Sistem optik pencitraan inframerah merupakan mata rantai penting untuk mencapai pencitraan inframerah/termal berkualitas tinggi. Dibandingkan dengan sistem optik pencitraan cahaya tampak, sistem optik pencitraan inframerah lebih kompleks dan sulit. Panjang gelombang radiasi inframerah satu orde besarnya lebih besar daripada cahaya tampak dan rentan terhadap difraksi; indeks bias material optik inframerah besar dan jenisnya sedikit, dan rentang pemilihan koreksi aberasi optik dengan kombinasi material yang berbeda kecil; Oleh karena itu, persyaratan desain dan pemrosesan sistem optik pencitraan inframerah dan bentuk permukaan elemen lebih tinggi.

Energi radiasi dalam pita inframerah berbeda dari energi radiasi dalam pita cahaya tampak beberapa orde besarnya. Untuk mendapatkan energi radiasi inframerah yang cukup, sistem pencitraan inframerah/termal perlu menggunakan sistem optik pencitraan dengan apertur besar. Untuk adegan dengan jarak jauh (seperti 5000m), diperlukan sistem optik dengan panjang fokus yang panjang (seperti 200mm). Untuk mengendalikan difraksi radiasi inframerah, bukaan relatif sistem optik pencitraan inframerah perlu memiliki nilai yang lebih besar (misalnya, angka F adalah 1~4), sedangkan angka F lensa kamera cahaya tampak biasanya berkisar antara 1 hingga 22.

Pengembangan teknologi pencitraan termal generasi pertama telah menghasilkan sistem optik inframerah berdasarkan pencitraan pemindaian optik-mekanis, terutama sistem optik inframerah gelombang panjang berdasarkan elemen optik material germanium.

Perkembangan teknologi pencitraan inframerah/termal generasi kedua tidak hanya menciptakan tuntutan baru untuk sistem optik pencitraan inframerah dari pencitraan inframerah gelombang menengah dan gelombang pendek, tetapi juga menciptakan tuntutan baru untuk sistem optik pencitraan inframerah dari pencitraan termal tanpa pendingin. Material optik inframerah baru, desain, dan metode pemrosesan komponen optik inframerah dikembangkan, yang memperkaya konten sistem optik pencitraan inframerah.

Saat ini, detektor inframerah berkembang menuju generasi ketiga detektor bidang fokus inframerah. Ukuran piksel melebihi satu juta piksel; ukuran elemen deteksi dikurangi menjadi 8µm atau bahkan 5µm; sensitivitas termal ditingkatkan ke tingkat mK, dan dimensi informasi yang diperoleh meningkat, termasuk dimensi spektral (pita ganda/multi-pita), dimensi polarisasi (4 keadaan polarisasi), dll.

Fitur-fitur baru dari teknologi detektor bidang fokus inframerah generasi ketiga menyebabkan teknologi sistem optik pencitraan inframerah generasi kedua tidak dapat memenuhi, atau bahkan gagal memenuhi, persyaratan pencitraan dari sistem pencitraan inframerah/termal generasi ketiga. Dengan kata lain, detektor bidang fokus inframerah generasi ketiga mengajukan persyaratan baru untuk sistem optik inframerah yang digunakan dalam sistem pencitraan inframerah/termal generasi ketiga.

Dalam makalah ini, sistem optik pencitraan inframerah generasi pertama dan kedua ditinjau secara singkat. Berdasarkan hal tersebut, masalah-masalah baru yang perlu dipecahkan oleh sistem optik pencitraan inframerah generasi ketiga diurutkan, dan pendekatan teknis serta kemajuan sistem optik pencitraan inframerah generasi ketiga dalam memecahkan masalah-masalah baru tersebut ditinjau. Terakhir, tren perkembangan prospek sistem optik pencitraan inframerah generasi ketiga diuraikan.

1. Masalah yang ada pada sistem optik pencitraan inframerah generasi pertama

Pada sistem pencitraan termal generasi pertama, karena sudut pemindaian berkas yang besar, diafragma apertur sistem optik umumnya ditempatkan sebelum cermin/perangkat pemindaian, dan diafragma apertur relatif besar. Ketika kerapatan fluks radiasi inframerah target (seperti target jarak jauh) lebih rendah daripada kerapatan fluks radiasi inframerah sistem optik pencitraan inframerah (termasuk komponen optik inframerah, struktur pendukung, dll.), radiasi inframerah yang dihasilkan oleh sistem optik pencitraan inframerah dianggap sebagai noise latar belakang utama. Astigmatisme diterima oleh detektor inframerah untuk membentuk citra "efek daffodil" yang tumpang tindih pada citra termal adegan, yang telah menjadi faktor penting yang membatasi sensitivitas termal sistem pencitraan termal generasi pertama dan memengaruhi kualitas citra termal.

