Kamera pencitraan termal inframerah adalah instrumen fotolistrik yang digunakan manusia untuk memantau, melacak, dan mengidentifikasi target jarak jauh di malam hari dan dalam cuaca buruk. Dalam beberapa tahun terakhir, kamera ini telah banyak digunakan di berbagai bidang pemantauan segala cuaca seperti pertahanan nasional, pencegahan kebakaran dan penanggulangan bencana, serta eksplorasi geologi. Kamera ini memiliki manfaat ekonomi dan sosial yang signifikan. Kamera pencitraan termal inframerah memiliki tiga bentuk utama: bidang pandang tunggal, bidang pandang ganda, dan zoom kontinu.

Kamera pencitraan termal inframerah bidang pandang tunggal memiliki panjang fokus tetap tunggal, dan bidang pandangnya kecil, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan pencarian dan identifikasi target secara bersamaan; kamera pencitraan termal bidang pandang ganda memiliki dua panjang fokus yang berbeda, membentuk dua bidang pandang besar dan kecil, yang dapat digunakan untuk pencarian bidang pandang besar dan identifikasi target bidang pandang kecil.

Telah ada beberapa hasil penelitian dalam negeri tentang sistem zoom kontinu inframerah gelombang panjang dengan zoom tinggi. Detektor berpendingin digunakan, seperti detektor 10x yang dirancang oleh Zhang Liang dkk., detektor 20x yang dirancang oleh Chen Luji dkk., dan sistem zoom kontinu inframerah gelombang panjang 25x yang dirancang oleh Jia Xingrui. Sistem optik zoom; menggunakan detektor tanpa pendingin, seperti detektor 10x yang dirancang oleh Liu Feng dan sistem optik zoom kontinu inframerah gelombang panjang 4x yang dirancang oleh Bai Yu.

Hasil penelitian asing mencakup sistem optik zoom inframerah dengan rasio zoom 30x yang dilaporkan oleh Mark C. Sanson dkk. pada tahun 2010. Namun, karena perkembangan detektor, hanya sedikit publikasi tentang sistem zoom inframerah resolusi tinggi. Artikel ini melakukan upaya desain baru pada titik ini.

Desain sistem optik zoom kontinu inframerah membutuhkan perubahan panjang fokus dalam rentang tertentu dan posisi bidang gambar yang tetap, bukaan relatif sistem besar dan hampir tidak berubah selama pembesaran, serta membutuhkan kualitas pencitraan yang baik untuk setiap panjang fokus dan bidang pandang. Oleh karena itu, terdapat kompleksitas teknis tertentu dalam desain, pembuatan, dan perakitan.

Berdasarkan persyaratan desain produk aktual, makalah ini mendesain sistem optik inframerah zoom kontinu 6× dengan panjang fokus 20~120mm berdasarkan teori desain sistem optik zoom kontinu. Ketika panjang fokus sistem adalah 20~90mm, angka F adalah 1, dan ketika panjang fokus adalah 90~120mm, angka F adalah 1,1.

Dibandingkan dengan desain sebelumnya, sistem ini memiliki resolusi optik yang lebih tinggi dan cocok untuk detektor tanpa pendingin elemen vanadium oksida 640×512. Ukuran piksel hanya 17μm×17μm. Sistem ini mengadopsi struktur zoom yang dikompensasi secara mekanis dan menggunakan lima buah lensa kristal tunggal germanium dan satu buah lensa kaca kalkogenida.

Dengan tetap memastikan rasio zoom yang lebih tinggi dan apertur yang besar, resolusi sistem ditingkatkan, dan digunakan detektor serta material optik dengan harga lebih rendah, yang secara efektif dapat mengendalikan biaya keseluruhan sambil memenuhi persyaratan penggunaan, dan memiliki kinerja praktis yang baik.

1. Contoh desain

1.1 Prinsip desain

Desain ini mengadopsi struktur kompensasi mekanis kelompok positif (yaitu, kelompok kompensasi memiliki daya optik positif). Diameter lensa kecil, panjang fokus kelompok tetap depan lebih panjang, dan spektrum sekunder kecil.

Gerakan dua komponen digunakan untuk mencapai pembesaran dan kompensasi, dan jumlah komponen gerakannya kecil, yang memudahkan desain dan optimasi struktur. Sistem zoom optik dapat dibagi menjadi 1-kelompok tetap depan; 2-kelompok pembesaran variabel; 3-kelompok kompensasi; 4-kelompok tetap belakang; kontribusi terhadap daya optik keseluruhan adalah 1-positif; 2-negatif; 3-positif; 4-positif.

