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء أحد التكوينات القياسية للأنظمة الإلكترونية الضوئية.

يتميز النظام البصري للتصوير بالأشعة تحت الحمراء ذو التركيز الثابت بطول بؤري ثابت، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات الكشف وتحديد الهوية للأهداف على مسافات مختلفة. يتمتع النظام البصري بالأشعة تحت الحمراء للتكبير المستمر بمجال رؤية كبير في حالة التركيز القصير، ومنطقة استقبال التصوير الخاصة به كبيرة؛ في حالة التركيز الطويل، يكون مجال الرؤية صغيرًا، وتكون دقة التصوير عالية. يتم تطبيقه في النظام الإلكتروني البصري المحمول جواً، ويمكن استخدام مجال الرؤية الكبير لمجموعة واسعة من البحث عن الهدف، ويمكن استخدام مجال الرؤية الصغير للفحص التفصيلي وتحديد الهدف وتتبعه وتوجيهه.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن نظام التصوير بالزوم المستمر يحافظ دائمًا على صورة واضحة للهدف عند تغيير البعد البؤري، عند تتبع الهدف أو توجيهه، يمكن تعديل الطول البؤري وفقًا لاحتياجات المراقبة لاختيار مجال رؤية المراقبة المناسب . أثناء عملية تبديل مجال الرؤية، يمكن الحفاظ على التتبع المستقر للهدف دون فقده، وبالتالي تحسين التصميم المريح بشكل فعال.

في هذا البحث، تم اعتماد الجمع بين عدسة التكبير البؤري الأمامية والنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي. بعد إضافة عدسة التكبير 22^سيتم تحقيق نظام بصري للتكبير المستمر من 30 إلى 660 مم. يمكن للنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي تحقيق 22^سنظام بصري للتكبير المستمر من 15 إلى 330 ملم بعد إزالة عدسة التكبير البؤري الأمامية.

1. مؤشرات التصميم

في هذا البحث، تم تصميم نظام بصري للتكبير المستمر لكاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد بالعنصر 640×512 المستخدم على نطاق واسع. حجم البكسل للكاشف هو 15μm×15μm، ونطاق الاستجابة هو 3.7-4.8μm. تظهر معلمات تصميم النظام البصري في الجدول 1.

2. أفكار التصميم

ويبين الشكل 1 تكوين النظام البصري. يتم الجمع بين عدسة التكبير البؤري الأمامية والنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي. تم تصميم الجزأين بشكل مستقل. يعتمد النظام البصري للتكبير المستمر الخلفي على هيكل تعويض ميكانيكي ثلاثي المكونات، وبالتالي تقصير طول النظام البصري بشكل فعال وتحقيق تصميم مصغر.

الواجهة الأمامية هي 2^سالتلسكوب البؤري، والذي يستخدم لتوسيع البعد البؤري للنظام البصري. في التصميم، تتطابق حدقة الخروج لنظام التقريب الأمامي وحدقة المدخل لنظام التكبير المستمر الخلفي مع بعضهما البعض. تعمل عدسة التكبير الأمامية على مضاعفة الطول البؤري للنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي لتحقيق تركيز طويل، وهو مناسب لأنظمة القرون الإلكترونية الضوئية المحمولة جواً واسعة النطاق للكشف عن الأهداف لمسافات طويلة.

بعد إزالة عدسة التوسيع البؤري الأمامية، يمكن استخدام النظام البصري للتكبير المستمر الخلفي كنظام تكبير مستمر مستقل في نظام القرون الإلكترونية الضوئية الصغيرة والمتوسطة الحجم المحمولة جواً لاكتشاف الأهداف قصيرة المدى.

الشكل 1: تكوين النظام البصري للتكبير المستمر

الشكل 2 هو الرسم التخطيطي البصري لنظام التكبير المستمر الخلفي، حيث 1 هي المجموعة الثابتة الأمامية، 2 هي مجموعة التكبير، 3 هي مجموعة التعويض، و 4 هي المجموعة الثابتة الخلفية.

الشكل 2 رسم تخطيطي لنظام التكبير المعوض ميكانيكيًا

نسبة التكبير للنظام هي:

في الصيغة: β₂و ب₃هي التكبير الأولي للمكونات الثانية والثالثة على التوالي؛ ب*₂و ب*₃هي تكبير المكونين الثاني والثالث بعد حركة التكبير.

