ย่านคลื่นอินฟราเรดคลื่นยาว 8-14 ไมโครเมตร ไม่เพียงแต่เป็นช่วงคลื่นที่ทะลุผ่านชั้นบรรยากาศเท่านั้น แต่ยังเป็นช่วงคลื่นที่มีพลังงานความร้อนจากวัตถุที่อุณหภูมิห้องเข้มข้นที่สุดด้วย

ระบบโฟโตอิเล็กทริกแบบพาสซีฟที่ทำงานในย่านคลื่นนี้จะตรวจจับความร้อนจากแหล่งกำเนิดเป้าหมายโดยตรง สามารถทำงานได้ตลอดทั้งวัน เป็นแบบพาสซีฟ และพรางตัวได้ดี สามารถนำไปใช้ในทางการทหารเพื่อการลาดตระเวน การจับกุม การติดตามเป้าหมาย ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในงานต่างๆ เช่น การเตือนภัยไฟป่า การเฝ้าระวังความปลอดภัยในเวลากลางคืน และการค้นหาและกู้ภัย

เครื่องมือตรวจจับอินฟราเรดคลื่นยาวสำหรับการใช้งานด้านการสำรวจระยะไกลมักติดตั้งบนแพลตฟอร์มต่างๆ เช่น ดาวเทียม เครื่องบิน และโดรน (UAV) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการวิจัยเกี่ยวกับการใช้งานโดรนเพิ่มมากขึ้น

สหรัฐอเมริกายังคงส่งเสริมการใช้เซ็นเซอร์ภาพหลายสเปกตรัมที่ติดตั้งบนโดรนอย่างต่อเนื่อง ในเดือนมีนาคม ปี 2018 กองทัพเรือสหรัฐฯ ได้ใช้งานโดรนขนาดเล็กแบบควอดโรเตอร์ที่มีระบบตรวจจับภาพทันทีเป็นครั้งแรก โดยมีความสูงในการบิน 3,657.6 เมตร ติดตั้งเซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบโฟโตอิเล็กทริก 3 ตัว และเซ็นเซอร์อินฟราเรดความร้อนแบบมองไปข้างหน้าอีก 1 ตัว

ในเดือนกรกฎาคม ปี 2018 บริษัท Zala ของรัสเซียได้ติดตั้งระบบไลดาร์บนโดรนเป็นครั้งแรก ด้วยความสามารถในการรับรู้สถานการณ์ที่ดีขึ้นและการเก็บข้อมูลที่รวดเร็วกว่าของไลดาร์ ปัจจุบัน เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริก MEOS ที่ติดตั้งบน "UAV Dome" ของบริษัท Rafal ของอิสราเอล สามารถตรวจจับเป้าหมายที่มีขนาดเล็กที่สุด 20 ตารางเซนติเมตร ในระยะ 3.2 กิโลเมตร และมีมุมมองภาพทันที 0.14 มิลลิเรเดียน

อุปกรณ์รับส่งสัญญาณแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสมสำหรับโดรนได้พัฒนาอย่างรวดเร็วทั้งในด้านฟังก์ชันและประสิทธิภาพ และสามารถได้ภาพและข้อมูลคุณภาพสูงแบบเรียลไทม์ทั้งกลางวันและกลางคืน ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการลาดตระเวน การเฝ้าระวัง และการจับกุมเป้าหมายได้อย่างมาก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดด้านความสามารถในการบรรทุกของโดรน จึงจำเป็นต้องมีประสิทธิภาพในการบรรทุกสูง น้ำหนักเบา และขนาดเล็ก ในขณะเดียวกันก็ต้องมีคุณสมบัติต้นทุนต่ำสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และการผลิตจำนวนมาก

เนื่องจากข้อดีของความแม่นยำสูงและการควบคุมทิศทางได้ในวงกว้าง พ็อดออปโตอิเล็กทรอนิกส์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายบนแพลตฟอร์มโดรน ในขณะที่อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งในพ็อดออปโตอิเล็กทรอนิกส์นั้นมีข้อจำกัดด้านปริมาตรและน้ำหนักที่เข้มงวดกว่า และระบบออปติกของมันจำเป็นต้องได้รับการพิจารณาในด้านการออกแบบที่เบาและกะทัดรัด

