تُعدّ أنظمة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء أنظمة كشف سلبية، ولا تتطلب إضاءة مساعدة فعّالة. ولذلك، فهي تُستخدم على نطاق واسع في الملاحة الليلية، والإنذار المبكر، واستطلاع الأهداف، وغيرها من المجالات. بالنسبة للأهداف ذات مصادر الإشعاع عالية الحرارة، كالطائرات، يتركز الإشعاع الحراري الخارجي في نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة.

يتميز نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة بمزايا في كشف وتحديد هذه الأهداف؛ فبسبب انخفاض درجة حرارة سطح الأهداف العسكرية الأرضية، كالمباني، يتركز إشعاعها الحراري في نطاق الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، ويمكن لنظام الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة أن يُقلل من التأثير السلبي لانعكاسات سطح البحر على تصوير الهدف.

لذا، يتمتع نظام الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة بمزايا أكبر في كشف الأهداف في الظروف الجوية السيئة، كضعف الرؤية والضباب، وكذلك في كشف وتحديد أهداف السفن السطحية.

بسبب تأثيرات الحيود، يتناسب قطر قرص إيري للنظام البصري طرديًا مع الطول الموجي ورقم البؤرة. لتحسين دقة نظام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة، من الضروري تصميم نظام بصري بفتحة نسبية كبيرة. لذا، يُعدّ دراسة الأنظمة البصرية ذات الأرقام البؤرية الصغيرة (F-numbers) أمرًا بالغ الأهمية. فبدون زيادة صعوبة تحريك نظام التحكم بالمكونات، يمكن تقليل زاوية ضغط منحنى الكامة لنظام التكبير، وتقليل عدد عدسات النظام، وتحسين نسبة التكبير مع تحقيق فتحة نسبية كبيرة وتصغير الحجم.

يُحقق نظام التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء من خلال الحركة المحورية لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض. وينقسم، وفقًا لطرق التعويض المختلفة، إلى نوعين: التعويض البصري والتعويض الميكانيكي.

في نظام التكبير بالتعويض البصري، نظرًا لأن المجموعة المتحركة مسؤولة عن وظيفتي التكبير والتعويض في آنٍ واحد، يصعب تحقيق نسبة تكبير كبيرة. أما في نظام التكبير بالتعويض الميكانيكي، فإن الفاصل الزمني بين مجموعة التكبير ومجموعة التعويض والمجموعة الثابتة صغير، مما يجعل من الصعب تحقيق فتحة نسبية كبيرة وتصميم مصغر.

في هذه المقالة، وبناءً على كاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد ذي الموجة الطويلة 640×512، والذي تم تطبيقه بنجاح، تم تصميم نظام بصري مزدوج المجموعة يعمل بتقنية التكبير المستمر بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة. تستخدم مجموعة التكبير في النظام مجموعتين من العدسات الثابتة لتنفيذ حركة خطية أو غير خطية لتغيير البعد البؤري، بينما تقوم مجموعة التعويض بحركة غير خطية لتعويض عدم وضوح مستوى الصورة الناتج عن حركة مجموعة التكبير، مما يضمن وضوح الصورة أثناء عملية التكبير.

ودون زيادة صعوبة تحريك نظام التحكم في المكونات، يمكن تقليل زاوية الضغط لمنحنى الكامة في نظام التكبير، وتقليل عدد عدسات النظام، وتحسين نسبة التكبير، مع تحقيق فتحة نسبية كبيرة وتصغير الحجم.

1. مبدأ تكبير الربط الثنائي وحساب البنية الأولية
يوضح الشكل 1 مخطط المبدأ البصري لنظام التكبير/التصغير ذي الربط الثنائي. في الشكل، 1 هي المجموعة الأمامية الثابتة؛ 2 و4 هما مجموعتا تكبير/تصغير، مثبتتان معًا لأداء حركة خطية (أو غير خطية) في نفس الاتجاه؛ 3 هي مجموعة التعويض، تقع بين مجموعتي التكبير/التصغير، وتؤدي حركة غير خطية لتعويض عدم وضوح مستوى صورة النظام الناتج عن حركة مجموعة التكبير/التصغير، وذلك لضمان بقاء مستوى صورة النظام ثابتًا أثناء عملية التكبير/التصغير؛ 5 هي المجموعة الخلفية الثابتة.

   الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام التكبير/التصغير ذي الوصلة المزدوجة. نسبة التكبير/التصغير في النظام هي:

في الصيغة: β2، β3، β4 هي التكبير الأولي للمكونات الثاني والثالث والرابع على التوالي، وβ2*، β3*، β4* هي المكونات الثاني والثالث والرابع بعد تكبير حركة التكبير. التكبيرات الأولية لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض هي:

في الصيغة: f1، f2، f3، f4 هي الأطوال البؤرية للمكونات الأول والثاني والثالث والرابع على التوالي، وd12 هي المسافة الابتدائية بين المكونين الأول والثاني، وd23 هي المسافة بين المكونين الثاني والثالث. أما d34 فهي المسافة الابتدائية بين المكونين الثالث والرابع.