التكبيرات الأولية لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض هي:

في الصيغة: ف₁'، F₂'، F₃' هي الأطوال البؤرية للمكونات الأول والثاني والثالث على التوالي؛ د₁₂هو الفاصل الزمني الأولي بين المكونين الأول والثاني؛ د₂₃هو الفاصل الزمني الأولي بين المكونين الثاني والثالث.

تكبيرات مجموعة التكبير ومجموعة التعويض بعد حركة التكبير هي كما يلي:

في الصيغة أعلاه:

مقدار حركة مجموعة التعويض:

الفواصل بين المكونات هي:

أولاً قم بإعطاء القيم الأولية المقيسة: د₁₂، د₂₃، F₂'=-1، و₃"، ب₃=-1√M لحساب البنية الأولية للنظام.

مع أخذ البعد البؤري القصير كموضع البداية، يتم إعطاء القيمة الطبيعية: f₂'=-1. أثناء التصميم، يجب ألا يكون البعد البؤري لمجموعة التعويض طويلًا جدًا أو قصيرًا جدًا. إذا كانت طويلة جدًا، فستكون الكمية التعويضية المطلوبة لمستوى صورة التعويض أكثر من اللازم، وهو ما يتعارض مع تحقيق تصميم التصغير. إذا كانت قصيرة جدًا، فإن الفتحة النسبية التي تقوم بها مجموعة التعويض ستكون كبيرة جدًا، مما يجعل تصحيح الانحراف أكثر صعوبة. يبلغ البعد البؤري لمجموعة التعويض بشكل عام حوالي 3 أضعاف البعد البؤري لمجموعة التكبير، وf₃'=3.

عندما يكون التركيز هو الأقصر، تكون المسافة بين مجموعة التكبير والمجموعة الثابتة الأمامية هي الأقرب، لذلك يجب أن يضمن اختيار d12 عدم تلامس العدسات مع بعضها البعض وترك بعض الهامش، ويأخذ d12=0.5. بافتراض أن d23=6 عند التركيز القصير، وفقًا للصيغ من (1) إلى (9)، يكون النظام في حالة التركيز الطويل: d*₁₂=7.3، د*₂₃=0.6، والأطوال البؤرية لكل مكون هي f₁'=11، و₂'=-1، و₃'=3.

3. نتائج التصميم وتقييم جودة الصورة

3.1 نتائج التصميم

يتم استخدام نموذج الهيكل البصري للتكبير المستمر لتعويض المجموعة الإيجابية الميكانيكية، ويتم استخدام برنامج التصميم البصري للتحسين بعد إنشاء النموذج الأولي وتكبيره. نظرًا لمجال رؤية التركيز القصير الكبير للنظام، تكون الانحرافات خارج المحور والانحرافات عالية الترتيب كبيرة نسبيًا. لتصحيح الانحراف عالي الترتيب، يقدم التصميم أسطحًا شبه كروية وحيادية عالية الترتيب لتحقيق توازن أفضل للانحرافات خارج المحور وعلى المحور.

مع هيكل التصوير الثانوي، تكون حدقة المدخل للنظام أقرب إلى مجموعة العدسات الأمامية، وبالتالي يكون إسقاط الشعاع الرئيسي لمجال الرؤية خارج المحور على مجموعة العدسات الأمامية أقل، وبالتالي تقليل فتحة العدسة الأمامية عدسة.

بالإضافة إلى ذلك، في تصميم الهيكل البصري الميكانيكي، يتم تعيين غشاء المجال في موضع مستوى الصورة الأساسي، بحيث لا يمكن للضوء الشارد خارج مجال رؤية النظام المرور عبر الحجاب الحاجز الميداني للوصول إلى مستوى الصورة، والتي يمكن أن تقلل بشكل فعال من تأثير الضوء الشارد على تصوير النظام البصري، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

يتم ضبط الحجاب الحاجز للفتحة عند مخرج تلميذ النظام البصري. الحجاب الحاجز للفتحة هو نفس الحجاب الحاجز البارد لكاشف التبريد. وبالتالي، فإن الرقم F للنظام هو نفس رقم الكاشف، مما يحقق كفاءة الحجاب الحاجز البارد بنسبة 100%. وبالتالي، لن يكون هناك فقدان للطاقة بسبب قطع العارضة؛ وبالتالي، تم تحسين حساسية النظام.