ด้วยแนวโน้มการพัฒนาของการย่อขนาดและน้ำหนักเบาของระบบออปติกอินฟราเรด รูปทรงพื้นผิวของเลนส์ออปติกจึงมักซับซ้อนมากขึ้น นอกจากนี้ยังมีความต้องการที่สูงขึ้นในด้านคุณภาพระดับจุลภาคของพื้นผิวออปติกของวัสดุแข็งและเปราะอินฟราเรด เช่น เจอร์มาเนียมและซิงค์ซีลีไนด์

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการกลึงเพชรแบบจุดเดียวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการแปรรูปเย็นของชิ้นส่วนออปติกอินฟราเรด ภายใต้เงื่อนไขของวัสดุและพารามิเตอร์อื่นๆ ความแม่นยำในการกลึงเพชรแบบจุดเดียว พารามิเตอร์การกลึง การสั่นสะเทือนของเครื่องจักร และวิธีการกลึงพื้นผิวทรงกลมสามารถปรับให้เหมาะสมที่สุดได้

ตามข้อกำหนดของดัชนีและข้อจำกัดของแพลตฟอร์มของเครื่องมือ Quanhom เสนอโครงสร้างทางแสงแบบแคตาไดออปทริกที่มีน้ำหนักเบา ขนาดเล็ก และกะทัดรัด ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของรูปแบบทางแสงหลักสำหรับการใช้งานในเครื่องตรวจจับความเย็น ซึ่งเหมาะสมสำหรับกล้องอินฟราเรดคลื่นยาวแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์สำหรับโดรนที่ผลิตจำนวนมาก

การออกแบบทางแสง การประมวลผล การตั้งค่าการตรวจสอบ และการทดลองถ่ายภาพของกล้องนี้จะอธิบายโดยละเอียดด้านล่าง

1. ข้อจำกัดของแพลตฟอร์มและข้อกำหนดของดัชนี

1.1 วิธีการตรวจจับและข้อจำกัดด้านทรัพยากร

ระบบออปติคอลถูกติดตั้งในพอดออปโตอิเล็กทรอนิกส์และติดตั้งบนโดรน อุปกรณ์นี้มีมุมมองภาพปานกลาง ด้วยการหมุนสองมิติของพอดออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้สามารถค้นหาเป้าหมายในพื้นที่กว้างได้ โดยจะพบและล็อกเป้าหมายเพื่อติดตาม ดังแสดงในรูปที่ 1 พอดออปโตอิเล็กทรอนิกส์มีโครงสร้างทรงกลม รัศมีของพอดน้อยกว่า 200 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางของหน้าต่างคือ 165 มม. พื้นที่ออปติคอลคือ 320 มม. × 310 มม. × 302 มม. (รวมตัวตรวจจับ) และมวลเชิงกลของกล้องต้องน้อยกว่า 2.0 กก. (ไม่รวมแท่นหมุนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์)

  รูปที่ 1 แผนภาพแสดงวิธีการตรวจจับ

1.2 ตัวชี้วัดที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบทางแสง

เพื่อปรับปรุงความไวในการตรวจจับของเครื่องมือ เครื่องทั้งหมดใช้ตัวตรวจจับแบบอาร์เรย์พื้นที่ระบายความร้อน โดยมีขนาดพิกเซล nx×ny คือ 320×256 ขนาดพิกเซล p คือ 30μm×30μm และพารามิเตอร์การออกแบบระบบออปติคอลแสดงอยู่ในตารางที่ 1

ตามข้อกำหนดของระยะการตรวจจับที่ไกลที่สุดของเครื่องมือ เส้นผ่านศูนย์กลาง D ของระบบจึงถูกกำหนดให้เป็น 150 มม. ถ้าค่า F ของตัวตรวจจับคือ 2 ความยาวโฟกัส f ของระบบคือ 300 มม. มุมมองภาพทันที IFOV = p/f = 0.1 มิลลิเรเดียน นั่นคือ ความละเอียดของเป้าหมายที่ระยะ 100 กิโลเมตรคือ 10 เมตร และมุมมองภาพ FOV คือ:

