Las características de diseño de las lentes ópticas infrarrojas con súper campo de visión

La lente óptica infrarroja de súper campo de visión se utiliza principalmente en el ejército para advertir e indicar misiles entrantes u objetivos de amenaza por infrarrojos. Se puede desplegar en plataformas de equipos de armas (como plataformas aéreas, montadas en vehículos y en barcos) al mismo tiempo para obtener el panorama. Puede ver una alarma de 360° y poseer conciencia situacional omnidireccional. Es un importante producto optoelectrónico militar.

La lente óptica infrarroja de campo de visión ultragrande tiene algunas características de la lente gran angular y la lente óptica infrarroja, pero al mismo tiempo, es diferente de la lente óptica infrarroja ordinaria, específicamente en los siguientes aspectos.

Cuando el campo de visión del sistema óptico supera los 60°, cuando se adopta el modo de imagen ideal, la altura de la imagen aumentará bruscamente con el aumento del campo de visión. Para un detector con un tamaño de imagen limitado, se debe introducir una gran cantidad de distorsión negativa para obtener suficiente campo de visión.

La iluminancia del plano de imagen del sistema es proporcional a la cuarta potencia del coseno del ángulo de luz incidente.

Debido al campo de visión relativamente grande del sistema óptico. Por ejemplo, cuando la mitad del ángulo del campo de visión es de 65°, la iluminancia del borde es solo aproximadamente el 40% de la iluminancia central. Por lo tanto, en el diseño óptico, se debe introducir un gran viñeteado negativo en el campo de visión del borde para aumentar el flujo luminoso y mejorar la iluminancia.

Al igual que otras lentes ópticas infrarrojas militares, debe cumplir con el amplio rango de temperatura militar (generalmente un rango de temperatura típico es -55 ~ 70 ℃) de excelente calidad de imagen.

Cuando se utiliza para advertir el misil entrante, en comparación con la lente óptica infrarroja convencional, la lente óptica infrarroja con un súper campo de visión se centra principalmente en la precisión de la indicación y el alcance del objetivo. Esto se refleja en la uniformidad de la resolución angular de un solo píxel y la convergencia de energía de un solo píxel.

En los últimos años, muchos académicos nacionales y extranjeros han realizado investigaciones sobre lentes ópticas infrarrojas de súper campo de visión, y el contenido de la investigación se concentra principalmente en la parte de lentes ópticas.

Entre ellos, el área del detector utilizada en la lente óptica es pequeña; hay muchos elementos ópticos; la longitud de la lente es mayor; las piezas estructurales ópticas y mecánicas están realizadas con una aleación de titanio con un coeficiente de expansión térmica pequeño, pero de alta densidad, baja conductividad térmica y mala trabajabilidad; no tiene calor. Los medios técnicos de diseño atérmico se realizan mediante difracción por refracción.

En este artículo, a partir de los requisitos de la aplicación, se analizan las características de diseño de la lente óptica infrarroja de supercampo de visión.

El detector utilizado en el sistema óptico es un detector infrarrojo refrigerado de onda media de matriz de área grande de 1 024 × 1 024 @ 15 μm, que utiliza sólo 4 lentes y no contiene una superficie difractiva para realizar un diseño atérmico pasivo óptico. El material de la estructura optomecánica es aleación de aluminio, la estructura de la lente es compacta, la longitud total es inferior a 69 mm y el campo de visión óptico alcanza los 116°.

En combinación con los requisitos reales de las aplicaciones de ingeniería, las características de diseño de la lente óptica infrarroja de supercampo de visión se analizan en términos de modo de proyección, configuración óptica, iluminancia de la superficie de la imagen, campo de visión, termalización y modo de evaluación.

Para obtener imágenes de objetos en el infinito, una lente óptica ideal con una distorsión de imagen de 0 tiene una altura de imagen y un campo de visión de acuerdo con la siguiente fórmula, a saber:

h = f tanθ (1)

Donde: f es la distancia focal del lado del objeto; θ es el ángulo de medio campo del lado del objeto.

Se puede ver en la fórmula (1) que cuando el ángulo de medio campo es grande, la altura de la imagen aumentará drásticamente. Por lo tanto, la lente óptica de campo de visión súper grande debe introducir una cierta cantidad de distorsión negativa para poder diseñar un campo de visión de imagen suficiente en un tamaño de imagen limitado.

El diseño de la lente de súper campo de visión adopta el principio de imagen "no similar", y el área del objeto que la lente óptica ideal no puede imaginar se deforma y comprime al introducir una distorsión negativa en la imagen. La altura de la imagen y el campo de visión generalmente se ajustan a los siguientes métodos de proyección:

h = 2 f tan(θ/2) (2)

h = 2 f sen(θ/2) (3)

h = f senθ (4)

h = f θ (5)

Tomando la derivación en ambos lados de las fórmulas (2) ~ (5) respectivamente, la relación entre la resolución angular y el campo de visión se obtiene de la siguiente manera:

dh/dθ = f / cos (θ/2)2 (6)

dh/dθ = f cos(θ/2) (7)

dh/dθ = f cos(θ) (8)

dh/dθ = f (9)

La relación entre la altura de la imagen y el campo de visión correspondiente a diferentes métodos de proyección se muestra en la Figura 1 (a), y la relación entre la resolución angular y el ángulo de campo correspondiente a diferentes métodos de proyección se muestra en la Figura 1 (b).

En el uso real de la lente óptica infrarroja de súper campo de visión, el objetivo infrarrojo suele ser un objetivo puntual después de haber sido fotografiado por el sistema óptico. En comparación con la información de las características geométricas del objetivo, el sistema se preocupa más por la información de su posición angular para obtener una mayor precisión de indicación de la posición angular.