يظهر التصميم النهائي للنظام البصري في الأشكال من 3 إلى 6. بعد إضافة عدسة التوسيع، يمكنه تحقيق 22^سوظيفة التكبير المستمر مع تغيير الطول البؤري بشكل مستمر في نطاق 30 إلى 660 مم. يبلغ الطول البصري الإجمالي للنظام 244 مم، ويبلغ الطول الإجمالي / الحد الأقصى لنسبة الطول البؤري 0.37، لذلك يتميز بخصائص الطول البصري الإجمالي الصغير ونسبة التكبير الكبيرة.

بعد إزالة الموسع البؤري الأمامي، يمكن للنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي تحقيق وظيفة التكبير المستمر 22 مرة مع تغيير الطول البؤري بشكل مستمر في نطاق 15-330 مم. يبلغ إجمالي الطول البصري للنظام البصري للتكبير المستمر 138 مم، ويبلغ إجمالي الطول/الحد الأقصى لنسبة الطول البؤري 0.42. الطول الإجمالي للنظام قصير، والحجم صغير.

الشكل 3: تخطيط النظام البصري عند 15 مم

الشكل 4: تخطيط النظام البصري عند 330 مم

الشكل 5: تخطيط النظام البصري مع موسع بحجم 30 مم

الشكل 6: تخطيط النظام البصري مع موسع يبلغ 660 مم

3.2 تقييم جودة الصورة

بالنسبة لنظام التصوير البصري، فإن وظيفة نقل التعديل البصري (MTF) هي نسبة درجة تعديل الصورة إلى درجة تعديل الكائن. إنها دالة للتردد المكاني ويمكنها التعبير عن تغير تباين الخلفية المستهدفة بعد المرور عبر نظام التصوير عند كل مكون تردد.

تعكس الأجزاء عالية التردد ومتوسطة التردد ومنخفضة التردد على التوالي نقل التفاصيل ونقل المستوى ونقل الكفاف للكائن، وهي المعايير الأكثر شمولاً لأداء نظام التصوير البصري.

الشكلان 7 و8 هما منحنيات MTF للنظام البصري في هذه الورقة عندما يكون التركيز القصير 15 مم والتركيز الطويل 330 مم دون إضافة عدسة مكبرة. وفقًا للأرقام، عند النقطة التي يكون فيها للكاشف المبرد 640×512 تردد مميز يبلغ 331p/mm، تبلغ قيم MTF لمجال الرؤية المركزي حوالي 0.3، وهو قريب من حد الحيود. تبلغ قيم MTF لحقل الرؤية 0.7 حوالي 0.2، وقيم MTF لحقول عرض الحافة كلها حوالي 0.15. بالنسبة لنظام التصوير المحمول جوًا، فإن المنطقة الرئيسية التي تلاحظها العين البشرية تقع ضمن مجال رؤية الصورة الذي يبلغ 0.7. ولذلك، يمكن للنظام البصري تلبية متطلبات التطبيق.

الشكل 7 رسم بياني MTF بطول بؤري 15 مم شكل 8 رسم بياني MTF بطول بؤري 330 مم

الشكل 9 والشكل 10 هما منحنيات MTF للنظام البصري في هذه الورقة بعد إضافة عدسة التكبير عندما يكون التركيز القصير 30 مم والتركيز الطويل 660 مم. وفقًا للأرقام، عند النقطة التي يكون فيها التردد المميز للكاشف المبرد 640×512 هو 331p/mm، تبلغ قيم MTF لمجال الرؤية المركزي حوالي 0.3، وهو قريب من حد الحيود. تبلغ قيم MTF لحقل الرؤية 0.7 حوالي 0.2، وقيم MTF لحقول عرض الحافة كلها حوالي 0.15، والتي يمكن أن تلبي متطلبات التطبيق.

الشكل 9 رسم بياني MTF بطول بؤري 30 مم مع الموسع شكل 10 رسم بياني MTF بطول بؤري 660 مم مع الموسع

في عملية تصوير البصريات الهندسية، بسبب انحراف النظام البصري، بعد أن يتم تصوير الضوء المنبعث من نقطة على سطح الجسم بواسطة النظام البصري، فإنه لم يعد يتركز في نقطة واحدة على مستوى الصورة، بل يتشكل ضمن نطاق معين نمط صورة هندسية يسمى الرسم البياني البقعي.