กล่าวคือ มุมมองภาพแนวทแยงมุมเป็นวงกลมขนาด 2.34°

2. การออกแบบทางแสง

2.1 ข้อควรพิจารณาในการคัดเลือก

โครงสร้างระบบออปติกอินฟราเรดประกอบด้วยโครงสร้างแบบส่งผ่านแสง สะท้อนแสง และแบบผสมแสงและหักเหแสง เนื่องจากวัสดุที่ใช้มีให้เลือกน้อยและการจับคู่หน้าจอเย็น 100% ของกลุ่มเลนส์ส่งผ่านแสง ทำให้เลนส์ด้านหน้ามีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ปริมาตรและน้ำหนักมาก แต่ค่อนข้างง่ายต่อการแปรรูปและปรับแต่ง เหมาะสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กและขนาดกลาง ความละเอียดปานกลางและต่ำ และมุมมองภาพกว้าง

ระบบสะท้อนแสงไม่มีความคลาดเคลื่อนของสี แต่ขอบเขตการมองเห็นค่อนข้างแคบ และการติดตั้งและการปรับแต่งค่อนข้างยุ่งยาก เหมาะสำหรับรูรับแสงขนาดกลางและขนาดใหญ่ ความละเอียดปานกลางถึงสูง และขอบเขตการมองเห็นแคบ ในขณะที่ระบบแคตาไดออปทริกมีข้อดีของสองอย่างแรก คือมีความสามารถในการแก้ไขความคลาดเคลื่อนสูง ขนาดกะทัดรัด และสามารถจับคู่กับหน้าจอเย็นได้ 100% ผ่านการสร้างภาพทุติยภูมิ เหมาะสำหรับขนาดกลางและขนาดใหญ่ ความละเอียดปานกลางถึงสูง และขอบเขตการมองเห็นปานกลาง

จากการวิเคราะห์เปรียบเทียบข้างต้น ประกอบกับข้อกำหนดของแพลตฟอร์มบรรทุกของโดรนในด้านปริมาตร น้ำหนัก ทรัพยากร และระยะการตรวจจับของอุปกรณ์ ระบบจึงเลือกใช้โครงสร้างทางแสงแคตาไดออปทริก และในขณะเดียวกันก็คำนึงถึงต้นทุนและรอบการประมวลผล การตรวจสอบ และการประกอบ สำหรับการใช้งานในเครื่องตรวจจับความเย็น จึงได้เสนอโครงสร้างทางแสงแคตาไดออปทริกที่ลดความซับซ้อนของรูปแบบทางแสงหลักในการออกแบบทางแสง

2.2 โครงสร้างเริ่มต้น

ในเอกสารอ้างอิงหลายฉบับ ระบบเลนส์ของกล้องอินฟราเรดแบบแคตาไดออปทริกมักใช้โครงสร้างระบบหลักแบบสองกระจกและกลุ่มเลนส์แก้ไข โดยปกติแล้ว การออกแบบเลนส์จะแก้ปัญหาเบื้องต้นของโครงสร้างสองกระจกก่อน จากนั้นจึงเพิ่มกลุ่มเลนส์เพื่อปรับให้เหมาะสม

โดยการกำหนดอัตราส่วนการบดบังและประเภทของความคลาดเคลื่อนที่จะแก้ไข กำหนดค่าสัมประสิทธิ์ความคลาดเคลื่อนที่สอดคล้องกันให้เป็นศูนย์ แก้ปัญหาเกี่ยวกับรัศมีความโค้ง สัมประสิทธิ์กรวย และระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของกระจกหลักและกระจกรอง จากนั้นซูมเข้า ก็จะสามารถดำเนินการสร้างระบบสองกระจกเบื้องต้นได้

ในระบบแคตาไดออปทริกที่ใช้กันทั่วไป เลนส์หลักเป็นโครงสร้างแบบคาสเซ็ตที่แก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมและความคลาดเคลื่อนโคมา และกระจกหลักและกระจกรองต่างก็เป็นไฮเปอร์โบโลอิด

จากนั้นจึงเพิ่มกลุ่มเลนส์แก้ไขไว้ด้านหลัง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วกลุ่มเลนส์แก้ไขจะเป็นทรงกลม ระบบนี้ช่วยลดความซับซ้อนของระบบพับกลับที่ใช้กันทั่วไป โดยคำนึงถึงปริมาตรและน้ำหนัก ความยากในการประกอบและการปรับแต่ง ต้นทุนการพัฒนา และสภาพแวดล้อมการใช้งาน

