تصميم النظام البصري للكاميرا الجوية البانورامية مزدوجة النطاق/مزدوجة المجال
الكاميرات الجوية هي أدوات بصرية دقيقة يتم تركيبها على الطائرات لالتقاط صور للأرض. يتم استخدامها على نطاق واسع في السيطرة على الفيضانات، والتخطيط الحضري، ومسح الأراضي، ورسم الخرائط، وغيرها من المجالات. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الكاميرات الجوية: نوع الإطار، ونوع مكنسة الدفع، والنوع البانورامي. بالمقارنة مع الاثنين السابقين، تستخدم الكاميرا الجوية البانورامية العدسة الموضوعية لمجال الرؤية العادي لمسح العاكس الأمامي، أي أنها يمكنها تحقيق مجال رؤية واسع جدًا للتصوير الفوتوغرافي والحصول على كمية أكبر من المعلومات.
نظرًا لأن الهدف يُظهر خصائص بصرية مختلفة في نطاقات موجية مختلفة، فمن أجل زيادة كمية معلومات الهدف التي تم الحصول عليها وتحسين دقة المعالجة والتفسير، يتم استخدام الكاميرات الجوية متعددة النطاقات على نطاق أوسع. لقد تم تطوير الأنظمة البصرية متعددة النطاقات في وقت مبكر جدًا في البلدان الأجنبية. في الوقت الحاضر، يتم استخدام الكاميرات الجوية ذات الضوء المرئي/الأشعة تحت الحمراء ذات القدرة على التطبيق في جميع الأحوال الجوية على نطاق واسع. بدأت الأبحاث المحلية حول تكنولوجيا التصوير ثنائي النطاق بالضوء المرئي/الأشعة تحت الحمراء في وقت متأخر، وركز البحث في الغالب على الكاميرات الجوية من النوع الإطاري. يعتمد هيكل النظام في الغالب نظام الفتحة البصرية المشتركة الأساسي Cassegrain ويستخدم مقسم الشعاع لتحقيق تقسيم الشعاع ثنائي النطاق. هناك تقارير قليلة عن الأبحاث التي أجريت على الكاميرات الجوية البانورامية مزدوجة النطاق. بالإضافة إلى ذلك، ومن أجل تحسين مرونة ودقة الاستطلاع الجوي، يتزايد أيضًا الطلب على الكاميرات الجوية ذات مجال الرؤية المزدوجة. يمكنه تلبية احتياجات ارتفاعات الطيران المختلفة للتغطية الأرضية وتحقيق البحث عن الأهداف واسعة النطاق ومراقبة دقيقة للأهداف الصغيرة.
في هذا البحث، تم تصميم نظام تصوير بصري مزدوج النطاق للضوء المرئي/الأشعة تحت الحمراء للكاميرات الجوية البانورامية. يتميز النظام البصري بمزايا الهيكل المدمج، الحجم الصغير، الوزن الخفيف، والتكلفة المنخفضة.
1 المبدأ البصري لتكبير مجال الرؤية المزدوج
يراعي التكبير مبدأ تبادل صورة الكائن، والذي يغير البعد البؤري للنظام بأكمله من خلال حركة مجموعة العدسات في النظام البصري، مما يضمن جودة صورة جيدة في مجالات الرؤية الكبيرة والصغيرة وعدم تغيير موضع مستوى الصورة . كما هو موضح في الشكل 1، بالنسبة لأي عدسة أو مجموعة عدسات في النظام البصري، عندما تتحرك من الموضع A إلى الموضع B، يمكنها التأكد من بقاء المسافة المترافقة دون تغيير وتغيير التكبير. إن تكبير نظام المجال المزدوج يراعي مبدأ تبادل صور الكائن.
شكل 1:
تكبير النظام في الشكل 1 (أ) هو:
2 تصميم النظام البصري للكاميرات
2.1 مؤشر التصميم البصري
تظهر مؤشرات التصميم البصري الرئيسية في الجدول 1.