Ketika kelompok zoom bergerak linier untuk mengubah posisi, panjang fokus sistem dan posisi bidang gambar juga berubah sesuai. Untuk memastikan stabilitas bidang gambar, mekanisme cam perlu menggerakkan kelompok kompensasi untuk melakukan gerakan nonlinier guna mengkompensasi posisi bidang gambar. Prinsip zoom ditunjukkan pada Gambar 1.

  Gambar 1. Sketsa peta sistem optik zoom.

Proses desain sistem dibagi menjadi dua tahap: mendapatkan solusi Gaussian dan desain aberasi. Pertama, tentukan panjang fokus, interval lensa, rentang pergerakan kelompok zoom dan kelompok kompensasi dari setiap lensa dalam sistem sesuai dengan parameter seperti rentang panjang fokus, apertur relatif, ukuran gambar, dan ukuran bentuk yang dibutuhkan oleh sistem; kemudian hitung berdasarkan data solusi Gaussian. Perangkat lunak ZEMAX digunakan untuk menghitung aberasi dan mengoptimalkan desain parameter struktur awal lensa.

Dalam desain, perlu untuk memilih beberapa posisi panjang fokus yang berbeda sesuai dengan proporsi yang sama dari seluruh rentang perubahan panjang fokus. Ketika sistem berada pada posisi panjang fokus di atas, gunakan kelompok tetap depan, kelompok zoom, dan kelompok kompensasi untuk mengoptimalkan aberasi seminimal mungkin, dan kemudian gunakan kelompok tetap belakang untuk mengoreksi sisa gambar.

1.2 Indeks desain

Desain ini menggunakan detektor inframerah gelombang panjang tanpa pendingin 640×512 elemen oksida vanadium dengan ukuran piksel 17μm×17μm. Sesuai dengan persyaratan aplikasi aktual, indikator desain utama dari sistem optik zoom kontinu inframerah ditunjukkan pada Tabel 1.

1.3 Hasil desain

Bentuk dan struktur sistem optik zoom kontinu inframerah yang dirancang sesuai dengan indeks ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2(a), Gambar 2(b), dan Gambar 2(c) menunjukkan tampilan dan struktur sistem ketika panjang fokus pendek adalah 20 mm, panjang fokus menengah adalah 60 mm, dan panjang fokus panjang adalah 120 mm. Panjang total sistem adalah 264 mm.

(a) Tata letak sistem optik zoom ketika EFL=20mm   

(a) Tata letak sistem optik zoom ketika EFL=60mm

(a) Tata letak sistem optik zoom ketika EFL=-120mm

   Gambar 2. Tata letak sistem optik zoom kontinu LWIR.

Rasio zoom sistem ini adalah 6×, dan desain yang dioptimalkan dilakukan menggunakan perangkat lunak desain berbantuan optik ZEMAX. Sistem ini mengadopsi struktur 4 kelompok yang terdiri dari 6 elemen, kelompok tetap depan adalah lensa tunggal berdaya positif, yang mengurangi berat sistem. Lensa kedua adalah lensa negatif dari kelompok pembesaran variabel, lensa ketiga adalah lensa positif dari kelompok kompensasi, dan kelompok tetap belakang menggunakan 3 lensa terpisah, yang secara efektif dapat mengoptimalkan aberasi yang tersisa dari struktur sebelumnya.

Dari segi material, karena kristal tunggal germanium memiliki indeks bias tinggi dan dispersi rendah untuk gelombang cahaya inframerah panjang 8~12μm, 5 lensa kristal tunggal germanium dan 1 lensa kaca kalkogenida digunakan untuk menghilangkan aberasi kromatik. Jumlah lensa sedikit dan harganya relatif rendah (harga kaca kalkogenida hanya sepertiga dari harga seng selenida), yang secara efektif mengurangi biaya dengan tetap mempertahankan kemampuan koreksi aberasi pada sistem.

2. Evaluasi kualitas gambar

Artikel ini terutama menggunakan MTF dan diagram titik untuk mengevaluasi sistem optik zoom kontinu inframerah. Berikut ini akan diberikan peta MTF dan titik-titik sistem zoom kontinu inframerah dalam tiga kasus: fokus pendek, fokus menengah, dan fokus panjang.