ระบบสะท้อนแสงแบบลดความซับซ้อนนี้ประกอบด้วยระบบหลักแบบพับนิวตันและกลุ่มกระจกแก้ไข กระจกหลักของระบบหลักถูกลดความซับซ้อนให้เป็นพาราโบลา กระจกรองถูกลดความซับซ้อนให้เป็นกระจกแบน และกระจกรองไม่มีกำลังเฉพาะสำหรับเส้นทางแสงที่พับ ซึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในกลุ่มกระจกแก้ไข เราสามารถเพิ่มกระจกแอสเฟอริกเพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนนอกแกนได้

แผนภาพโครงร่างแบบง่ายของเส้นทางแสงของระบบหลักแบบพับนิวตันแสดงในรูปที่ 2 โดยที่ h1 และ h2 คือความสูงของแสงที่ขอบของสนามการมองเห็นส่วนกลางบนกระจกหลักและกระจกรองตามลำดับ

I2 และ I2’ คือระยะวัตถุและระยะภาพของกระจกสะท้อนรอง และ F1’ คือความยาวโฟกัสของกระจกหลัก R01 คือรัศมีความโค้งศูนย์กลางของกระจกหลัก R2 คือรัศมีความโค้งของกระจกสะท้อนรอง d คือระยะห่างระหว่างกระจกหลักและกระจกสะท้อนรอง α คืออัตราส่วนการบดบังของกระจกสะท้อนรอง และ β คือกำลังขยายของกระจกสะท้อนรอง สำหรับระบบที่ลดรูปแล้ว สมการต่อไปนี้เป็นจริง:

รูปที่ 2 แผนภาพโครงร่างอย่างง่ายของระบบพับกระดาษหลักแบบนิวตัน

ขั้นตอนการแก้ปัญหาโครงสร้างเบื้องต้นของระบบมีดังนี้: (1) กำหนดกำลังของเลนส์หลักและเลนส์แก้ไข กำหนด f1′ และกำหนดรัศมีความโค้งศูนย์กลาง R01 ของกระจกหลักตามสูตร (4); (2) กำหนดอัตราส่วนการปิดกั้น α ตามสูตร (5) แก้ช่วง d ของกระจกหลักและกระจกรอง; (3) กำหนดกำลังแสงของกลุ่มเลนส์แก้ไขเบื้องต้น และกำหนดระยะวัตถุของกลุ่มเลนส์แก้ไข

ข้อดีของการออกแบบนี้คือ:

(1) ไม่จำเป็นต้องออกแบบกระจกชดเชยหรือโฮโลแกรมเพื่อประมวลผลและปรับกระจกหลักแบบพาราโบลา การติดตั้งและการปรับระบบออปติคอลหลักส่วนใหญ่เป็นการติดตั้งกระจกพาราโบลาหลักแบบไร้แรงกด การตรวจจับและการปรับแต่งค่อนข้างง่าย ต้นทุนการพัฒนาต่ำ และวงจรการพัฒนาสั้น

(2) ย้ายพื้นผิวแอสเฟริกไปไว้ที่เลนส์ของกลุ่มเลนส์แก้ไข และใช้เทคโนโลยีการกลึงเพชรแบบจุดเดียวในการประมวลผล ขั้นตอนและต้นทุนการประมวลผลของพื้นผิวแอสเฟริกแบบสมมาตรเชิงการหมุนและพื้นผิวทรงกลมนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน และความแม่นยำของรูปทรงพื้นผิวของเลนส์ขนาดเล็กนั้นสูง

(3) รูรับแสงออกของระบบออปติคอลอยู่ด้านหลังกลุ่มเลนส์แก้ไขและเชื่อมต่อกับหน้าจอเย็นของตัวตรวจจับเพื่อให้ได้การจับคู่หน้าจอเย็น 100% ลดอิทธิพลของพื้นหลังความร้อน และปรับปรุงความไว

(4) กลุ่มกระจกแก้ไขอยู่ระหว่างกระจกหลักและกระจกรอง ระนาบโฟกัสของระบบอยู่ใกล้กระจกหลัก และส่วนประกอบการทำความเย็นและชิ้นส่วนการติดตั้งของตัวตรวจจับอยู่ด้านหลังกระจกหลัก ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดปริมาตรของกล้องและการติดตั้งตัวตรวจจับ

ข้อดีข้างต้นเหมาะสำหรับการพัฒนาระบบขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และกะทัดรัดจำนวนมากอย่างรวดเร็ว

