Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan pesat teknologi detektor inframerah, ukuran piksel detektor secara bertahap mengecil, dan ukuran area array secara bertahap membesar. Saat ini, dalam desain sistem optik inframerah gelombang menengah dengan panjang fokus panjang, karena harga material inframerah berdiameter besar yang tinggi, struktur reflektif sering digunakan, tetapi bidang pandang tidak dapat diperbesar.

Sistem pencitraan inframerah lipat dapat menggabungkan keunggulan transmisi dan refleksi, dan memiliki rasio telefoto dan bidang pandang yang lebih besar. Terutama dalam sistem panduan hibrida multi-mode, sistem optik diharuskan memiliki rasio penghambatan yang rendah dan struktur yang kompak untuk mengurangi pengaruh pada deteksi mode lain, dan keunggulan struktur ini lebih jelas.

Umumnya, suhu lingkungan kerja sistem panduan multi-mode adalah -50~70℃, dan indeks bias material inframerah sangat dipengaruhi oleh suhu, yang secara serius mengurangi kualitas pencitraan.

Analisis termalisasi terkini untuk sistem inframerah. Elemen difraksi terutama digunakan untuk mewujudkan aberasi akromatik dan atermal dengan memanfaatkan sifat dispersi khususnya. Namun, efisiensi difraksi elemen difraksi juga merupakan masalah yang perlu dipertimbangkan, dan akan menimbulkan cahaya hamburan tambahan pada sistem. Selain itu, sistem kompensasi fokus aktif elektromekanik juga umum digunakan dalam desain atermal sistem optik inframerah.

Berdasarkan analisis di atas, sistem lipat inframerah telefoto yang cocok untuk panduan multi-mode dirancang dalam makalah ini. Rentang panjang gelombangnya adalah 3,7μm-4,8μm, angka F-nya adalah 2, efisiensi diafragma dinginnya adalah 100%, dan perbedaan pembuangan panasnya direalisasikan pada -50~70℃, kualitas gambarnya mendekati batas difraksi.

1. Sistem katadioptrik

Untuk memenuhi efisiensi diafragma dingin, sistem inframerah gelombang menengah perlu mencocokkan pupil keluar sistem dengan diafragma dingin detektor. Jika struktur cermin RC digunakan, bukaan cermin sekunder akan terlalu besar, yang akan meningkatkan rasio pemblokiran sistem. Sistem refleksi inframerah gelombang menengah biasanya diwujudkan melalui pencitraan sekunder, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Grup depan mengadopsi struktur refleksi ganda R-C, dan grup belakang mengadopsi sistem pencitraan relai dengan perbesaran tertentu.

 Gambar 1. Sistem pencitraan relai

Struktur awal sistem R-C dapat diperoleh dari jari-jari kelengkungan R1 cermin utama sistem, rasio pemblokiran α dan perbesaran β cermin sekunder dengan rumus Gaussian:

Sistem R-C tidak menghasilkan aberasi kromatik dan hanya perlu mempertimbangkan aberasi monokromatik. Dalam kasus aberasi asferik dan koma, yaitu SI=SII=0, dapat diselesaikan dengan:

Oleh karena itu, setelah menentukan panjang fokus cermin utama dan rasio pemblokiran serta perbesaran cermin sekunder, struktur awal sistem R-C dapat ditentukan.

Sistem pencitraan relai memiliki perbesaran tertentu W, dan perbesaran tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan panjang fokus f1 dari sistem refleksi kelompok depan dan panjang fokus total f dari sistem tersebut:

Parameter struktur awal spesifik dari sistem dua cermin untuk pencitraan relai adalah seperti yang ditunjukkan pada rumus (5):

Makna fisik dari setiap variabel dalam rumus (5) ditunjukkan pada Gambar 1. Oleh karena itu, dengan rumus (5), selama struktur sistem dua cermin dan parameter detektor ditentukan, posisi pencitraan konjugat dan panjang fokus sistem relai dapat dihitung. Untuk memenuhi persyaratan bidang pandang yang besar dan akromatik, sistem relai biasanya membutuhkan 2 hingga 3 lensa.

Singkatnya, struktur awal dari seluruh sistem optik dapat ditentukan dengan menggunakan rumus (1)~(5).

2. Analisis atermalisasi

Karena koefisien suhu indeks bias dn/dt dari material optik inframerah jauh lebih besar daripada material kaca biasa di wilayah tampak, misalnya, nilai dn/dt kristal tunggal germanium (Ge) sekitar 396×10⁻⁶℃, sedangkan nilai dn/dt kaca K9 hanya sekitar 2,8×10⁻⁶°C.