Masalah pada sistem optik pencitraan inframerah generasi pertama:

1) Sistem optik pencitraan inframerah perlu dikustomisasi; strukturnya kompleks; fungsi transfernya rendah; jumlah komponen optiknya besar, dan persyaratan instalasi dan penyesuaian sistemnya tinggi;

2) Integrasi yang efektif dengan detektor inframerah tidak dapat dicapai, dan ukuran serta berat sistem optik pencitraan inframerah relatif besar;

3) "Efek daffodil" pada sistem optik pencitraan inframerah refraktif lebih serius.

2. Fitur-fitur sistem optik pencitraan inframerah generasi kedua

Untuk mengatasi pengaruh "efek daffodil", sistem optik pencitraan inframerah generasi kedua memperkuat desain layar dingin, meningkatkan efisiensi layar dingin hingga 100%, dan meminimalkan pengaruh cahaya hamburan latar belakang; mode pencitraan kedua diadopsi untuk mengurangi pengaruh diameter pupil masuk dan volume lensa objektif inframerah. Diafragma dingin ditempatkan pada pupil keluar untuk meminimalkan bukaan diafragma dan menghalangi sebagian besar cahaya hamburan (Gambar 1), yang meningkatkan kualitas gambar.

Dalam aplikasi subdivisi sistem pencitraan inframerah/termal, sistem optik pencitraan inframerah generasi kedua memiliki karakteristik teknis sebagai berikut:

1) Teknologi termalisasi telah dikembangkan untuk mengurangi defokus sistem optik akibat perubahan suhu.

2) Elemen optik hibrida dan elemen optik asferis dikembangkan untuk pemrosesan permukaan difraksi elemen refraktif, permukaan difraksi mengoreksi perbedaan warna aksial dan perbedaan kromosfer, permukaan asferis, dan lensa dapat menghilangkan perbedaan sferis dan perbedaan kebijaksanaan, meningkatkan kualitas pencitraan, dan menyederhanakan sistem optik.

3) Aplikasi sistem pencitraan inframerah/termal dengan panjang fokus panjang dan jarak jauh mengembangkan sistem optik inframerah refleksi aksial, dan ukuran aksial sistem dikurangi dengan melipat jalur optik, seperti sistem optik Cassegrain refleksi aksial. Karena oklusi besar pada sistem refleksi aksial, radiasi insiden efektif berkurang, dan sistem refleksi di luar sumbu tanpa oklusi, seperti sistem optik inframerah tiga cermin di luar sumbu, telah dikembangkan. Untuk menghindari oklusi baru yang disebabkan oleh terlalu banyak cermin, sistem optik refraktif biasanya dipasang di belakang cermin untuk memfokuskan radiasi inframerah pada detektor bidang fokus inframerah. Pada tahun 2011, Min Wang dkk. dari Institut Optik Nasional Kanada merancang teleskop inframerah off-axis refleksi total apertur umum empat saluran, dengan empat pita 3,4µm～4,0µm, 8,3µm～9,3µm, 10,0µm～11,0µm dan 11,5µm -12,5µm, dan detektornya adalah detektor bidang fokus inframerah linier 256×1.

4) Berbagai macam sistem optik inframerah tanpa pendingin telah dikembangkan untuk aplikasi pencitraan termal tanpa pendingin yang ringan dan berukuran kecil seperti alat bidik termal dan pencitraan termal individual.

5) Sistem optik inframerah bidang tunggal fokus tetap yang terstandarisasi, universal, dan dapat diganti secara serial telah dikembangkan untuk memenuhi persyaratan aplikasi berkualitas tinggi, skala besar, dan biaya rendah.

6) Sistem optik inframerah zoom kontinu dengan rasio zoom besar, tiga bidang, dan dua bidang terintegrasi optik-mekanis telah dikembangkan untuk aplikasi militer berkinerja tinggi.

