โครงสร้างทางแสงอินฟราเรดแบบดั้งเดิมสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท:การหักเห,การสะท้อน,กับ แคตาไดออปทริก. โครงสร้างทางแสงอินฟราเรดแบบใหม่ที่ทันสมัยสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท: ระบบไฮบริดแบบหักเหและเลี้ยวเบน, ระบบกระจกสามบานแบบนอกแกน และระบบออปติคอลแบบสองมุมมอง (Dual-FOV)

1. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบดั้งเดิม—แบบหักเหแสง

ระบบเลนส์หักเหแสงสามารถประกอบด้วยเลนส์เดี่ยวหรือเลนส์หลายตัว โดยวัสดุที่ใช้ทำเลนส์ส่วนใหญ่ได้แก่ เจอร์มาเนียม ซิลิคอน ซิงค์ซีลีไนด์ และแก้วแคลโคเจนิก การใช้เทคนิคการสร้างภาพสามขั้นตอนในระบบหักเหแสงช่วยให้สามารถออกแบบระบบเลนส์ขนาดกะทัดรัดได้

ข้อดี: คุณภาพของภาพคงที่ แสงรบกวนต่ำ มุมมองภาพกว้าง

ข้อเสีย: รูรับแสงค่อนข้างเล็ก ช่วงการทำงานแคบ และความคลาดเคลื่อนของภาพ

การใช้งาน: เหมาะสำหรับระบบค้นหาและติดตามด้วยอินฟราเรดสำหรับการค้นหาแบบแพน-ทิลต์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ ป้อมปืนออปโตอิเล็กทรอนิกส์ พ็อดอินฟราเรด เครื่องค้นหาอินฟราเรด และระบบอื่นๆ

2. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบดั้งเดิม—แบบสะท้อนแสง

ระบบเลนส์สะท้อนแสงประกอบด้วยกระจกหลักและกระจกรอง กระจกรองเป็นกระจกนูน เรียกว่าระบบแคสเซเกรน ส่วนกระจกรองเป็นกระจกเว้า เรียกว่าระบบเกรกอเรียน เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบหักเหแสง ระบบเลนส์อินฟราเรดสะท้อนแสงต้องการองค์ประกอบทางแสงน้อยกว่า และใช้หลักการสะท้อนแสงของกระจกเพื่อพับเส้นทางของแสง

ข้อดี: ไม่มีคลาดเคลื่อนสี, จำนวนชิ้นส่วนน้อย, น้ำหนักเบา, ช่วงการทำงานกว้าง, ขจัดความแตกต่างของอุณหภูมิได้ง่าย ฯลฯ

ข้อเสีย: กระบวนการผลิตและการประกอบซับซ้อน, มุมมองภาพแคบ, ความสามารถในการแก้ไขคลาดเคลื่อนต่ำ, สามารถขจัดคลาดเคลื่อนได้เพียงสองอย่างพร้อมกันเท่านั้น (เช่น การขจัดคลาดเคลื่อนทรงกลมและคลาดเคลื่อนโคมาพร้อมกัน)

การใช้งาน: เครื่องวัดรังสี, กล้องถ่ายภาพอินฟราเรดแบบมองไปข้างหน้า, ไลดาร์, กล้องโทรทัศน์ขนาดใหญ่ และระบบนำทางขีปนาวุธ ฯลฯ

3. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบดั้งเดิม—แบบแคตาไดออปทริก

ระบบเลนส์แบบแคตาไดออปทริกนั้นใช้กระจกทรงกลมร่วมกับองค์ประกอบการหักเหของแสง เนื่องจากกระจกหลักและกระจกรองในระบบเลนส์แบบแคตาไดออปทริกแบ่งกำลังโฟกัสแสงส่วนใหญ่ร่วมกัน จึงเอื้อต่อการออกแบบที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ นอกจากนี้ เส้นทางแสงที่พับลงยังช่วยลดขนาดและมวลของเลนส์ ทำให้ความยาวของระบบสั้นกว่าความยาวโฟกัส

ข้อดี: โครงสร้างกะทัดรัด รูรับแสงค่อนข้างใหญ่ ระยะโฟกัสยาว คุณภาพของภาพดี เหมาะสำหรับการปรับอุณหภูมิสี ฯลฯ

ข้อเสีย: มีสิ่งกีดขวางตรงกลาง การตรวจสอบและการปรับแต่งซับซ้อน

การใช้งาน: สามารถใช้กับระบบออปติคอลอินฟราเรดที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่และระยะโฟกัสยาว เช่น การออกแบบป้องกันการรบกวนของระบบค้นหาเป้าหมายอินฟราเรด ระบบติดตามและระบุเป้าหมายรถถังด้วยออปติคอลอินฟราเรด เป็นต้น

4. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบใหม่ที่ทันสมัย—ระบบไฮบริดแบบหักเหและกระจายแสง

ระบบไฮบริดหักเห-เลี้ยวเบนเป็นระบบทางแสงที่ผสมผสานองค์ประกอบทางแสงแบบเลี้ยวเบนเข้ากับองค์ประกอบทางแสงแบบหักเห องค์ประกอบทางแสงแบบเลี้ยวเบน (DOE) ผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคการกัดเซาะระดับไมโคร-นาโนบนพื้นผิวเลนส์เพื่อกัดเซาะลวดลายทางแสงแบบไบนารี ทำให้เกิดการกระจายตัวแบบสองมิติของหน่วยเลี้ยวเบน ก่อให้เกิดเลนส์แบบเลี้ยวเบน-หักเหสองพื้นผิว

ข้อดี: ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา อิสระในการออกแบบสูง มีตัวแปรในการปรับแต่งมากมาย ขจัดความคลาดเคลื่อนจากความร้อนและสีได้ดี

การใช้งาน: ระบบเลนส์ซูมแบบสองย่านความถี่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถซูมในย่านความถี่ต่างๆ ได้ ทำให้มีความยืดหยุ่นและขอบเขตการใช้งานที่กว้างขึ้น และเหมาะสำหรับระบบการถ่ายภาพแบบสแกนและระบบอินฟราเรดแบบมองไปข้างหน้า (FLIR)

※โดยทั่วไปแล้ว DOE สามารถแบ่งออกเป็น การปรับรูปร่างลำแสง การแยกแสง แสงที่มีโครงสร้าง แสงหลายจุดโฟกัส และการสร้างลำแสงแบบพิเศษอื่นๆ

5. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบใหม่ที่ทันสมัย—ระบบกระจกสามบานแบบนอกแกน

การออกแบบระบบออปติกสามกระจกแบบนอกแกนนั้นอาศัยทฤษฎีออปติกแบบเกาส์เซียน การออกแบบเริ่มต้นด้วยระบบสามกระจกแบบแกนร่วม และทำให้ได้ระบบที่ปราศจากสิ่งกีดขวางตรงกลางโดยการวางตำแหน่งรูรับแสงหรือมุมมองภาพนอกแกน หรือการผสมผสานระหว่างทั้งสองอย่าง มีสองวิธีหลักในการแก้ปัญหาการบดบังตรงกลาง ได้แก่ การวางรูรับแสงบนกระจกตัวที่สองและเอียงมุมมองภาพเพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง ซึ่งรูรับแสงยังคงอยู่บนแกน หรือการวางรูรับแสงบนกระจกตัวแรก ซึ่งรูรับแสงจะอยู่นอกแกน

ข้อดี: ไม่มีอาการคลาดเคลื่อนของสี ไม่มีสเปกตรัมรอง ช่วงการทำงานกว้าง ง่ายต่อการปรับรูรับแสงให้ใหญ่ มุมมองภาพกว้าง ทนต่อความร้อนได้ดี โครงสร้างเรียบง่าย น้ำหนักเบา แก้ปัญหาการบดบังตรงกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีตัวแปรการปรับแต่งมากมาย ช่วยเพิ่มทั้งมุมมองภาพและคุณภาพของภาพ

การใช้งาน: การสำรวจอวกาศ การสำรวจระยะไกลจากพื้นดิน การบิน อวกาศ การให้แสงสว่าง การแสดงผล และสาขาอื่นๆ

6. ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบใหม่ที่ทันสมัย—ระบบมุมมองภาพคู่ (Dual-FOV system)

ระบบถ่ายภาพอินฟราเรดแบบสองมุมมองมีวิธีการออกแบบหลักสองวิธี ได้แก่ แบบสลับได้ (แบบสอดใส่ได้) และแบบเคลื่อนที่ตามแนวแกน