تكبيرات مجموعة التكبير ومجموعة التعويض هي:

مقدار حركة مجموعة التكبير/التصغير:

مقدار حركة مجموعة التعويضات:

الفاصل الزمني بين المكونات هو:

أولاً، أعطِ القيم الأولية المعيارية: f3، d23، d34، خذ β3=-1، β2، β4=1 أو β2=-1، β3=1، β4=1 لحساب البنية الأولية للنظام.

2. مؤشرات التصميم ونتائج التصميم

2.1 مؤشرات التصميم

الكاشف: 640×512 بكسل تبريد؛

حجم البكسل: 15 ميكرومتر؛

نطاق العمل: 7.7 ميكرومتر ~ 9.5 ميكرومتر؛

الفتحة البؤرية: 2.24؛

البعد البؤري: 30 مم ~ 360 مم؛

قطر النظام: ≤ 180 مم؛

الطول الكلي للنظام: ≤ 320 مم.

2.2 نتائج التصميم وتحليل جودة الصورة

اضبط العدسة المقربة كوضع ابتدائي، واستخدم القيمة المعيارية: f3=1، حيث تكون d23 أقصر ما يمكن عند العدسة المقربة، وهي كافية لضمان عدم تلامس العدسات، استخدم 0.05، واضبط العدسة المقربة على d34=1.5، واستخدم β3 =-1، β2β4=1. قم بإجراء حسابات البنية الأولية للنظام. عوض في المعادلات من (1) إلى (9) للحصول على النظام في حالة التركيز القصير: d12*=0.2، d23*=1.5، d34*=0.02، d45*=0.9؛ وفي حالة التركيز الطويل: d12=0.9، d23=0.3، d34=1.5، d45=0.2، والبعد البؤري لكل مكون هو: f2=-0.35، f1=1.5، f4=-6.

بعد تعديل الهيكل الأولي المُحَصَّل عليه، استُخدم برنامج التصميم البصري لإجراء التعديلات والتحسينات. في النهاية، صُمِّم نظام بصري ثنائي المجموعة مناسب لكاشف مبرد للأشعة طويلة الموجة بدقة 640×512، كما هو موضح في الشكل 2.

كان العدد البؤري للنظام 2.24، ونطاق عمله من 7.7 ميكرومتر إلى 9.5 ميكرومتر، ويتكون من 8 عدسات، بقطر أقصى 166 مليمترًا. العدسة الثالثة مصنوعة من مادة ZnSe، أما باقي العدسات فمصنوعة من مادة Ge، وسطحها الخلفي لا كروي. يوضح الشكل 3 مخططًا توضيحيًا لعملية التكبير في النظام البصري ذي التكبير المستمر.

الشكل 2: بنية النظام البصري

الشكل 3: مخطط عملية التكبير/التصغير للنظام البصري

تُظهر الأشكال 4 و5 و6 منحنيات دالة نقل التعديل للنظام عند أطوال بؤرية قصيرة ومتوسطة وطويلة. يبلغ حجم البكسل في كاشف الأشعة تحت الحمراء المبرد ذي الموجة الطويلة 640×512 بكسل 15 ميكرومترًا، والتردد المميز المقابل 33 خطًا/مم. تقترب دالة نقل النظام البصري في مجال الرؤية 0.7 من حد الحيود، وتتجاوز قيمة دالة النقل في حافة مجال الرؤية 0.15، ما يفي بمتطلبات التطبيق.

الشكل 4: منحنيات MTF للبعد البؤري القصير

الشكل 5: منحنيات MTF للبعد البؤري المتوسط

الشكل 6: منحنيات MTF للبعد البؤري الطويل

الأشكال 7 و8 و9 هي مخططات البقعة الضوئية للنظام عند أطوال بؤرية قصيرة ومتوسطة وطويلة. ويتضح من هذه الأشكال أن قطر بقعة التشتت للنظام عند أطوال بؤرية مختلفة أصغر من القطر النظري لقرص آيري للنظام، وذلك لتلبية متطلبات التطبيق.

الشكل 7: مخطط البقعة للبعد البؤري القصير

الشكل 8: مخطط البقعة للبعد البؤري المتوسط

  الشكل 9: مخطط البقعة للبعد البؤري الطويل

تُظهر الأشكال 10 و11 و12 منحنيات انحناء المجال وتشوه النظام عند أطوال بؤرية قصيرة ومتوسطة وطويلة. يتضح من الأشكال أن تشوه النظام عند أطوال بؤرية مختلفة أقل من 2.5%، وهو ما يفي بمتطلبات التطبيق.

أما الشكل 13 فيُظهر مخطط منحنى التكبير/التصغير لنظام التكبير البصري المستمر، حيث يُمثل المحور الأفقي الطول البؤري للنظام، بينما يُمثل المحور الرأسي المسافة المحورية لمجموعة التكبير ومجموعة التعويض بالنسبة للمجموعة الأمامية الثابتة. يتضح من الشكل أن منحنى التكبير/التصغير للنظام سلس ومتصل، دون أي تغير مفاجئ، مما يمنع تعطل النظام أثناء عملية التكبير/التصغير.

