¿Cómo implementa el sistema óptico infrarrojo la tecnología de atermalización?

Los sistemas ópticos infrarrojos suelen funcionar en entornos con un rango de temperatura relativamente amplio. El coeficiente de expansión térmica de los materiales ópticos y mecánicos y el cambio en el índice de refracción de los materiales ópticos con la temperatura afectarán seriamente el rendimiento del sistema óptico.

En comparación con los materiales ópticos en la banda de luz visible, el índice de refracción de la mayoría de los materiales ópticos infrarrojos cambia con el gradiente de temperatura dn/dt relativamente grande, por lo que el efecto térmico del sistema óptico infrarrojo es más obvio.

Para obtener una calidad de imagen satisfactoria, podemos utilizar métodos mecánicos (electromecánicos) o métodos ópticos para lograr la atermalización del sistema. Por ejemplo, utilice un sistema servo manual o de circuito cerrado para ajustar la distancia entre las piezas ópticas para realizar el reenfoque de el sistema bajo el nuevo entorno de temperatura. O seleccionando materiales ópticos apropiados y distribuyendo racionalmente la potencia óptica de cada componente óptico para lograr la atermalización óptica. El siguiente es el método específico del sistema óptico infrarrojo para lograr la tecnología de atermalización.

Método óptico (tecnología de atermalización óptica)

El punto de partida básico de la tecnología de atermalización óptica es utilizar las características de temperatura de diferentes materiales ópticos, como el coeficiente de expansión lineal, el gradiente de temperatura del índice de refracción, etc.

Mientras se cumplen los requisitos de calidad de imagen del sistema, se seleccionan adecuadamente los materiales y se distribuye razonablemente la potencia óptica de cada lente, de modo que la cantidad de desenfoque de todo el sistema óptico sea consistente con la expansión térmica del cilindro de la lente y el diseño de atermalización óptica pertenezca a Compensación pasiva de temperatura.

Para obtener un sistema óptico que no solo elimine la aberración cromática, sino que también la elimine, se deben cumplir las siguientes tres condiciones: potencia óptica, aberración acromática y disipación de calor. El sistema óptico necesita aportar al menos tres potencias ópticas para conseguir la eliminación simultánea de las aberraciones térmicas y cromáticas.

Se presta especial atención al hecho de que el sistema óptico aporte al menos tres potencias ópticas. Esto no significa que el sistema óptico necesite al menos tres lentes. Por ejemplo, se puede utilizar una superficie difractiva en el sistema para aportar potencia óptica, reduciendo así el número de lentes.

En el proceso de diseño atérmico del sistema óptico infrarrojo, se debe prestar atención a las siguientes cuestiones.

(1) Con el cambio de temperatura, la relación de compensación de aberración original se destruye y la mejor posición de enfoque del sistema puede cambiar de forma no lineal con el cambio de temperatura.

(2) Para el sistema de reflexión, si el material del espejo es el mismo que el material del cilindro de la lente (o el material tiene el mismo coeficiente de expansión térmica), cuando la temperatura cambia, el sistema solo acercará o alejará el zoom para En cierta medida, la temperatura afectará el rendimiento del sistema. No es grande, en principio, no se requiere un diseño de disipación de calor.

(3) Dado que el cilindro de lente mecánico para instalar la lente es complejo en la mayoría de los casos, la forma de expansión (o contracción) del cilindro de lente con diferentes estructuras no es necesariamente la misma cuando cambia la temperatura. Con base en la ecuación de calentamiento, se realiza un análisis específico de acuerdo con los problemas específicos de las diferentes estructuras del cilindro de la lente para garantizar un buen efecto de disipación de calor.

En vista de los factores inciertos mencionados anteriormente, los sistemas ópticos diseñados basándose en tecnología de atermalización óptica también deberían estar equipados con enlaces de ajuste para garantizar la viabilidad y seguridad del diseño.

Método de compensación de temperatura mecánico (electromecánico)

La compensación de temperatura mecánica (electromecánica) se puede dividir en compensación activa y compensación pasiva. La compensación activa utiliza métodos manuales, mecánicos o electromecánicos para ajustar el mecanismo de compensación. La compensación pasiva utiliza medios mecánicos, electrónicos y de otro tipo para lograr el reenfoque automático de la superficie de la imagen.

Compensación activa de temperatura mecánica (electromecánica)

A partir de la teoría básica de la óptica, sabemos que cuando se cambia la posición axial de una lente (o grupo de lentes) en el sistema óptico, la posición del plano focal del sistema cambiará en consecuencia. La compensación activa de temperatura utiliza este principio para reproducir el sistema. El método de enfoque y ajuste puede ser manual o eléctrico.

Para mejorar la sensibilidad del ajuste y mantener la estabilidad del eje óptico, este método de compensación de temperatura generalmente requiere un mecanismo de transmisión mecánico preciso. Al mismo tiempo, se debe investigar la carrera requerida de la lente de compensación de temperatura y se debe seleccionar la lente más sensible afectada por la superficie de enfoque como elemento de compensación de temperatura.

La estructura de transmisión mecánica básica de este método de compensación es básicamente la misma que la del mecanismo de enfoque del sistema óptico. El método es simple en principio y fácil de implementar, pero aumenta el peso del instrumento óptico y al mismo tiempo provoca fácilmente errores de puntería.

Compensación pasiva de temperatura mecánica (electromecánica)

El principio de la compensación de temperatura pasiva mecánica (electromecánica) es básicamente el mismo que el de la compensación de temperatura activa, excepto que la forma de cambiar el grupo de lentes ha cambiado. Utiliza ciertos materiales o mecanismos con funciones especiales para realizar el ajuste automático.

(1) Compensación mecánica pasiva de temperatura

La compensación mecánica pasiva de temperatura utiliza dos materiales con diferentes coeficientes de expansión como el cilindro interior del cilindro de la lente. Cuando la temperatura ambiente cambia, la expansión o contracción del cilindro interior hace que la lente de compensación se mueva axialmente para lograr la estabilidad del plano focal. Este método de compensación requiere una selección razonable de materiales con coeficientes de expansión, longitudes y coincidencia adecuados con el sistema óptico.

(2) Compensación de temperatura pasiva electromecánica

Un método electromecánico de compensación pasiva de temperatura. En este método, después de que el sensor de temperatura mide la temperatura ambiente, transmite la señal al controlador. El controlador obtiene la cantidad de movimiento requerida de la base de datos de acuerdo con el valor de temperatura y acciona el motor para completar la compensación de temperatura. Los datos de la base de datos deben calibrarse rigurosamente de antemano. La compensación pasiva de temperatura mecánica (electromecánica) también provocará errores de orientación adicionales.

Lo anterior habla específicamente sobre el método de compensación de temperatura del sistema óptico infrarrojo, pero el sistema óptico real no puede lograr una compensación de temperatura estricta, es decir, en un cierto rango de temperatura, la superficie de la imagen del sistema no puede ser consistente con el cambio de la lente. Barril con estructura compleja, que requiere una tolerancia de error para la compensación de temperatura.

En un sentido amplio, el desenfoque de la imagen provocado por la temperatura puede considerarse como una especie de aberración. De acuerdo con la ley de Rayleigh de la aberración del sistema óptico, el error de compensación de temperatura debe controlarse en su máxima aberración de onda inferior a 1/4 de longitud de onda.

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