تتبع البصريات تحت الحمراء نفس المبادئ الهندسية للبصريات المرئية، لكن القيود المادية تختلف جذريًا. الجرمانيوم، السيليكون، زجاج الكالكوجينيد، وزنك سيلينيد هي المواد الأساسية في البصريات تحت الحمراء — ولن تجد أيًا منها في متاجر الكاميرات العادية. فهم الجانب البصري لوحدة التصوير الحراري الخاصة بك أمر ضروري لاتخاذ قرارات مدروسة على مستوى النظام.
الطول البؤري وزاوية الرؤية اللحظية (IFOV)
زاوية الرؤية اللحظية (IFOV) هي الزاوية الصلبة التي يغطيها بكسل واحد من الكاشف. وهي وحدة الدقة الزاوية الأساسية في نظام التصوير الخاص بك:
IFOV (راديان) = حجم البكسل (ميكرومتر) / الطول البؤري (مم) × 10⁻³
لوحدة 640×512 مع حجم بكسل 12 ميكرومتر وعدسة بطول بؤري 25 مم:
IFOV = 12 × 10⁻⁶ / 0.025 = 0.48 ملي راديان
هذا يعني أن كل بكسل يغطي شريحة بزاوية 0.48 ملي راديان من المشهد. عند مسافة 1000 متر، يغطي بكسل واحد 0.48 مترًا. تحتاج إلى بكسلين على الأقل على الهدف للكشف الموثوق، لذا فإن مدى الكشف عن هدف طوله 1 متر:
R_detect = حجم الهدف / (IFOV × الحد الأدنى للبكسلات) = 1.0 / (0.00048 × 2) = 1041 متر
زاوية الرؤية الكلية
تعتمد زاوية الرؤية الأفقية والعمودية على كل من الطول البؤري وتنسيق المصفوفة:
HFOV = 2 × arctan(عرض الكاشف / (2 × الطول البؤري))
لكاشف 640×512 بحجم بكسل 12 ميكرومتر (7.68 مم × 6.14 مم) وعدسة بطول بؤري 25 مم:
HFOV = 2 × arctan(7.68 / 50) = 17.6°
VFOV = 2 × arctan(6.14 / 50) = 14.1°
تغطي زاوية الرؤية 17.6° × 14.1° مساحة أرضية تبلغ 307 م × 246 م على ارتفاع 1000 متر. للمراقبة واسعة النطاق، قد تحتاج إلى عدسات بطول بؤري 35 مم أو حتى 50 مم على كاشف 1280×1024 للحفاظ على الدقة مع تغطية مساحة أكبر.
التوازن بين رقم F وجمع الضوء
رقم F (أو فتحة العدسة) هو نسبة الطول البؤري إلى قطر فتحة العدسة:
F/# = الطول البؤري / قطر الفتحة
العدسة الأسرع (رقم F أقل) تجمع ضوءًا أكثر — وهو أمر حاسم في التصوير تحت الحمراء حيث تدفق الفوتونات هو الحد الأساسي للحساسية. ومع ذلك:
| رقم F | جمع الضوء | تحديات الانحرافات | التكلفة |
|---|---|---|---|
| F/1.0 | الأساس (الأقصى) | عالية | مرتفعة |
| F/1.2 | أقل بنسبة 44% | متوسطة | متوسطة |
| F/1.6 | أقل بنسبة 64% | منخفضة | منخفضة |
| F/2.0 | أقل بنسبة 75% | منخفضة جدًا | منخفضة جدًا |
في LWIR غير المبرد حيث يكون NETD محدودًا بالفعل، العدسات F/1.0 شائعة رغم تكلفتها. في MWIR المبرد حيث حساسية الكاشف ممتازة، غالبًا ما يكون F/2.0 أو F/4.0 مقبولًا، مما يسمح بتلسكوبات ذات فتحة أصغر وطول بؤري طويل.
مقاومة التغير الحراري: التحدي الخاص بالأشعة تحت الحمراء
التمدد الحراري يجعل جميع المواد البصرية تغير معامل الانكسار مع درجة الحرارة — dn/dT. في البصريات المرئية، هذا التأثير صغير بما يكفي ليُهمل في معظم التطبيقات. أما في البصريات تحت الحمراء، فهو التأثير السائد.
عدسة جرمانيوم LWIR غير مقاومة للتغير الحراري ستغير نقطة التركيز بعشرات الميكرومترات عبر نطاق حرارة 60 درجة مئوية. في نظام تركيز ثابت، يظهر هذا كصورة ضبابية عند درجات الحرارة القصوى.
ثلاث طرق لمقاومة التغير الحراري:
- التحكم النشط في التركيز: تركيز بمحرك يعوض التغيرات الحرارية — فعال لكنه يزيد التعقيد واستهلاك الطاقة
- المقاومة السلبية للتغير الحراري: تصميم برميل العدسة من مواد ذات معاملات تمدد حراري متكاملة (مثل برميل الألمنيوم + عدسة الجرمانيوم) — يتمدد البرميل مع تغير الطول البؤري للعدسة، مما يحافظ على التركيز تلقائيًا
- العناصر الحيودية: إضافة عنصر بصري حيودي (DOE) يوفر dn/dT سلبي يعادل dn/dT الإيجابي للعناصر الانكسارية
تدمج IRmodules عدسات مقاومة للتغير الحراري بشكل سلبي مع جميع وحدات سلسلة SPECTRA كمعيار. يتم ضبط تجميع العدسة والبرميل لنطاق درجة الحرارة التشغيلي المحدد (عادة من -40°C إلى +70°C) دون الحاجة إلى تحكم تركيز نشط.
اختيار الطول البؤري: مرجع سريع
| التطبيق | الطول البؤري النموذجي | التنسيق | زاوية الرؤية الأفقية التقريبية |
|---|---|---|---|
| مسح جوي واسع النطاق بالطائرات بدون طيار | 9–13 مم | 640×512 | 35–50° |
| ISR قياسي للطائرات بدون طيار | 19–25 مم | 640×512 | 17–23° |
| محطة أرضية متوسطة المدى | 50–75 مم | 640×512 | 6–9° |
| مراقبة طويلة المدى | 100–200 مم | 1280×1024 | 4–8° |
| منظار مركبة/سلاح | 35–50 مم | 640×512 | 9–13° |
الطول البؤري يحدد كل شيء لاحقًا: زاوية الرؤية، أداء المدى، حجم العدسة، والتكلفة. اتخاذ القرار الصحيح مبكرًا يجعل تكامل النظام البصري أسهل. الخطأ في هذا القرار يعني إعادة تصميم الهيكل في منتصف الإنتاج.