معامل | نظام الأشعة تحت الحمراء | نظام الضوء المرئي | ||
مجال رؤية صغير | مجال رؤية كبير | مجال رؤية صغير | مجال رؤية كبير | |
الطول الموجي/ميكرومتر | 3 ~ 5 | 3 ~ 5 | 0.4~0.7 | 0.4~0.7 |
مجال الرؤية/(°) | 4.7*3.7 | 9.4*7.5 | 4.7*3.5 | 9.4*7.0 |
الفتحة النسبية | 1:4 | 1:4 | 1:8.8 | 1:8.8 |
الطول البؤري/مم | 234 | 117 | 400 | 200 |
عدد بكسلات الجهاز | 1280*1024 | 1280*1024 | 5120*3840 | 5120*3840 |
حجم الخلية/ميكرومتر | 15 | 15 | 6.4 | 6.4 |
زاوية مسح مرآة الكائن (°) | ±5 | ±5 | ±5 | ±5 |
2.2 اختيار النظام البصري وتخطيطه
هناك ثلاثة أنواع من هياكل النظام البصري: الانكساري، الانكساري البصري، والعاكس. فيما يتعلق بتصميم أنظمة التصوير الضوئية ذات المجال المزدوج للضوء المرئي/الأشعة تحت الحمراء، يتم استخدام النظام البصري Cassegrain الانكساري البصري والنظام البصري للانعكاس الكلي في الغالب في الصين. ومع ذلك، يمكن لهذين النوعين من الأنظمة أن يتحملا فقط زاوية رؤية صغيرة. تتمتع أنظمة مجال الرؤية الكبيرة بالأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي في هذه الورقة بزاوية رؤية كبيرة، لذلك لا يتم أخذها في الاعتبار. يتمتع النظام البصري الانكساري بمزايا مجال الرؤية الكبير وجودة التصوير العالية. لذلك، تم اعتماد هيكل النظام البصري الانكساري في هذه الورقة، وتم استخدام المرآة المستوية بشكل مناسب لطي المسار البصري وتسهيل التصغير.
تتضمن طرق التكبير/التصغير الخاصة بالنظام البصري تكبير الحركة المحورية والتكبير/التصغير والتصغير. بما أن طريقة التكبير/التصغير بالقطع والقطع تتطلب مساحة هيكلية كبيرة، فقد تم اعتماد طريقة التكبير بالحركة المحورية. تم ضبط الحجاب الحاجز البارد لكاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد على التخلص من تداخل الضوء الشارد خارج مجال الرؤية. يجب مراعاة مطابقة حدقة الخروج والحجاب الحاجز البارد في التصميم البصري لضمان كفاءة الحجاب الحاجز البارد بنسبة 100%، والتي يتم تحقيقها مباشرة باستخدام الحجاب الحاجز البارد كحاجز للفتحة أو وضع حدقة الخروج للنظام البصري على البارد الحجاب الحاجز مع الحفاظ على حجمه متسقًا مع الحجاب الحاجز البارد. بالإضافة إلى ذلك، لتجنب وجود فتحة كبيرة جدًا للأجزاء البصرية عند التركيز البؤري الطويل، يتم ضغط فتحة الأجزاء البصرية عن طريق التصوير الثانوي، ويتم ضبط الحجاب الحاجز الميداني على مستوى الصورة الأساسي لقمع الضوء الشارد.
2.3 مخطط تحسين النظام البصري
يتم استخدام نظرية البصريات الغوسية لتوزيع القوة الضوئية بشكل معقول. بعد حساب الهيكل الأولي، يتم استخدام برنامج التصميم البصري Zemax لتعيين الشروط الحدودية وتحسين الهيكل الأولي. لإنشاء نظام بصري مدمج، يعتمد كل من نظامي الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي البنية البؤرية البصرية "الإيجابية والسلبية والإيجابية". المجموعة الثابتة الأمامية والمجموعة الثابتة الخلفية عبارة عن مجموعات عدسات موجبة، ومجموعة التكبير/التصغير هي مجموعة عدسات سلبية. في المسار البصري للنظام، لتقليل الحجم، يستخدم نظام الأشعة تحت الحمراء ثلاث مرايا لطي المسار البصري، ويستخدم نظام الضوء المرئي مرآتين لطي المسار البصري.
من أجل تسهيل تصحيح الانحرافات خارج المحور والحفاظ على حجم الحجاب الحاجز للفتحة دون تغيير في مجالات الرؤية الكبيرة والصغيرة مع مراعاة الأبعاد الأمامية والخلفية للنظام البصري، وأغشية الفتحة لنظام الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي يتم وضع النظام بالقرب من منتصف المسار البصري وقبل مجموعة التثبيت الخلفية. يتم تصحيح الانحرافات على المحور باستخدام عدسة بالقرب من موضع توقف الفتحة المنحنية، بينما يتم ثني سطح العدسة ذو زاوية سقوط الضوء الكبيرة نحو التوقف لتقليل الانحرافات المتقدمة. من أجل تقليل عدد العدسات في نظام الأشعة تحت الحمراء وتحسين النفاذية والحصول على جودة صورة مرضية، يقدم نظام الأشعة تحت الحمراء ثلاثة أسطح شبه كروية عالية الترتيب على السطح الخلفي للعدسة 2، والسطح الأمامي للعدسة 3، والسطح الخلفي سطح العدسة 4 لتحقيق التوازن بين الانحراف الكروي وانحناء المجال على المحور.