يوفر المخطط الموضعي الأساس لتقييم جودة الصورة، وهو طريقة مريحة وسهلة لاستخدام المخطط الموضعي لتقييم جودة صورة النظام البصري. الجذر التربيعي لقطر (RMS) للبقعة المتناثرة في النظام البصري هو قطر دائرة تحتوي على حوالي 68% من الطاقة.

يوضح الشكلان 11 و12 النظام البصري في هذه الورقة دون إضافة موسع، مع تركيز قصير يبلغ 15 ملم وتركيز طويل يبلغ 330 ملم. يمكن أن نرى من الأشكال أن الحد الأقصى لقطر البقع RMS للنظام هو 20.9 ميكرومتر. يبلغ قطر القرص الهوائي للنظام 2.44 μm.F#=39.04μm؛ ولذلك، فإن قطر البقعة المنتشرة أصغر من قطر القرص الهوائي، الذي يلبي متطلبات التطبيق.

الشكل 11 الرسم التخطيطي الموضعي عندما يكون البعد البؤري 15 مم الشكل 12 الرسم التخطيطي الموضعي عندما يكون البعد البؤري 330 مم

الشكل 13 والشكل 14 هما المخططان الموضعيان للنظام البصري في هذه الورقة بعد إضافة عدسة التوسيع عندما يكون التركيز القصير 30 مم والتركيز الطويل 660 مم. يمكن أن نرى من الأشكال أن الحد الأقصى لقطر نقطة تشتت RMS للنظام البصري هو 23.5 ميكرومتر، وهو أصغر من قطر قرص Airy البالغ 39.04 ميكرومتر؛ وبالتالي فإنه يلبي متطلبات التطبيق.

الشكل 13 مخطط نقطي عندما يكون البعد البؤري 30 مم مع الموسع الشكل 14 مخطط نقطي عندما يكون الطول البؤري 660 مم مع الموسع

في هيكل عدسة التكبير المستمر، عادةً ما يتم استخدام كاميرا التكبير/التصغير لدفع مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض للتحرك. تم تركيب مجموعتي العدسات لمجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض على التوالي على عربتين، ويتم تثبيت دبوس التوجيه على كل عربة ويتحرك على طول أخدود منحنى الكامة.

عندما يدور المحرك لدفع الكاميرا إلى الدوران، تتحرك دبابيس التوجيه للعربتين على طول أخاديد التوجيه الخاصة بها، مما يدفع مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض إلى التحرك على طول المحور البصري في علاقة محددة مسبقًا، وبالتالي تغيير الطول البؤري للعدسة العدسة.

تتميز الآلية بمزايا النقل المستقر والتحكم البسيط والموثوقية والارتداد الصفري ورد الفعل العكسي الصغير. تتم معالجة أخدود منحنى كاميرا التكبير/التصغير بواسطة بيانات منحنى التكبير/التصغير في أداة آلة CNC. ولذلك، بالنسبة للنظام البصري للتكبير المستمر، فإن تركيب منحنى التكبير هو الرابط الرئيسي بين التصميم البصري وتصميم الهيكل البصري الميكانيكي.

الشكل 15 هو مخطط منحنى حركة التكبير/التصغير للنظام البصري التكبير/التصغير ومجموعة التعويض، حيث يمثل الإحداثي البعدي البعد البؤري للنظام البصري، والإحداثي هو المسافة بين مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض من المجموعة الثابتة الأمامية . يمكن أن نرى من الشكل أن حركة مجموعة التكبير/التصغير ومجموعة التعويض تكون سلسة ومستمرة أثناء عملية تغيير الطول البؤري، ولا توجد نقطة انعطاف، والتي يمكن أن تتجنب بشكل فعال ركود النظام أثناء حركة التكبير/التصغير.