7) Menghadapi beragam persyaratan aplikasi, sistem ini mengembangkan sistem optik yang ringan, berkinerja tinggi, dan kompak yang mengintegrasikan berbagai keunggulan teknis. Misalnya, pada tahun 2002, Hyun Sook Kim dkk. merancang sistem optik inframerah gelombang menengah kontinu 20: dengan rasio variabel 1 dan 22 pemindaian mikro. Selain mengurangi ukuran sistem, dua cermin juga dapat melakukan sapuan pendulum atas, bawah, dan kiri dan kanan secara masing-masing, sehingga mencapai pencitraan pemindaian mikro 22. Sistem ini kompak, dengan panjang hanya 206,2 mm, tinggi 80 mm, berat 5,3 kg, pita kerja 3,7 µm hingga 4,8 µm, angka F 2,5, dan rentang zoom 12,75 mm hingga 275 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

3. Status penelitian sistem optik pencitraan inframerah generasi ketiga

Detektor bidang fokus inframerah generasi ketiga mengajukan persyaratan baru untuk sistem optik pencitraan inframerah. Analisis spesifiknya adalah sebagai berikut:

1) Dengan kondisi bahwa volume sistem optik inframerah tetap tidak berubah, jarak operasi dan sensitivitas sistem pencitraan inframerah/termal dioptimalkan secara bersamaan.

Nomor F layar dingin tetap dari detektor bidang fokus inframerah berpendingin generasi kedua memungkinkan untuk memperoleh efisiensi layar dingin 100% hanya dengan satu nomor F sistem optik. Ekspresi matematika yang disederhanakan untuk jangkauan dan sensitivitas (NETD) adalah:

di mana D adalah diameter pupil masuk; F# adalah bilangan F; λ adalah panjang gelombang; M adalah jumlah piksel yang diperlukan untuk mengkonfirmasi target Δx; C adalah kontras adegan; d adalah ukuran elemen detektor; η adalah efisiensi pengumpulan detektor; ΦB2π mewakili fluks radiasi latar belakang untuk bidang pandang 2π; τint adalah waktu integrasi.

Dapat dilihat dari rumus (1) bahwa menjaga volume sistem optik inframerah tetap tidak berubah berarti diameter pupil masuk D tetap, maka semakin besar F#, semakin besar jarak kerja, tetapi sensitivitas NETD menurun dengan peningkatan F, yang menunjukkan bahwa pada sistem optik generasi kedua, satu F# dalam sistem tidak dapat memenuhi persyaratan jangkauan dan sensitivitas secara bersamaan. Oleh karena itu, sistem optik inframerah generasi ketiga pertama kali dirancang dengan bilangan F variabel, sehingga dapat mengoptimalkan jarak kerja dan sensitivitas sistem pencitraan inframerah/termal secara bersamaan.

2) Dengan meminimalkan jumlah lensa dan memaksimalkan transmisi sistem optik, sistem ini dapat menghasilkan pencitraan yang jelas pada pita inframerah gelombang menengah dan gelombang panjang, serta pencitraan fusi tingkat piksel pita ganda secara bersamaan.

Fitur detektor bidang fokus inframerah pita ganda yang menggunakan struktur piksel bertumpuk adalah ukuran piksel dan skala piksel pita ganda sama, dan sirkuit pembacaan independen membaca data pita ganda secara terpisah. Masalah yang perlu dipertimbangkan saat mendesain sistem optik inframerah detektor bidang fokus inframerah pita ganda adalah sebagai berikut:

Radiasi inframerah pita ganda dari adegan yang sama harus difokuskan pada detektor bidang fokus yang sama tanpa pemfokusan ulang, dan kualitas gambar yang cukup tinggi harus diperoleh;

Pita ganda mencapai batas difraksi pada setiap bidang pandang;

Panjang fokus pita ganda harus sama;

Distorsi harus sama untuk kedua pita;

Aberasi kromatik yang disebabkan oleh perbedaan dispersi material optik inframerah pada pita inframerah gelombang menengah dan gelombang panjang harus dikoreksi.

Sebagai respons terhadap masalah ini, sistem optik inframerah generasi ketiga pita ganda sangat menyederhanakan registrasi bidang pandang kedua pita dengan mengadopsi desain apertur umum. Pada saat yang sama, sistem optik katadioptrik dengan spektrum lebar, aberasi kromatik kecil, ukuran aksial kecil, dan desain fleksibel diadopsi. Selain itu, sistem optik inframerah "gambar dalam gambar" pita ganda telah dikembangkan.