Perubahan indeks bias material inframerah pada suhu yang berbeda akan menyebabkan perubahan jalur optik cahaya dalam sistem optik. Selain itu, perubahan suhu juga akan mengubah ketebalan dan jari-jari kelengkungan lensa, yang akan mengurangi kualitas pencitraan. Dapat dilihat bahwa ketika desain optik inframerah dilakukan, analisis atermal harus dilakukan.

Untuk mencapai termalisasi sistem optik, metode yang saat ini digunakan dapat dibagi menjadi tiga kategori: pasif mekanik, kompensasi aktif elektromekanik, dan pasif optik. Dalam makalah ini, athermalisasi sistem optik diwujudkan dengan metode pasif optik.

Kelompok depan sistem optik adalah struktur refleksi total. Ketika cermin dipengaruhi oleh panas seragam dan mencapai keadaan stabil secara termal, perubahan bentuk permukaannya kecil, dan aberasi yang ditimbulkan oleh cermin tunggal dapat diabaikan. Namun, pemuaian atau penyusutan struktur penghubung cermin primer dan sekunder akan mengubah jarak, yang merupakan sumber utama aberasi termal pada kelompok depan.

Sumber aberasi yang dihasilkan oleh perbedaan suhu sistem pencitraan relai meliputi lensa dan bagian struktural. Struktur lensa harus terbuat dari bahan dengan koefisien ekspansi linier kecil, di antaranya paduan titanium tidak hanya memiliki koefisien ekspansi linier kecil, tetapi juga ringan dan memiliki kekerasan tinggi, dan merupakan bahan ideal untuk bagian struktural.

Hal ini dapat mengurangi kesulitan perbedaan pembuangan panas sistem dan meningkatkan kekuatan struktural, tetapi akan meningkatkan biaya. Kelompok belakang mengadopsi struktur transmisi penuh, yang perlu dibuat akromatik secara terpisah.

Pada saat yang sama, ia juga perlu bekerja sama dengan kelompok depan untuk mewujudkan athermalisasi seluruh sistem dan menahan daya optik tertentu. Hal ini membuat desain kelompok belakang menjadi lebih sulit, sehingga struktur tiga bagian diusulkan untuk memenuhi persamaan berikut:

Dalam rumus tersebut, hi adalah tinggi sinar paraksial pertama di setiap kelompok lensa, dan ketika sistem mengadopsi struktur lensa kontak dekat, hi = h1; Φi adalah daya optik lensa ke-i; Φ adalah daya optik total kelompok belakang; pi dan Φi adalah koefisien atermal dan akromatik material.

Dengan menganalisis karakteristik suhu material inframerah gelombang menengah yang umum digunakan di Tiongkok saat ini (seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1), data pada Tabel 1 dimasukkan ke dalam rumus (6)~(8), dan setelah perhitungan, digunakan 3 Ge, ZnSe, dan ZnS. Jenis material ini dapat mewujudkan desain sistem pencitraan relai pasca-grup dan memenuhi persyaratan pembuangan panas.

Untuk mengoreksi aberasi sferis orde tinggi dan koma dalam sistem, mengurangi kompleksitas sistem dan meningkatkan kualitas pencitraan, permukaan asferis orde tinggi digunakan pada permukaan depan Ge dan ZnSe.

3. Parameter sistem optik

Sistem optik digunakan dalam sistem panduan komposit inframerah gelombang menengah dan gelombang milimeter, sehingga sesuai dengan persyaratan umum, cermin utama digunakan bersama oleh gelombang milimeter dan gelombang menengah, bentuk permukaannya paraboloid, dan panjang fokus F1=240 mm. Sistem pencitraan inframerah gelombang menengah menggunakan detektor berpendingin dengan F/2, 320×256 piksel, dan ukuran piksel 30μm. Parameter sistem optik ditunjukkan pada Tabel 2.

Indikator desainnya adalah sebagai berikut. Struktur sistem optik harus kompak, rasio telefoto harus kurang dari 0,6, dan oklusi pusat harus kurang dari 30%. Untuk menekan pengaruh radiasi latar belakang semaksimal mungkin, diperlukan pencapaian kesesuaian apertur dingin 100%. Desain ini mensyaratkan bahwa konsentrasi energi dalam piksel bidang pandang penuh lebih dari 85%, dan termalisasi pasif optik dapat direalisasikan dalam rentang suhu -40 ~ 60℃.

4. Hasil desain

Dalam desainnya, bentuk permukaan cermin utama adalah paraboloid, dan panjang fokus F1 = 120 mm, yang tidak hanya memenuhi persyaratan pencitraan gelombang milimeter, tetapi juga memudahkan pemasangan dan deteksi cermin utama, dan cermin sekunder adalah hiperboloid.

