Struktur optik inframerah tradisional dapat dibagi menjadi tiga jenis: refraktif, reflektif, dan katadioptrik. Struktur optik inframerah modern yang baru dapat dibagi menjadi tiga jenis: sistem hibrida refraktif-difraktif, sistem tiga cermin di luar sumbu, dan sistem optik bidang pandang ganda (dual-FOV).

1. Sistem optik inframerah tradisional—refraktif

Sistem optik refraktif dapat terdiri dari satu lensa atau beberapa lensa, dengan bahan lensa terutama meliputi germanium, silikon, seng selenida, dan kaca kalkogenida. Dengan menggunakan pencitraan tiga tahap dalam sistem refraktif, sistem optik yang kompak dapat dirancang.

Keuntungan:Kualitas gambar stabil, cahaya hamburan rendah, bidang pandang lebar.

Kekurangan: bukaan relatif kecil, pita kerja sempit, dan aberasi

Aplikasi:Cocok untuk sistem pencarian dan pelacakan inframerah untuk pencarian pan-tilt di ruang yang lebih besar, menara optoelektronik, pod inframerah, pencari inframerah, dan sistem lainnya.

2. Sistem optik inframerah tradisional—reflektif

Sistem optik reflektif terdiri dari cermin utama dan cermin sekunder. Cermin sekunder berbentuk cembung, disebut sistem Cassegrain, sedangkan cermin sekunder berbentuk cekung, disebut sistem Gregorian. Dibandingkan dengan struktur refraktif, sistem optik inframerah reflektif membutuhkan lebih sedikit elemen optik dan menggunakan prinsip pemantulan cermin untuk membelokkan jalur cahaya.

Keuntungan: Tidak ada aberasi kromatik, elemen lebih sedikit, ringan, rentang kerja lebar, mudah menghilangkan perbedaan suhu, dll.

Kekurangan:Pemrosesan dan perakitan yang kompleks, bidang pandang (FOV) kecil, kemampuan koreksi aberasi yang lemah, hanya dapat menghilangkan dua aberasi secara bersamaan (seperti menghilangkan aberasi sferis dan koma secara bersamaan).

Aplikasi:radiometer, pencitraan inframerah pandangan ke depan, lidar, teleskop apertur besar, dan sistem panduan rudal, dll.

3. Sistem optik inframerah tradisional—katadioptrik

Sistem optik katadioptrik didasarkan pada cermin bulat yang dikombinasikan dengan elemen refraktif. Karena cermin primer dan sekunder dalam sistem optik katadioptrik berbagi sebagian besar daya fokus optik, hal ini mendukung desain athermalisasi. Selain itu, jalur optik yang dilipat mengurangi ukuran dan massa lensa, sehingga panjang sistem lebih pendek daripada panjang fokusnya.

Keuntungan:Struktur kompak, bukaan relatif besar, panjang fokus panjang, kualitas gambar bagus, kondusif untuk athermalisasi, dll.

Kekurangan:hambatan di tengah, pemeriksaan dan penyesuaian yang kompleks

Aplikasi:Dapat digunakan untuk sistem optik inframerah dengan apertur besar dan panjang fokus panjang, seperti desain anti-interferensi pada pencari inframerah, sistem optik inframerah untuk pelacakan dan identifikasi target tank, dll.

4. Sistem optik inframerah modern terbaru—sistem hibrida refraktif-difraktif

Sistem hibrida refraktif-difraktif adalah sistem optik yang menggabungkan elemen optik difraktif dengan elemen optik refraktif. Elemen optik difraktif (DOE) dibuat menggunakan teknik etsa mikro-nano pada permukaan lensa untuk mengukir pola optik biner, menciptakan distribusi dua dimensi dari unit difraktif, membentuk lensa difraktif-refraktif dua permukaan.

Keuntungan: Ukuran kecil, ringan, kebebasan desain tinggi, banyak variabel optimasi, penghilangan aberasi termal dan kromatik yang baik.

Aplikasi: Sistem optik zoom dual-band dirancang untuk mencapai zoom pada pita frekuensi yang berbeda, memberikan fleksibilitas dan jangkauan aplikasi yang lebih luas, serta cocok untuk pencitraan pemindaian dan sistem inframerah pandangan ke depan (FLIR).

※DOE biasanya dapat dibagi menjadi pembentukan berkas, pemisahan berkas, cahaya terstruktur, multifokus, dan jenis pembangkitan berkas khusus lainnya.

5. Sistem optik inframerah modern terbaru—sistem tiga cermin off-axis

Desain sistem optik tiga cermin off-axis didasarkan pada teori optik Gaussian. Desain dimulai dengan sistem tiga cermin koaksial dan mencapai sistem bebas halangan pusat dengan menempatkan apertur atau bidang pandang di luar sumbu, atau kombinasi keduanya. Ada dua metode utama untuk mengatasi halangan pusat: menempatkan apertur pada cermin sekunder dan memiringkan bidang untuk menghindari halangan, di mana apertur tetap berada pada sumbu; atau menempatkan apertur pada cermin primer, di mana apertur berada di luar sumbu.