2.3 การออกแบบและผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุด

ป้อนโครงสร้างเริ่มต้นลงในซอฟต์แวร์ เพื่อความง่าย กลุ่มเลนส์แก้ไขจะถูกแบ่งออกเป็นกำลังบวก กำลังลบ กำลังลบ และกำลังบวก และกำหนดระยะ 19.8 มม. ด้านหน้าแกนตรวจจับ (ตรงตำแหน่งที่แผ่นระบายความร้อนอยู่) เป็นรูรับแสงออก (หรือ STOP) ของระบบ

แก้ไขฟังก์ชัน ข้อได้เปรียบ เพื่อควบคุมความหนาของเลนส์ ระยะห่าง ระยะโฟกัส การบิดเบี้ยว และคุณภาพของภาพ ฯลฯ และลองควบคุมรูรับแสงเข้าเพื่อทำการติดตามรังสีใกล้กับกระจกหลัก ผลลัพธ์การออกแบบแสดงในตารางที่ 2

รูปที่ 3 คือแผนภาพเส้นทางแสงของกล้องอินฟราเรด กระจกหลักเป็นรูปพาราโบลา กระจกรองเป็นระนาบ พื้นผิวด้านหน้าของกระจก 1 และพื้นผิวด้านหลังของกระจก 3 ในกลุ่มกระจกปรับแก้เป็นพื้นผิวควอดริก และความยาวแกนรวมของระบบคือ 125 มม.

 รูปที่ 3 แผนผัง 2 มิติ

ดังแสดงในรูปที่ 4 ค่า MTF ของแต่ละขอบเขตการมองเห็นในช่วงสเปกตรัม 8-12.5 μm มีค่าใกล้เคียงกับค่าจำกัดการเลี้ยวเบนที่ความถี่ Nyquist โดยทั้งหมดมีค่ามากกว่า 0.4 และความบิดเบี้ยวของระบบมีค่าน้อยกว่า 2.8% ในขอบเขตการมองเห็นทั้งหมด

3. การวิเคราะห์ความเป็นไปได้ทางวิศวกรรม

3.1 การวิเคราะห์ค่าความคลาดเคลื่อน

การวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ได้ค่าอ้างอิงการควบคุมความแม่นยำสำหรับการขึ้นรูปชิ้นส่วนออปโตเมคานิกส์และการประกอบชิ้นส่วน ระบบจะกำหนดรูปร่างพื้นผิว ความเยื้องศูนย์และความเอียงของพื้นผิว ความเยื้องศูนย์และความเอียงขององค์ประกอบ ความหนาตรงกลางและช่วงห่างของเลนส์ออปติคอล กำหนดตัวแปรชดเชยระนาบโฟกัส หาพารามิเตอร์ที่มีความไวสูงสุดผ่านการวิเคราะห์แบบสุ่มมอนเตคาร์โล และปรับพารามิเตอร์ที่มีความไวเพื่อให้การวิเคราะห์มอนเตคาร์โลโลโลวีนส่งผลให้ความสอดคล้องลดลงน้อยกว่า 15%

การวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนของระบบทั้งหมดได้ดำเนินการแล้ว และรายการความคลาดเคลื่อนที่มีความไวสูงแสดงอยู่ในตารางที่ 3 ความเยื้องศูนย์ของพื้นผิว (TSD) และความเอียง (TST) ของเลนส์โค้งตัวที่สามมีความไวสูงกว่า ซึ่งควรให้ความสนใจในระหว่างการพัฒนาระบบออปโตเมคานิกส์ ส่วนความคลาดเคลื่อนที่ไม่ได้ระบุไว้ที่เหลือเป็นค่าทั่วไปมากกว่า

3.2 การวิเคราะห์ความสามารถในการปรับตัวต่ออุณหภูมิ

หากไม่มีการควบคุมอุณหภูมิ อุณหภูมิแวดล้อมในการทำงานของชุดอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์บนโดรนจะอยู่ที่ประมาณ –40 ถึง 60 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงต้นทุนและปริมาณทรัพยากรที่จัดสรรให้กับระบบออปติคอลโดยชุดอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แล้ว แผนการออกแบบด้านความร้อนจึงเป็นการควบคุมอุณหภูมิเบื้องต้นร่วมกับการออกแบบออปติคอลแบบปรับได้ภายในช่วงอุณหภูมิที่จำกัด กล่าวคือ อุณหภูมิในชุดอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทรอนิกส์จะถูกควบคุมให้อยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 องศาเซลเซียสผ่านการควบคุมอุณหภูมิเบื้องต้น (ความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวรัศมีน้อยกว่า 2 องศาเซลเซียส และความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวแกนน้อยกว่า 5 องศาเซลเซียส)