3) Mengurangi volume, berat, konsumsi daya, dan biaya sistem pencitraan inframerah/termal adalah persyaratan abadi: "tidak ada yang terbaik, hanya yang lebih baik".

Sebagai respons terhadap persyaratan ini, generasi ketiga sistem optik inframerah telah mengembangkan sistem mikro-optik, sistem optik bentuk bebas, dll.

4) Sistem optik inframerah untuk pencitraan komputasional, potensi sistem optik harus dieksploitasi sepenuhnya melalui komputasi cerdas.

Sebagai respons terhadap kebutuhan ini, pencitraan multipleks optik telah dikembangkan. Deskripsi singkat diberikan di bawah ini.

3.1 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah pendinginan dengan bilangan F variabel

Sistem optik pencitraan inframerah dengan bilangan F variabel dapat memanfaatkan sepenuhnya keunggulan detektor inframerah generasi ketiga dengan sensitivitas tinggi dan resolusi spasial tinggi (array area luas), dan mengoptimalkan resolusi spasial dan sensitivitas sistem sambil mempertahankan volume sistem pencitraan termal asli, meningkatkan rasio sinyal terhadap derau saat mencari target dengan bidang pandang lebar, dan mempertahankan kemampuan untuk mengarahkan dan melacak target pada jarak jauh (yaitu, ketika bidang pandang sempit). Untuk diameter pupil masuk yang terbatas dalam aplikasi praktis, pilih bilangan F besar pada bidang pandang sempit, dan fokus pada jarak aksi; pilih bilangan F kecil pada bidang pandang lebar, dan fokus pada bidang pandang dan sensitivitas. Untuk detektor multi-band, pilih bilangan F besar untuk pita inframerah gelombang menengah, dan bilangan F kecil untuk pita inframerah gelombang panjang.

3.2 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah katadioptrik

Berdasarkan karakteristik sistem optik inframerah katadioptrik dengan spektrum lebar, aberasi kromatik kecil, ukuran aksial kecil, dan desain fleksibel, pencitraan inframerah dengan apertur umum, angka F ganda, pita ganda/multi-band, multi-bidang/rasio zoom besar, dan zoom kontinu telah dikembangkan. Sistem optik ini memenuhi persyaratan pencarian, konfirmasi, dan pelacakan target terintegrasi dan otomatis pada platform senjata dengan ruang instalasi terbatas.

3.3 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah "gambar dalam gambar" pita ganda

Sistem optik pencitraan inframerah "gambar dalam gambar" pita ganda dikembangkan untuk secara simultan mencari dan mengidentifikasi target melalui informasi spasial dan informasi spektral dari perbesaran optik yang berbeda pada satu layar. Untuk pemandangan objek tanah umum, citra inframerah gelombang menengah dan gelombang panjang yang dihasilkan oleh detektor bidang fokus pita ganda inframerah gelombang menengah/gelombang panjang memiliki tingkat korelasi yang tinggi (yaitu, tidak ada perbedaan yang jelas antara citra), dan operator perlu memperbesar berulang kali antara bidang pandang lebar dan bidang pandang sempit untuk mencari dan mengidentifikasi objek yang diminati. Untuk memanfaatkan sepenuhnya kemampuan detektor bidang fokus pita ganda untuk memperoleh informasi secara sinkron dalam pita terpisah, dan untuk memanfaatkan fakta bahwa panjang gelombang radiasi puncak objek tanah terletak di pita inframerah gelombang panjang dan kontras citra inframerah gelombang menengah tinggi, sistem optik pencitraan inframerah "gambar dalam gambar" pita ganda telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir. Sistem ini menggunakan citra inframerah gelombang panjang bidang lebar untuk memahami situasi objek dan pemandangan di permukaan tanah, serta citra inframerah gelombang menengah bidang sempit untuk memperoleh citra target dengan kontras tinggi.

3.4 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah perifer katadioptrik

Berdasarkan keunggulan skala besar piksel deteksi bidang fokus inframerah generasi ketiga, dikembangkan sistem optik pencitraan inframerah melingkar katadioptrik berbasis cermin permukaan kuadratik, dan detektor bidang fokus inframerah tunggal digunakan untuk merekam bidang pandang yang luas dan bahkan informasi bidang pandang keliling 360° untuk memenuhi kebutuhan peringatan dan alarm inframerah.