Keuntungan:Tidak ada aberasi kromatik, tidak ada spektrum sekunder, pita kerja lebar, mudah mencapai apertur besar, bidang pandang (FOV) besar, kinerja ketahanan termal yang baik, struktur sederhana, ringan, secara efektif mengatasi masalah penghalang pusat dan menawarkan banyak variabel optimasi, meningkatkan FOV dan kualitas gambar.

Aplikasi: eksplorasi ruang angkasa, penginderaan jauh berbasis darat, penerbangan, kedirgantaraan, pencahayaan, tampilan, dan bidang lainnya.

6. Sistem optik inframerah modern terbaru—sistem dual-FOV

Terdapat dua metode desain utama untuk sistem pencitraan dual-FOV inframerah: tipe yang dapat diubah (dapat dimasukkan) dan gerakan aksial.

(1) Sistem optik tipe yang dapat diganti (dapat dimasukkan): Sistem FOV yang berbeda akan mengganti kelompok lensa zoom yang berbeda untuk mengubah panjang fokus sistem optik. Dengan meningkatnya penerapan elemen difraksi, elemen difraksi dapat dimasukkan ke dalam sistem optik dual-FOV inframerah untuk menyederhanakan struktur sistem, mengurangi bobot, dan membuat seluruh sistem lebih ringkas. Sistem zoom tipe switchable yang ringan menawarkan beragam konfigurasi, termasuk komponen transmissive, reflektif koaksial, dan reflektif off-axis. Untuk memenuhi tuntutan zoom presisi tinggi dan kecepatan tinggi, motor putar kecepatan tinggi dan pembatas mekanis digunakan untuk mencapai pemasangan dan pelepasan kelompok lensa optik.

Keuntungan: Pergantian bidang pandang yang cepat, akurasi sumbu optik yang lebih tinggi, dan transmisi yang lebih baik.

Kekurangan: Dimensi lateral yang lebih besar, menyebabkan struktur keseluruhan yang kurang kompak, dan konsistensi sumbu optik yang lebih rendah.

（2）Sistem optik gerak aksial: Sistem ini mengubah panjang fokusnya dengan menyesuaikan jarak aksial kelompok lensa. Ketika pergerakan komponen berada pada posisi garis penuh, sistem berada dalam mode bidang pandang lebar dengan panjang fokus efektif yang pendek. Sebaliknya, ketika berada pada posisi garis putus-putus, sistem berada dalam mode bidang pandang sempit dengan panjang fokus efektif yang panjang. Keuntungan: sistem optik yang ringkas dan sederhana, konsistensi sumbu optik yang stabil. Kekurangan: pengaburan bidang gambar selama pembesaran, mudah kehilangan objek yang dilacak.

Sistem dual-FOV sebenarnya adalah sistem zoom dua kecepatan dengan peralihan FOV yang cepat. Pada posisi fokus pendek, FOV yang besar dapat mencari target dalam adegan; pada posisi fokus panjang, FOV yang kecil dapat menangkap dan mengamati target.

Aplikasi: Cocok untuk pengawasan pita ganda, sistem inframerah pandangan ke depan (FLIR), deteksi target, dan pelacakan. Dalam aplikasi praktis, sistem dual-FOV gerak aksial banyak diadopsi karena kualitas pencitraan dan penerapannya yang baik.

Sistem optik inframerah tradisional memiliki karakteristik umum berupa struktur yang sederhana. Dengan perkembangan sistem inframerah yang berkelanjutan, persyaratan baru dan lebih tinggi seperti apertur besar, panjang fokus yang panjang, resolusi spasial tinggi, dan atermalisasi telah diperkenalkan, yang menunjukkan keterbatasan sistem tradisional.

Sistem optik inframerah modern yang baru menggabungkan teknologi baru seperti optik biner, optik adaptif, penggunaan rasional permukaan asferis atau difraktif, atau mengubah struktur sistem yang ada. Sangat penting untuk memilih struktur sistem optik inframerah baru yang tepat sesuai dengan persyaratan teknis yang berbeda di masa mendatang.

Referensi:

[1] Hilton S R. Pengembangan kaca kalkogenida sebagai bahan optik untuk sistem inframerah[C]//Prosiding SPIE, 2005,5786:258-261.

[2] Akram M N. Simulasi dan kontrol fenomena narsis menggunakan penelusuran sinar nonsekuensial. Il. Kamera pemindaian garis dalam pita gelombang 7~11 [J]. Optik Terapan, 2010,49(8):1185-1195.