ในช่วงอุณหภูมินี้ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของพื้นผิวภาพของอุปกรณ์จำเป็นต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความละเอียดเชิงพื้นที่โดยไม่ต้องโฟกัส ด้วยวิธีนี้ การควบคุมอุณหภูมิเบื้องต้นจึงทำได้ง่ายกว่า ซึ่งไม่เพียงแต่ลดภาระให้กับระบบออปติคอลเท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุน และประสิทธิภาพของระบบสามารถตอบสนองความต้องการในการขอยืมได้

ชุดเลนส์ปรับแก้สามารถระบายความร้อนที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิการทำงานข้างต้น ผ่านการเลือกใช้วัสดุและการกระจายกำลังแสง และมีลักษณะโครงสร้างที่เรียบง่าย น้ำหนักและปริมาตรน้อย

วัสดุเชิงกลและระบบแสงหลักของระบบทำจากอะลูมิเนียม ชุดเลนส์ปรับแก้ใช้เลนส์สี่ชิ้นที่ทำจากเจอร์มาเนียม ซิงค์ซีลีไนด์ เจอร์มาเนียม และเจอร์มาเนียม และโครงสร้างกระบอกเลนส์ทำจากอะลูมิเนียม หลักการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมของกล้องคือการใช้การควบคุมอุณหภูมิหลักและการออกแบบการปรับตัวทางแสงภายในช่วงอุณหภูมิที่จำกัด โดยจัดสรรทรัพยากรปริมาตรจากชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้กับระบบแสง และควบคุมอุณหภูมิในชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้อยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 °C ผ่านการควบคุมอุณหภูมิหลัก

ส่วนประกอบกระจกและโครงสร้างกล้องของระบบหลักทำจากอะลูมิเนียมทั้งหมด และน้ำหนักของกล้องคือ 1.8 กก. (รวมตัวตรวจจับ) ตั้งอุณหภูมิอ้างอิงไว้ที่ 20 °C ความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวรัศมีคือ 2 °C และความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวแกนคือ 5 °C ฟังก์ชันการถ่ายโอนเชิงแสงทั้งหมดมีค่ามากกว่า 0.3 ที่ความถี่ Nyquist ดังแสดงในรูปที่ 6(a) นอกจากนี้ ฟังก์ชันการถ่ายโอนที่สอดคล้องกับจุดอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองด้านของการจำลองซอฟต์แวร์ที่ 15 °C และ 25 °C มีค่ามากกว่า 0.33 ดังแสดงในรูปที่ 6(b) และ (c)

รูปที่ 5 แบบจำลองการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด

  รูปที่ 6 การจำลองฟังก์ชันถ่ายโอน

4. การตรวจสอบกระบวนการ การประกอบ และการทดลองถ่ายภาพ

4.1 การตรวจสอบด้วยกระบวนการทางแสง

กระจกในระบบหลักและเลนส์ในกลุ่มกระจกแก้ไขนั้นถูกประมวลผลด้วยเทคโนโลยีการกลึงเพชรแบบจุดเดียว (SPDT) [12−14] กระจกหลักและกระจกรองในระบบเลนส์หลักทำจากอะลูมิเนียมออปติก T6061 ดังแสดงในรูปที่ 7

หลังจากกลึงและขัดเงาแล้ว ความแม่นยำของรูปทรงพื้นผิวได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งดีกว่า λ/20@632.8nm เลนส์ทั้งหมดเป็นพื้นผิวทรงกลมหรือแอสเฟริคัลที่มีสมมาตรแบบหมุนได้ ชิ้นงานกระจกทำจากเจอร์มาเนียมหรือซิงค์ซีลีไนด์ วัสดุอินฟราเรดที่มีรูรับแสงขนาดเล็กนั้นง่ายต่อการประมวลผล และความแม่นยำของรูปทรงพื้นผิวดีกว่า 1/20λ@632.8nm