2.1 Fungsi transfer

Kurva fungsi transfer modulasi (MTF) dari sistem ini pada seluruh rentang panjang fokus ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3(a), 3(b), dan 3(c) adalah kurva MTF dari 6 bidang pandang ketika panjang fokus pendek adalah 20 mm, panjang fokus menengah adalah 60 mm, dan panjang fokus panjang adalah 120 mm.

Pada frekuensi cutoff spasial detektor 30 lp/mm, dapat dilihat bahwa MTF dari seluruh rentang panjang fokus lebih besar dari 0,45, yang mendekati batas difraksi, menunjukkan bahwa sistem memiliki kualitas pencitraan yang baik di setiap bidang pandang dalam seluruh rentang panjang fokus. Oleh karena itu, sistem ini dapat digunakan dengan berbagai detektor array area inframerah dengan ukuran piksel lebih besar atau sama dengan 17 μm.

(a) Kurva MTF ketika EFL=20mm (b) Kurva MTF ketika EFL=60mm (c) Kurva MTF ketika EFL=120mm

Gambar 3. Kurva MTF dari sistem optik zoom kontinu LWIR

2.2 Diagram titik

Gambar 4 menunjukkan diagram titik dari 6 bidang pandang berbeda ketika panjang fokus sistem desain ini adalah 20mm, 60mm, dan 120mm. Dapat dilihat dari gambar bahwa bintik-bintik difus di setiap bidang pandang sistem mendekati batas difraksi (lingkaran hitam pada gambar adalah rentang cakram Airy), dan radius akar kuadrat rata-ratanya tidak melebihi 6,3μm pada nilai maksimum, yang lebih kecil dari ukuran piksel 17μm×17μm. Desain ini mencapai resolusi yang lebih tinggi dan dapat memenuhi persyaratan pencocokan detektor tanpa pendingin definisi tinggi dalam sistem ini.

(a) Diagram titik ketika EFL=20mm (b) Diagram titik ketika EFL=60mm (c) Diagram titik ketika EFL=120mm

Gambar 4. Diagram titik sistem optik zoom kontinu LWIR

2.3 Kurva zoom dari grup zoom dan grup kompensasi

Desain sistem optik zoom harus memastikan stabilitas permukaan gambar, dan desain kurva zoom memiliki pengaruh yang menentukan terhadap stabilitas permukaan gambar produk, kualitas gambar, dan kompleksitas proses pemrosesan dan perakitan selama proses zoom.

Dalam aplikasi praktis, jika desain kurva cam zoom tidak cukup halus, dan terdapat kelengkungan yang tiba-tiba atau titik ekstrem di beberapa posisi, hal itu akan meningkatkan kesulitan pemrosesan mekanisme cam, menyebabkan sistem menjadi tidak mulus dan tidak lancar saat melakukan zoom, dan mudah macet.

Desain ini menggunakan sistem elektromekanik untuk menggerakkan kelompok zoom dan kelompok kompensasi agar bergerak secara non-linier untuk mencapai zoom optik kontinu 6×, dan mengoptimalkan desain untuk kelancarannya.

Gambar 5 menunjukkan kurva zoom kontinu sistem: ordinat adalah panjang fokus sistem zoom, dan absis adalah jarak pergerakan kelompok zoom dan kelompok kompensasi relatif terhadap titik asal sistem. Gambar 5(a) adalah kurva zoom sebelum desain optimasi, terdapat lompatan kelengkungan lokal; Gambar 5(b) adalah kurva zoom setelah desain optimasi, kurva zoom setelah optimasi halus dan kontinu, yang bermanfaat untuk pemrosesan mekanisme cam]. Jitter sumbu optik sistem kurang dari 3 piksel pada langkah zoom 20~120mm.

(a) Kurva lokus zoom sebelum optimasi             (b) Kurva lokus zoom setelah optimasi

Gambar 5. Kurva lokus zoom sistem optik zoom kontinu LWIR

  (a) Gambar saat EFL=20mm (b) Gambar saat EFL=40mm (c) Gambar saat EFL=60mm

     (d) Gambar saat EFL=90mm              (e) Gambar saat EFL=120mm

3. Kesimpulan

Berdasarkan teori desain sistem optik zoom kontinu dan persyaratan aplikasi teknik praktis, makalah ini merancang sistem optik zoom kontinu inframerah gelombang panjang resolusi tinggi yang cocok untuk detektor tanpa pendingin 640×512 elemen. Sistem ini menggunakan 5 lensa kristal tunggal germanium dan 1 lensa kaca kalkogenida, dengan biaya relatif rendah, ukuran kecil, dan ringan, serta mudah dipasang dan dibawa.