 الشكل 10: منحنيات المجال الاستجماتي وتشوه البعد البؤري القصير

بما أن مجموعة التكبير تتكون من مجموعتين من العدسات، تتشاركان في القدرة البصرية، يمكن تقليل زاوية ضغط منحنى الكامة. قبل إجراء تحليل محاكاة لبنية الكامة، من الضروري تحسين منحنى الكامة.

عند تحسين منحنى الكامة، يجب ضمان انتظام عملية التكبير واستقرارها. في الوقت نفسه، ولتسهيل المعالجة، يجب ألا تكون زاوية ضغط منحنى الكامة كبيرة جدًا، وألا تتجاوز 45 درجة كحد أقصى.

يوضح الشكل 14 رسمًا بيانيًا لزاوية ضغط كامة التكبير في نظام التكبير البصري المستمر. يعتمد النظام على الحركة غير الخطية لكل من مجموعة التكبير ومجموعة التعويض. بعد التحسين، تبلغ زاوية الضغط القصوى لمنحنى التكبير 41.31 درجة، وزاوية الضغط القصوى لمنحنى التعويض 34.29 درجة، وزاوية محيط الكامة 172.45 درجة.

الشكل 11: منحنيات المجال الاستجماتي وتشوه البعد البؤري المتوسط

الشكل 12: منحنيات المجال الاستجماتي وتشوه البعد البؤري الطويل

الشكل 13: منحنيات التكبير لنظام بصري ذي تكبير مستمر

 الشكل 14: زاوية ضغط كاميرا التكبير لنظام بصري للتكبير المستمر

3. الخاتمة

تتناول هذه الورقة البحثية تصميم نظام بصري يعمل بالأشعة تحت الحمراء بتقنية الربط الثنائي. بالاعتماد على كاشف أشعة تحت حمراء مبرد ذي موجة طويلة بدقة 640×512 وطول موجي 15 ميكرومتر، تم تصميم نظام بصري يعمل بتقنية الربط الثنائي، يوفر تكبيرًا مستمرًا للأشعة تحت الحمراء ذات موجة طويلة، ببعد بؤري يتراوح من 30 مم إلى 360 مم وفتحة عدسة 2.24.

تتكون مجموعة التكبير في النظام من مجموعتين عدستين ثابتتين لتنفيذ الحركة الخطية أو غير الخطية، بينما تقوم مجموعة التعويض بحركة غير خطية لتعويض عدم وضوح مستوى الصورة الناتج عن حركة مجموعة التكبير، مما يضمن الحصول على صورة واضحة في جميع الأوقات أثناء عملية التكبير. تُظهر النتائج إمكانية تقليل زاوية الضغط لمنحنى الكامة، وتصميم فتحة نسبية كبيرة، وتحقيق تصغير الحجم دون زيادة صعوبة نظام التحكم في المكونات المتحركة.

نحن شركة مصنعة ذات خبرة في مجال المكونات الكهربائية البصرية الميكانيكية، ونكرس جهودنا لتزويد العملاء بمجموعة متنوعة من العدسات الحرارية عالية الجودة للتصوير بالأشعة تحت الحمراء. نضع احتياجات العملاء في المقام الأول، ونتحكم بشكل شامل في جودة منتجاتنا. ولهذا الغرض، نحن مجهزون بنظام فحص جودة صارم للتحكم في تصميم المنتجات وتصنيعها وتصديرها. إذا كنت مهتمًا بعدسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء التي نقدمها، فيرجى الاتصال بنا فورًا!

المؤلفون: وو هاي تشينغ، تشاو شين ليانغ، لي تونغ هاي، تيان هاي شيا، تسوي لي

مصدر النشر: مجلة تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، المجلد 41، العدد 7، يوليو 2019. تاريخ الاستلام: 18 ديسمبر 2018.

تاريخ المراجعة: 26 يونيو 2019.

المراجع:

[1] لو شو جون، شيا ين هوي، يانغ نينغ نينغ، وآخرون. نظام بصري للمسح الضوئي بالأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل مع تكبير مستمر [J]. البصريات الصينية، 2015، 8(1): 107-113.

[2] لي روي ياو، فو يوي قانغ، ليو تشي يينغ. تصميم نظام تصوير بالأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة مدمج مع خاصية عدم التأثر بالحرارة [J]. مجلة تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2018، 40(2): 119-124.

[3] هي ووبين، هاو جونمينغ، وو وي، وآخرون. تصميم نظام بصري بالأشعة تحت الحمراء ذي تكبير مستمر وطول موجي طويل ونسبة بؤرية منخفضة [J]. الليزر والأشعة تحت الحمراء، 2013، 43(7): 757-760.

[4] وانغ تشيجيانغ. دليل عملي لتكنولوجيا البصريات [M]. بكين: دار النشر الصينية للآلات، 2007: 429-430.