(1) ระบบออปติคอลแบบสลับได้ (แบบใส่ได้): ระบบ FOV ที่แตกต่างกันจะสลับกลุ่มเลนส์ซูมที่แตกต่างกันเพื่อเปลี่ยนความยาวโฟกัสของระบบออปติคอล ด้วยการใช้งานองค์ประกอบการเลี้ยวเบนที่เพิ่มมากขึ้น องค์ประกอบการเลี้ยวเบนสามารถนำมาใช้ในระบบออปติคอลแบบสอง FOV อินฟราเรดเพื่อลดความซับซ้อนของโครงสร้างระบบ ลดน้ำหนัก และทำให้ระบบโดยรวมกะทัดรัดยิ่งขึ้น ระบบซูมแบบสลับได้น้ำหนักเบามีการกำหนดค่าที่หลากหลาย รวมถึงส่วนประกอบแบบส่งผ่านแสง แบบสะท้อนแสงร่วมแกน และแบบสะท้อนแสงนอกแกน เพื่อตอบสนองความต้องการการซูมที่มีความแม่นยำสูงและความเร็วสูง จึงมีการใช้มอเตอร์หมุนความเร็วสูงและตัวจำกัดเชิงกลเพื่อให้สามารถใส่และถอดกลุ่มเลนส์ออปติคอลได้

ข้อดี: การสลับมุมมองภาพอย่างรวดเร็ว ความแม่นยำของแกนออปติคอลสูงขึ้น และการส่งผ่านแสงที่ดีขึ้น

ข้อเสีย: ขนาดด้านข้างที่ใหญ่ขึ้น ทำให้โครงสร้างโดยรวมไม่กะทัดรัด และความสม่ำเสมอของแกนออปติคอลต่ำลง

(2) ระบบออปติคอลแบบเคลื่อนที่ตามแกน: ระบบนี้เปลี่ยนระยะโฟกัสโดยการปรับระยะห่างตามแกนของกลุ่มเลนส์ เมื่อการเคลื่อนที่ของส่วนประกอบอยู่ในตำแหน่งเส้นทึบ ระบบจะอยู่ในโหมดมุมมองภาพกว้างที่มีระยะโฟกัสที่มีประสิทธิภาพสั้น ในทางกลับกัน เมื่ออยู่ในตำแหน่งเส้นประ ระบบจะอยู่ในโหมดมุมมองภาพแคบที่มีระยะโฟกัสที่มีประสิทธิภาพยาว

ข้อดี: ระบบออปติคอลขนาดกะทัดรัดและเรียบง่าย ความสม่ำเสมอของแกนออปติคอลที่เสถียร

ข้อเสีย: ภาพเบลอระหว่างการซูม การติดตามวัตถุอาจหลุดได้ง่าย

ระบบ Dual-FOV นั้นแท้จริงแล้วคือระบบซูมสองความเร็วที่มีการสลับมุมมองภาพอย่างรวดเร็ว ในตำแหน่งโฟกัสสั้น มุมมองภาพกว้างสามารถใช้ค้นหาเป้าหมายในฉากได้ ในตำแหน่งโฟกัสยาว มุมมองภาพแคบสามารถใช้จับภาพและสังเกตเป้าหมายได้

การใช้งาน: เหมาะสำหรับการเฝ้าระวังแบบสองย่านความถี่ ระบบอินฟราเรดแบบมองไปข้างหน้า (FLIR) การตรวจจับเป้าหมาย และการติดตาม ในการใช้งานจริง ระบบสองมุมมองแบบเคลื่อนที่ตามแกนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากคุณภาพของภาพที่ดีและความสามารถในการใช้งาน

ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบดั้งเดิมมีลักษณะร่วมกันคือโครงสร้างที่เรียบง่าย ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของระบบอินฟราเรด ทำให้เกิดความต้องการใหม่ๆ ที่สูงขึ้น เช่น รูรับแสงขนาดใหญ่ ทางยาวโฟกัสยาว ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง และการไม่ไวต่ออุณหภูมิ ซึ่งเผยให้เห็นข้อจำกัดของระบบแบบดั้งเดิม

ระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบใหม่ในปัจจุบันได้รวมเอาเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น เลนส์ไบนารี เลนส์ปรับได้ การใช้พื้นผิวแอสเฟริคัลหรือพื้นผิวเลี้ยวเบนอย่างเหมาะสม หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างระบบที่มีอยู่ การเลือกโครงสร้างระบบออปติคอลอินฟราเรดแบบใหม่ที่เหมาะสมตามข้อกำหนดทางเทคนิคที่แตกต่างกันในอนาคตจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

เอกสารอ้างอิง:

[1] Hilton S R. การพัฒนาแก้วแคลโคเจนิกเป็นวัสดุทางแสงสำหรับระบบอินฟราเรด[C]//Proceedings of SPIE, 2005,5786:258-261.

[2] Akram M N. การจำลองและการควบคุมปรากฏการณ์นาร์ซิสซัสโดยใช้การติดตามรังสีแบบไม่เรียงลำดับ Il. กล้องสแกนเส้นในช่วงคลื่น 7~11 [J]. Applied Optics, 2010,49(8):1185-1195.