Mempertimbangkan apertur cermin sekunder, rasio pengaburan, dan jarak antara kedua cermin, panjang fokus kelompok depan ditetapkan menjadi 300 mm, perbesaran sistem pencitraan relai adalah -1, dan struktur tiga bagian diadopsi, yaitu Ge, ZnSe, dan ZnS.

Karena panjang fokus yang panjang dan apertur yang besar pada sistem, koreksi aberasi menjadi sulit. Dalam desain ini, dua permukaan asferis orde tinggi dipasang di bagian depan Ge dan ZnSe masing-masing untuk mengoreksi aberasi sferis, koma, dan aberasi monokromatik astigmatik dalam sistem. Sifat fisik kedua material ini cocok untuk pemrosesan permukaan asferis orde tinggi.

Dengan menggunakan fungsi batasan yang ditentukan pengguna dari perangkat lunak ZEMAX-EE milik Focus Software, sistem dioptimalkan secara global dan lokal, dan akhirnya, desain sistem optik yang ditunjukkan pada Gambar 2 terwujud. Diameter elemen transmisi semuanya kurang dari 25 mm, yang bermanfaat untuk pengendalian kualitas dan biaya sistem.

Gambar 2. Konfigurasi sistem optik

Gambar 3 hingga 5 adalah kurva fungsi transfer optik dari sistem optik pada suhu 20, -50, dan 70 ℃, berturut-turut. Dapat dilihat dari gambar bahwa frekuensi karakteristik detektor adalah 17 lp/mm, baik itu bidang pandang tengah maupun tepi. Fungsi transfer sistem optik mendekati bidang pandang.

      Gambar 3. Fungsi transfer modulasi pada suhu 20℃

    Gambar 4. Fungsi transfer modulasi pada suhu -50℃

 Gambar 5. Fungsi transfer modulasi pada suhu 70℃

   Gambar 6 Kurva lingkaran energi pada suhu 20℃

5. Analisis toleransi

Untuk memverifikasi kelayakan pemrosesan sistem optik dan mengurangi biaya pemrosesan, perlu dilakukan alokasi toleransi yang wajar. Dengan berulang kali menggunakan analisis Monte Carlo Zemax, kami memperoleh distribusi toleransi yang ditunjukkan pada Tabel 3, di mana presisi pemrosesan dan perakitan cermin primer dan sekunder relatif tinggi, tetapi juga dalam lingkup teknik pemrosesan dan perakitan yang ada.

Pada suhu 20 °C, fungsi transfer simulasi Monte Carlo yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 7. Hasilnya menunjukkan bahwa di bawah pengaruh berbagai kesalahan acak, probabilitas bahwa fungsi transfer optik sistem lebih tinggi dari 0,55 lebih besar dari 90%, dan sistem memenuhi persyaratan pemrosesan dan penyesuaian pencitraan aktual.

 Gambar 7 Kurva MTF setelah simulasi Ment-Karol pada suhu 20℃

6. Analisis cahaya liar

Dalam sistem optik inframerah, pengaruh radiasi hamburan terhadap kualitas pencitraan menjadi faktor yang harus dipertimbangkan. Penekanan cahaya hamburan pada sistem pencitraan sekunder lipat dapat menggunakan metode berikut: Pertama, untuk cahaya hamburan dari luar bidang pandang pencitraan, tabung peneduh cermin utama dan tabung peneduh cermin sekunder dapat digunakan, dan permukaan dalam dan luar dapat diproses lebih lanjut dengan benang peredam untuk secara efektif mengurangi ukuran cermin utama dan sekunder.

Cahaya hamburan yang masuk ke detektor dipantulkan beberapa kali, dan cahaya hamburan yang datang di luar bidang pandang cermin utama dapat dikontrol dengan mengatur panjang laras cermin utama; kedua, bagian pencitraan sekunder digunakan, dan batas diafragma bidang ditambahkan di dekat berkas masuk permukaan pencitraan utama.

Terakhir, Lighttools digunakan dalam makalah ini untuk memisahkan cahaya efektif dari cahaya hamburan dengan menggunakan metode jalur cahaya terbalik dan akhirnya memperoleh koefisien cahaya hamburan yang dinyatakan sebagai persentase.

Selama analisis, karena transmitansi setiap permukaan tidak diukur secara aktual, reflektivitas 2% diambil berdasarkan pengalaman, dan 10 sinar dilacak. Energi cahaya penerima di sebelah kanan menyumbang 96% dari total energi keluaran.