Sistem ini juga menggunakan metode zoom kompensasi mekanis untuk mencapai zoom kontinu yang halus dalam rentang 20~120mm, dan jarak kerja dapat mencapai 5m~5km. Bidang pandang dapat mencapai 33,8°×25,7° (pada panjang fokus 20mm) hingga 4,6°×3,4° (pada panjang fokus 120mm), pelacakan waktu nyata dapat dicapai ketika bidang pandang berubah, dan cocok untuk melacak target bergerak berkecepatan tinggi.

Kualitas gambar sistem ini sangat baik, data MTF dan diagram titik mendekati batas difraksi, dan efek pemotretan sebenarnya bagus. Kurva kamera zoom telah dioptimalkan melalui desain, dan zoomnya halus; permukaan gambar stabil, dan sumbu optik kurang dari 3 piksel untuk zoom kontinu.

Desain ini telah terbukti memenuhi persyaratan berbagai indikator melalui pengujian aktual. Sebagai sistem inframerah resolusi tinggi yang menggantikan produk pendingin, sistem ini dicirikan oleh kombinasi zoom kontinu, resolusi tinggi, dan biaya yang lebih rendah, dan berhasil mewujudkannya.

Berdasarkan jaminan kinerja sistem dan kualitas produk yang tinggi, kami sebisa mungkin menghemat biaya desain, pemrosesan, pengujian, dan perakitan, serta berupaya menemukan kombinasi terbaik antara kinerja dan biaya. Desain ini digunakan dalam bidang keamanan, pelacakan, deteksi, dan bidang lain yang memiliki nilai praktis tinggi.

Penulis: Bao Jiaqi, Ji Zijuan, Ge Zhenjie, Li Nan, Yu Kan, Yin Juanjuan

Sumber jurnal: Opto-Electronic Engineering Feb 2014

Referensi:

[1] LUO Shoujun, HE Wubin, LI Wenhu, et al. Desain sistem optik zoom kontinu inframerah menengah dengan FPA besar [J]. Optik dan Teknik Presisi, 2012, 20(10): 2117-2121.

[2] JIA Xingrui, LI Xunniu, WANG Haiyang, et al. Desain Sistem Optik Zoom Kontinu LWIR dengan Jangkauan Zoom Besar [J]. Teknologi Inframerah, 2012, 34(8): 463-466.

[3] ZHANG Liang, LIU Hongxia. Desain sistem optik lensa zoom inframerah gelombang panjang [J]. Teknik Inframerah dan Laser, 2011, 40(7): 1279-1281.

[4] CHEN Lüji, LI Ping, SUN Qiyan. Desain Sistem Optik Zoom LWIR dengan Rentang Zoom 20:1 [J]. Teknologi Inframerah, 2012, 34(8): 458-462.

[5] LIU Feng, XU Xiping, SUN Xiangyang, dkk. Desain sistem optik zoom inframerah termal rasio zoom tinggi [J]. Jurnal Optik Terapan, 2009, 30(6): 1020-1023.

[6] BAI Yu, YANG Jianfeng, MA Xiaolong, dkk. Sistem Zoom Kontinu Inframerah Difraktif/Refraktif dalam 8～12μm [J]. Teknologi Inframerah, 2008, 30(9): 505-508.

[7] Mark C. Sanson dan James Comell, Zoom Kontinu MWIR dengan Rentang Zoom Besar [C]// Teknologi dan Aplikasi Inframerah XXXVI, Orlando, Florida, 5 April 2010, 7660: 1-1

[8] LAN Ning. Desain optik sistem zoom inframerah panjang gelombang yang dikompensasi secara optik [J]. Instrumen Optik, 2011, 33(3): 53-56.

[9] YANG Le, SUN Qiang, WANG Jian, dkk. Desain sistem optik zoom kontinu inframerah gelombang panjang [J]. Teknik Inframerah dan Laser, 2012, 41(4): 999-1003.

[10] LIU Jun, GAO Ming. Desain Sistem Optik [M]. Xi’an: Penerbit Universitas Sains & Teknologi Elektronik Xi’an, 2006, 174-175.

[11] LI Yonggang, ZHANG Bao, DING Jinwei. Desain Mekanisme Lensa Zoom Inframerah Kontinu [J]. Jurnal Universitas Sains dan Teknologi Changchun: Edisi Sains Alam, 2009, 32(1): 60-63.

[12] FISCHER R E, GALEB B T. Desain sistem optik [M]. New York: McGRAW Hill, 2000.