لضمان قناة إمداد المواد، يتم استخدام مواد العدسات لنظام الأشعة تحت الحمراء بشكل شائع الجرمانيوم أحادي البلورة والسيليكون وسيلينيد الزنك، ويتم اختيار مواد العدسات لنظام الضوء المرئي من المواد ذات التردد العالي والأداء الممتاز التي تنتجها تشنغدو قوانغمينغ.
3 - الخلاصة
في هذا البحث، تم تصميم نظام تصوير بصري مزدوج المجال بالضوء المرئي/الأشعة تحت الحمراء لكاميرات الاستطلاع الجوي البانورامية، وتم إعطاء مؤشرات التصميم البصري التفصيلية، وتحليل هيكل النظام البصري المصمم. يمكن دمج الأنظمة البصرية ذات المجال المزدوج للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء باستخدام مرآة مسح الأجسام الأرضية والمطياف. أظهرت نتائج التصميم أن جودة التصوير للنظام البصري قريبة من حد الحيود، وهو ما يمكن أن يلبي الاحتياجات العملية للهندسة.
Quanhom Technology Co., LTD هي شركة متخصصة في مجال مزدوج مخصص لعدسات الرؤية بالأشعة تحت الحمراء . تعمل فرقنا على سد الفجوة بين الأداء الممتاز والميزانية المحدودة، ومن اللافت للنظر أننا شاركنا في مشاريع تلك المنتجات المتكاملة عالية الدقة بما في ذلك التجميعات الضوئية بالأشعة تحت الحمراء لـ VIS/SWIR/MWIR/LWIR، والعدسات العينية، وعناصر عدسات الأشعة تحت الحمراء (من مجال الرؤية الفردي إلى التبديل السريع مجال الرؤية المتعدد وعدسة الأشعة تحت الحمراء ذات التكبير المستمر) والمزيد حول العالم. إذا لزم الأمر، يرجى الاتصال بنا .
مراجع
[1] HE FY، CUI JC، FENG SL، وآخرون. تحليل نارسيسوس لنظام الأشعة تحت الحمراء المحدق المبرد [C] // وقائع SPIE 6722، الندوة الدولية الثالثة حول تقنيات التصنيع والاختبار البصري المتقدمة: تقنيات التصنيع البصري المتقدمة. تشنغدو: SPIE، 2007.
[2] تانغ تيانجين، لي يان. نظام بصري للتصوير ثنائي النطاق بفتحة مشتركة لكاميرا الأشعة تحت الحمراء [J]. البصريات التطبيقية، 2015، 36(4): 513-518.
[3] وانغ بينغ، تشانغ غويو، غاو يوجون، وآخرون. التصميم البصري الميكانيكي لكاميرات الاستطلاع الجوية ثنائية النطاق المرئية والأشعة تحت الحمراء [J]. المجلة الصينية للهندسة الميكانيكية، 2012، 48(14): 11-16.
[4] باي يو، لياو تشي يوان، لياو شنغ، وآخرون. نظام بصري مزدوج النطاق يعمل بالأشعة تحت الحمراء ذو فتحة مشتركة [J]. الهندسة الدقيقة البصرية، 2016، 24(2): 268-277.
[5] لين تشاوهينغ، تانغ يونغ، دونغ بينغ، وآخرون. تصميم النظام البصري لمكونات التكبير المتغير لمنظار البندقية [J]. مجلة القياسات والأجهزة الإلكترونية، 2008، 22(S1): 207-211.
[6] تيان تيين، وانغ هونغ، قو فينغان، وآخرون. تصميم النظام البصري لكاميرا رسم الخرائط المجسمة ثلاثية الخطوط [J]. الهندسة الدقيقة البصرية، 2009، 17(11): 2692-2698.
[7] POLLICA NJ، ALEXEY C C. البصريات الانكسارية الضوئية واسعة الزاوية لتطبيقات النطاق العريض [C] // وقائع SPIE 8704، تكنولوجيا وتطبيقات الأشعة تحت الحمراء XXXIX.Baltimore، Maryland: SPIE، 2013.
[8] تشانغ هواوي، تشانغ جينوانغ، ليو شيوجون، وآخرون. التصميم البصري لعدسة الكاميرا ذات الفتحة النسبية الكبيرة المبردة بالأشعة تحت الحمراء [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2015، 37(2): 124-129.
[9] جاو جينهونغ، فو يوغانغ، ليو تشي يينغ، وآخرون. تصميم 30 × نظام بصري للتكبير بالأشعة تحت الحمراء مبرد متوسط الموجة [J]. تطبيق التكنولوجيا البصرية الإلكترونية، 2013، 28(2): 13-17.
[10] شو لي. تصميم النظام البصري وتقييم جودة الصورة للكاميرات الجوية الرقمية [J]. الأدوات البصرية، 2009، 31(4): 30-33.