รูปที่ 7 กระจกหลักและกระจกรอง

มีการเลือกจุด 9 จุดบนระนาบโฮโลแกรม และคำนวณ MTF ตามสูตร (7) ตามค่า DN ของภาพเป้าหมาย ฟังก์ชันการถ่ายโอนของตัวตรวจจับคำนวณที่ 0.6 และเมื่อพิจารณาว่าช่องแคบกว้างขึ้นเล็กน้อย MTF ทางแสงของระบบสามารถเข้าถึง 85% ของค่าที่ออกแบบไว้ ซึ่งอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้

4.3 การทดลองถ่ายภาพภายนอก

สถานที่ทดลองการถ่ายภาพเพื่อระบุตำแหน่งระบบอยู่บนชั้น 9 ของอาคาร และเวลาทดลองคือช่วงเย็นในฤดูหนาว แผนภาพการถ่ายภาพระบบแสดงในรูปที่ 10 จุด a ในภาพคืออาคารที่พักอาศัยที่อยู่ห่างออกไป 2 กิโลเมตร มีขอบเขตที่ชัดเจนและรายละเอียดที่แม่นยำ จุด b คือท่อของอาคารที่พักอาศัยที่อยู่ห่างออกไป 1 กิโลเมตร มีมาตราส่วนประมาณ 0.1 เมตร ซึ่งสามารถแยกแยะได้อย่างชัดเจน จุดสีดำที่ c ในมุมล่างซ้ายของภาพคือหน่วยภายนอกของเครื่องปรับอากาศในฤดูหนาว และส่วนสีดำในมุมบนขวาคือท้องฟ้า

      รูปที่ 10 ภาพฉาก

5. บทสรุป

เพื่อตอบสนองความต้องการการตรวจจับอินฟราเรดของอุปกรณ์ตรวจจับแสงขนาดเล็กที่ติดตั้งบนโดรน จึงได้มีการออกแบบและพัฒนาระบบถ่ายภาพด้วยแสงอินฟราเรดคลื่นยาวสำหรับการใช้งานตรวจจับความเย็น โครงสร้างแบบพับนิวตันเข้ามาแทนที่โครงสร้างแบบคาสเซ็ตที่ใช้กันทั่วไป และการปรับปรุงคุณภาพของภาพในมุมมองที่กว้างขึ้นนั้นทำได้โดยการลดความซับซ้อนของโครงสร้างกล้องโทรทรรศน์หลักและเพิ่มพื้นผิวแอสเฟริคัลเข้าไปในกลุ่มกระจกปรับแก้

ระบบหลักใช้การออกแบบโครงสร้างเชิงกลและแสงแบบอะลูมิเนียมทั้งหมด และส่วนประกอบทางแสงของระบบทั้งหมดได้รับการประมวลผลด้วยเทคโนโลยีการกลึงเพชรแบบจุดเดียว ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการประมวลผล การประกอบ และการพัฒนา รวมถึงต้นทุนการพัฒนา การออกแบบเอฟเฟกต์หน้าจอเย็น 100% ทำได้ผ่านการถ่ายภาพทุติยภูมิ ซึ่งช่วยลดพื้นหลังความร้อนของอินฟราเรด ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงความไวของระบบ ระบบแสงมีลักษณะเฉพาะคือขนาดเล็ก โครงสร้างกะทัดรัด และคุณภาพของภาพที่ยอดเยี่ยม

ผลการติดตั้งและการทดสอบการใช้งานขั้นสุดท้ายของระบบแสดงให้เห็นว่าคุณภาพของภาพเป็นไปตามความคาดหวังในการออกแบบและตรงตามข้อกำหนดของตัวชี้วัดทางเทคนิคของโครงการ เอกสารฉบับนี้มีนัยสำคัญในการอ้างอิงสำหรับการออกแบบและพัฒนาระบบออปติคอลอินฟราเรดขนาดกะทัดรัดสำหรับการตรวจจับอินฟราเรด ซึ่งคล้ายกับพอดออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ติดตั้งบนโดรน

เราเป็นผู้ผลิตชิ้นส่วนออปโตอิเล็กโทรเมคานิกส์ที่มีประสบการณ์ มุ่งมั่นที่จะจัดหาเลนส์ถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดคุณภาพสูงหลากหลายชนิดให้แก่ผู้ใช้ เราให้ความสำคัญกับความต้องการของลูกค้าเป็นอันดับแรกและควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์อย่างครอบคลุม ด้วยเหตุนี้ เราจึงมีระบบตรวจสอบคุณภาพที่เข้มงวดเพื่อควบคุมการออกแบบ การผลิต และการส่งออกผลิตภัณฑ์ หากคุณสนใจเลนส์ถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดของเรา โปรดติดต่อเราได้ทันที!