الشكل 15 منحنيات التكبير للنظام الفرعي للتكبير المستمر

4. الخلاصة

تعتمد هذه الورقة مزيجًا من الموسع البؤري الأمامي والنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي. بعد إضافة الموسع، 22^سيتم تحقيق نظام بصري للتكبير المستمر من 30 إلى 660 مم. يبلغ الطول البصري الإجمالي للنظام 244 مم، ويبلغ إجمالي الطول / الحد الأقصى لنسبة الطول البؤري 0.37، وبالتالي فإن النظام مدمج في الهيكل، وله خصائص الطول البصري الإجمالي الصغير ونسبة التكبير الكبيرة، وهو مناسب لـ أنظمة البودات الكهروضوئية المحمولة جواً واسعة النطاق للكشف عن الأهداف لمسافات طويلة.

بعد إزالة الموسع البؤري الأمامي، يمكن للنظام البصري للتكبير المستمر الخلفي تحقيق 22^سنظام بصري للتكبير المستمر من 15 إلى 330 ملم. يبلغ الطول البصري الإجمالي للنظام 138 ملم، ويبلغ إجمالي الطول/الحد الأقصى لنسبة الطول البؤري 0.42. يمكن استخدامه كنظام تكبير مستمر مستقل لأنظمة الكبسولات الكهروضوئية المحمولة جواً الصغيرة والمتوسطة الحجم لاكتشاف الأهداف على مسافة قصيرة.

وفقًا للاحتياجات المختلفة لمعدات المهمة، يمكن إضافة مرآة التمدد الأمامية أو إزالتها للتكيف مع متطلبات الحجم والطول البؤري لمختلف القرون الإلكترونية الضوئية لنظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء، وبالتالي تقصير دورة تطوير النظام بشكل فعال، وتقليل التقنية المخاطر وتكاليف التطوير، وتوسيع نطاق تطبيق المنتج، وإطالة دورة حياة المنتج. باختصار، لديها إمكانية تطبيق جيدة في مجال الإلكترونيات الضوئية المحمولة جواً وغيرها من المجالات.

باعتبارها ذات جودة عاليةمورد عدسة الأشعة تحت الحمراءمن خلال دمج تصميم وتصنيع وبيع المكونات الميكانيكية البصرية، تلتزم Quanhom بجعل المستخدمين في جميع أنحاء العالم يستمتعون بخدماتنا عالية الجودة. لدينا قسم فحص الجودة المحترف، والذي يمكنه التحكم في جودة المنتجات في جميع الجوانب. لدينا فريق البحث والتصميم الأكثر تقدمًا، ونقدم باستمرار المزيد من سلسلة عدسات الأشعة تحت الحمراء. إذا كنت مهتمًا بعدسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، فيرجى الاتصال بنا على الفور!

المؤلفون: وو هاى تشينغ، وانغ ويتشاو

مصدر المجلة: Infrared Technology المجلد 43 العدد 12 ديسمبر 2021

تاريخ الاستلام: 2021-01-01؛ تاريخ المراجعة: 2021-11-25

مراجع:

[1] وانغ لينغ شيو، كاي يي. التقدم الأخير ووجهات نظر الأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2019، 41(1): 1-10.

[2] جي شوبينج. تطوير معدات الحمولة الكهربائية الضوئية المحمولة جواً وتقنياتها الرئيسية [J]. الأسلحة الجوية، 2017(6): 3-12.

[3] هوانغ جون، زانغ زينغيونغ، تيان شنغمين. الوضع الحالي واتجاه تطوير معدات الكشف الكهروضوئية المحمولة جواً إلى الأرض [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2018، 40(5): 412-416.

[4] وانغ شيانغجونا، وانغ مين. تصميم نظام تكبير مناسب لتصغير حجرة الطائرات بدون طيار [J]. الهندسة البصرية الإلكترونية، 2013، 40(1): 139-144.

[5] شيوي هوي، لي تشانغوي. التصميم البصري لعدسات التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء [J]. J. الأشعة تحت الحمراء ميليم. واويس، 2012، 31(5): 421-424.

[6] وو هايكينغ، لي تونغهاي، تشاو شينليانغ، وآخرون. تصميم نظام بصري للتكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء للموجة المتوسطة الكبيرة لطائرة تصوير كبيرة [J]. الأشعة تحت الحمراء، 2019، 40(1): 7-10.

[7] وانغ تشيجيانغ. دليل التكنولوجيا البصرية العملي [M]. بكين: الصين آلة الصحافة، 2007: 429-430.