Dapat dianalisis bahwa energi cahaya hamburan dari sistem optik menyumbang 2% dari energi yang diterima oleh detektor, yang dapat memenuhi kebutuhan deteksi pencitraan.

Gambar 8. Penelusuran sinar berdasarkan Lighttools

7. Kesimpulan

Dalam makalah ini, dirancang sistem optik lipat gelombang menengah yang ringkas untuk digunakan dalam panduan hibrida multi-mode. Sistem ini memiliki rasio penghambatan yang rendah, ukuran kecil, dan kualitas pencitraan yang sangat baik, dengan perbedaan disipasi panas -50 ~ 70 ℃. Hasil analisis toleransi menunjukkan bahwa sistem ini memenuhi persyaratan pemrosesan dan perakitan pencitraan.

Terakhir, beberapa langkah untuk menghilangkan cahaya hamburan diusulkan, sehingga sistem dapat secara efektif menekan radiasi latar belakang matahari dan radiasi hamburan di dalam sistem, sehingga meningkatkan rasio sinyal terhadap derau.

Sebagai produsen komponen opto-elektromekanik yang berpengalaman, Quanhom berkomitmen untuk menyediakan berbagai kamera inframerah termal (LWIR, MWIR, dan SWIR) berkualitas tinggi kepada pengguna. Kami memiliki reputasi yang baik di industri ini berkat teknologi R&D terdepan dan teknologi manufaktur yang unggul. Produk kami dijual di seluruh dunia dan telah menerima pujian serta kepercayaan dari banyak pelanggan. Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang layanan terkait kami, Anda dapat mengirimkan kebutuhan Anda kepada kami, dan kami akan memberikan jawaban yang memuaskan sesegera mungkin.

Penulis: Yu Linyao, Wei Qun, Zhang Tianyi, Wang Chao, Han Jingzhuang, Zhu Ruifei, Song Baoqi, Jia Hongguang

Sumber jurnal: Chinese Optics Vol. 8 No. 2 Apr. 2015

Tanggal penerimaan: 2014-10-17; Tanggal revisi: 2015-01-15

Referensi:

[1] XUE H. Desain optik sistem pencarian dan pelacakan inframerah[ J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(8):2383-2386. (dalam bahasa Cina)

[2] LUO SH J. Desain sistem optik zoom kontinu inframerah tengah dengan FPA besar[J]. Opt. Precision Eng., 2012, 20 (10), 2117-2123. (dalam bahasa Cina)

[3] Desain metodis sistem pencitraan IR dengan apertur besar[J]. Acta Optica Sinica, 2003, 23(12):1475-1478. (dalam bahasa Cina)

[4] Desain sistem simulasi target inframerah kriogenik dengan bidang dua arah dan lebar untuk menghilangkan distorsi[J]. Opt. Precision Eng., 2012, 20(12):2619-2625. (dalam bahasa Cina)

[5] YU L Y, WEI Q. Desain struktur integral kompak dari sistem dua cermin[J]. Opt. Precision Eng., 2013, 21(3):561-566. (dalam bahasa Cina)

[6] XIANG J SH, PAN G Q, ZHANG Y Q. Desain sistem optik inframerah reflektif dan refraktif yang digunakan dalam rudal udara ke udara[J]. Teknologi Inframerah, 2011, 33(8):457-459. (dalam bahasa Cina)

[7] XIONG Y J, WU H P, LV ZH SH. Analisis kinerja dan bentuk struktural sistem optik inframerah militer[J]. Teknologi Inframerah, 2010, 32(12):688-695. (dalam bahasa Cina)

[8] DONG K Y, WANG J, SUN Q. Desain sistem optik inframerah gelombang menengah bidang pandang ganda udara[J]. Optik Cina, 2012, 5(6):596-601. (dalam bahasa Cina)

[9] LIU Y, AN X Q, DENG J. Penghilangan radiasi liar dari perisai panas dalam sistem optik inframerah berpendingin[J]. Opt. Precision Eng., 2012, 33(1):186-190. (dalam bahasa Cina)

[10] ZHAO N, XUE Y, WANG J. Analisis radiasi liar dari sistem optik inframerah dengan metode Monte-Carlo[J]. Jurnal Optik dan Optik Terapan Cina, 2010, 3(6):665-670. (dalam bahasa Cina)

[11] NIU J X, ZHOU R K, LIU ZH H, dkk. Analisis cahaya hamburan yang disebabkan oleh radiasi termal dari sistem deteksi inframerah [J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(8): 2267-2271. (dalam bahasa Cina)