ผู้เขียน: Hao Siyuan, Xie Jianan, Wen Maoxing, Wang Yueming, Yuan Liyin

วันที่รับต้นฉบับ: 17 มกราคม 2020; วันที่แก้ไข: 8 กุมภาพันธ์ 2020

แหล่งที่มาของวารสาร: Vol.49 No.9 Infrared and Laser Engineering กันยายน 2020

เอกสารอ้างอิง:

[1] Cao Yinqi, Qi Yuan, Cheng Gang และคณะ การพัฒนาและเทคโนโลยีหลักของพอดโฟโตอิเล็กทริกขนาดเล็กสำหรับโดรนทางทหาร [J]. ขีปนาวุธอากาศยาน, 2019(3): 54-59. (ภาษาจีน)

[2] Zhou Feng, Liu Jianhui, Guo Jun และคณะ การวิเคราะห์การพัฒนาของระบบเตือนภัยล่วงหน้าอินฟราเรดทางอากาศของต่างประเทศ [J]. เลเซอร์และอินฟราเรด, 2017, 47(4): 399-403. (ภาษาจีน)

[3] Li Lei, Xu Yue, Jiang Qi และคณะ ภาพรวมของอุปกรณ์และเทคโนโลยีการพัฒนาโดรนทางทหารของต่างประเทศในปี 2018 [J]. เทคโนโลยีขีปนาวุธทางยุทธวิธี, 2019(2): 1-11. (ภาษาจีน)

[4] Gao Sifeng, Wu Ping, He Manali และคณะ การประมาณระยะการทำงานของระบบอินฟราเรดภายใต้สภาวะบรรยากาศที่ซับซ้อน [J]. วิศวกรรมอินฟราเรดและเลเซอร์, 2008, 37(6): 941-944. (ภาษาจีน)

[5] Shi Guanghui. การใช้เลนส์เกาส์เซียนและทฤษฎีความคลาดเคลื่อนลำดับที่สามเพื่อหาคำตอบเริ่มต้นของเลนส์ซูม [J]. ทัศนศาสตร์จีน, 2018, 11(6): 1047-1060. (ภาษาจีน)

[6] Chen Li, Liu Li, Zhao Zhicheng และคณะ. การออกแบบระบบออปติคอลของกระจกสี่บานแบบแกนร่วมที่มีความยาวโฟกัสยาว [J]. วิศวกรรมอินฟราเรดและเลเซอร์, 2019, 48(1): 0118002. (ภาษาจีน)

[7] Bai Yu, Liao Zhiyuan, Li Hua และคณะ. การออกแบบและการวิเคราะห์ระบบการถ่ายภาพแบบไม่ใช้ความร้อนสำหรับการตรวจจับอินฟราเรดคลื่นกลางแบบสะท้อนแสงพับ [J]. วิศวกรรมอินฟราเรดและเลเซอร์, 2015, 44(2): 407-412. (เป็นภาษาจีน)

[8] Jiang Kai, Zhou Sizhong, Li Gang และคณะ การออกแบบระบบซูมมุมมองคู่อินฟราเรดคลื่นกลางแบบพับได้ที่ปราศจากความร้อน [J]. วิศวกรรมอินฟราเรดและเลเซอร์, 2013, 42(2): 403-407. (เป็นภาษาจีน)

[9] Xiao Guanghui, Hao Peiming การออกแบบระบบออปติกของนิวตันที่ไม่มีแผ่นแก้ไขกำลัง [J]. ทัศนศาสตร์ประยุกต์, 2008, 29(5): 753-757. (เป็นภาษาจีน)

[10] Mu Yongji, Mao Yijiang, Hu Mingyong การออกแบบกลุ่มกระจกแก้ไขความคลาดเคลื่อนของกระจกพาราโบลาแบบนอกแกน [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(6): 227-232. (เป็นภาษาจีน)