3.5 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah permukaan bentuk bebas

Dengan dukungan teknologi manufaktur dan pengukuran optik canggih, sistem optik pencitraan inframerah permukaan bebas dikembangkan untuk mengatasi kesulitan seperti memperluas bidang pandang, mengoreksi aberasi, menyederhanakan struktur sistem optik, mengontrol volume, dan mengurangi berat. Permukaan bebas menyediakan geometri kompleks yang tidak simetris secara rotasional, memungkinkan akuisisi gambar dan koreksi aberasi yang tidak konvensional. Pada tahun 2014, Kyle Fuerschbach dari Universitas Rochester, Jannick P. Rolland, dan Kevin P. Thompson menunjukkan bahwa permukaan bebas dapat sepenuhnya dijelaskan menggunakan teori aberasi yang ada. Studi ini menemukan bahwa perancang optik dapat mematahkan batasan simetri rotasional, dan merancang permukaan bebas dengan bentuk apa pun sesuai dengan model matematika saat ini, untuk mendapatkan sistem optik inframerah yang sepenuhnya tidak terhalang, yang sepenuhnya terdiri dari elemen optik reflektif. Ketiga peneliti tersebut juga merancang dan memverifikasi sistem optik inframerah yang sepenuhnya reflektif hanya menggunakan tiga permukaan bebas, dengan batas difraksi serendah 5µm, angka F 1,9, kekompakan tinggi, stabilitas termal tinggi, dan bidang pandang diagonal ringan 10, yang dapat dipasang di ruang tiga dimensi yang kompleks tanpa cermin lipat.

3.6 Pengembangan sistem optik pencitraan inframerah miniatur tanpa pendingin

Sistem optik pencitraan inframerah ultra-tipis dan miniatur tanpa pendingin dikembangkan untuk memenuhi persyaratan pencitraan inframerah berkinerja tinggi di bawah batasan volume, berat, dan konsumsi daya (SWaP). Dengan pengurangan substansial dalam volume dan berat komponen detektor bidang fokus inframerah tanpa pendingin, permintaan akan sistem optik pencitraan inframerah miniatur dengan panjang jalur optik kurang dari 1/2 panjang fokus semakin meningkat. Reflektor bulat berbiaya rendah dan diproses secara sederhana banyak digunakan untuk melipat jalur optik, elemen optik refraktif juga digunakan untuk mengurangi oklusi permukaan refleksi ke jalur optik.

4. Prospek

Sistem optik pencitraan inframerah berkembang dari lensa objektif hingga chip detektor bidang fokus inframerah dan sirkuit pemrosesan sinyalnya dengan mengurangi ukurannya. Ketika ukuran unit elemen optik dikurangi hingga sama dengan ukuran detektor, operasi seperti spektrum, polarisasi, dan pengkodean fase pada tingkat piksel dapat direalisasikan. Misalnya, "retina inframerah" yang diusulkan oleh Sanjay Krishna pada tahun 2009 menganggap setiap piksel detektor inframerah sebagai sel kerucut di retina, dan menggabungkan interaksi antar sel-sel ini melalui teknologi pemrosesan informasi selanjutnya, sehingga meniru fungsi mata manusia dalam mempersepsikan informasi adegan dan mengenali situasi adegan; ketika unit elemen optik dikurangi lebih lanjut hingga skala mikrometer atau nanometer, karena efek permukaan, efek volume, dan efek ukuran kuantum, kinerja optiknya akan menunjukkan karakteristik yang sangat berbeda dari unit elemen optik makroskopis, seperti penyerapan, anti-refleksi, atau sifat konvergensi yang unggul. Dapat dikatakan bahwa tren perkembangan sistem optik inframerah adalah terintegrasi dengan detektor inframerah, dan nanofotonik telah menjadi kekuatan pendorong bagi pengembangan detektor bidang fokus inframerah generasi keempat.

QUANHOM adalah produsen lensa dan komponen inframerah kustom profesional. Tim kami menjembatani kesenjangan antara kinerja superior dan anggaran terbatas, terutama ketika kami terlibat dalam proyek yang mengintegrasikan presisi tinggi. Produk kami meliputi rakitan optik inframerah untuk VIS/SWIR/MWIR/LWIR, lensa okuler, elemen lensa inframerah (dari monokopik hingga lensa inframerah zoom multi-bidang dan kontinu yang dapat beralih dengan cepat), dll. Jika Anda membutuhkan, silakan hubungi kami.