Se puede ver en la figura que con el método de proyección h = f θ, la altura de la imagen es proporcional al campo de visión, la resolución angular de un solo píxel no cambia con el campo de visión y el campo de visión general es consistente. . Por lo tanto, la lente óptica infrarroja de súper campo de visión militar debe elegir el método de proyección h = f θ.

Fig.2 Configuración óptica

(1) El campo de visión fuera del eje tiene un cierto viñeteado negativo, lo que puede hacer que el área de la sección transversal del haz oblicuo sea mucho mayor que el área de la sección transversal del haz de luz axial. La uniformidad de la iluminancia general es mejor.

(2) Tiene una lente de gran longitud, lo que favorece el diseño y la instalación estructurales.

Además, los sistemas ópticos infrarrojos militares generalmente utilizan detectores refrigerados, que tienen una mayor sensibilidad que los detectores no refrigerados. El detector enfriado tiene un diafragma (también llamado diafragma frío) en el extremo frontal del detector. Para evitar la radiación perdida, es necesario asegurarse de que la pupila de salida del sistema óptico coincida con el diafragma frío del detector (que generalmente se denomina eficiencia de apertura en frío del 100%), como se muestra en la Figura 2(b).

El ángulo de incidencia de la luz incidente desde el campo de visión del borde y el campo de visión central de la lente óptica infrarroja del súper campo de visión es bastante diferente, como se muestra en la Figura 3 (a); Los ángulos de incidencia de los haces en el campo y el campo de visión central también son bastante diferentes, como se muestra en la Figura 3(b), los cuales conducirán a una iluminación desigual en la superficie de la imagen.

(a) Ruta óptica de entrada (b) Ruta óptica de recepción del detector

 

Fig.3 Factores que influyen en la iluminación de la imagen.

En la actualidad, existen tres métodos de diseño atérmico comúnmente utilizados: mecánico pasivo, electrónico activo y óptico pasivo. La lente óptica infrarroja de súper campo de visión es más adecuada para la realización de atermalización pasiva. El análisis es el siguiente:

(1) Dado que las plataformas de combate suelen tener restricciones estrictas en cuanto al peso y volumen de las lentes ópticas, se deben considerar materiales livianos tanto como sea posible para las piezas estructurales, por lo que los pasivos mecánicos generalmente no se consideran.

(2) La tecnología electrónica de atermalización activa, que enfoca moviendo la lente o el grupo de lentes, hará que la distancia focal del sistema óptico cambie durante el proceso de enfoque, y luego el campo de visión cambiará en consecuencia y, en última instancia, afectará la precisión de la alarma.

(3) La tecnología de atermalización pasiva óptica se refiere al uso de diferentes características de aberración térmica y cromática entre materiales ópticos y las características de expansión térmica de los materiales estructurales, mediante la distribución razonable de la potencia óptica, el espaciado de elementos y la selección de materiales estructurales, de modo que el El sistema está en el rango de temperatura requerido. En el interior, su desenfoque térmico es aproximadamente cero.

Aunque es difícil implementar la tecnología de atermalización óptica pasiva, el efecto de atermalización es bueno y la confiabilidad es alta.

Para lentes ópticas infrarrojas con un gran campo de visión, un diseño razonable del campo de visión puede reducir significativamente la dificultad del diseño óptico, lo que tiene un impacto importante en la mejora de la calidad de la imagen y la simplificación de la estructura del sistema óptico.

Las plataformas de equipos de armas generalmente tienen que desplegar múltiples lentes ópticas infrarrojas de campo de visión súper grande para monitorear el espacio aéreo de 360° en tiempo real. Para evitar puntos ciegos en el empalme del campo de visión y reducir la tasa de superposición del campo de visión, el campo de visión de un solo sistema óptico debe seleccionarse razonablemente.

La Figura 4 muestra un diseño del campo de visión, en el que el área del campo de visión que debe cubrir una única lente óptica es de 94°×94°, la tasa de superposición del campo de visión entre lentes adyacentes es de 4° y la esférica de 4π El espacio se combina con 6 lentes ópticas para lograr una cobertura total.

Fig.4 Disposición de campo de la lente óptica.

Al igual que los sistemas ópticos infrarrojos militares ordinarios, los métodos de evaluación de los sistemas ópticos infrarrojos con campo de visión supergrande deben incluir la función de transferencia óptica (MTF), el patrón de puntos (RMS), el rendimiento a altas y bajas temperaturas (diseño atérmico), etc. Además, existen requisitos especiales para la resolución angular y la concentración de energía del sistema óptico.

En el uso real del sistema óptico infrarrojo de súper campo de visión, el objetivo infrarrojo suele ser un objetivo puntual después de haber sido fotografiado por el sistema óptico. En comparación con la información de las características geométricas del objetivo, el sistema se preocupa más por la información de su posición angular para obtener una mayor precisión de la indicación de advertencia. El método de evaluación del desempeño en el diseño se refleja en la distorsión del sistema y la uniformidad de la resolución angular en todo el campo de visión.

La situación general del diseño óptico es que el rendimiento del campo de visión en el eje suele ser mejor que el del campo de visión del borde, lo que puede reflejarse bien en el MTF.

Por ejemplo, una lente infrarroja de onda media tiene un número F de 2, una distancia focal de 50 mm y un campo de 6°, a 33 lp/mm, el campo de visión medido en el eje MTF es 0,6 y el campo de visión marginal es 0,4, lo que significa que a esta frecuencia espacial (generalmente la frecuencia característica determinada por el tamaño de píxel del detector). El campo de visión completo significa que la resolución de las características geométricas del objetivo es mejor, y la resolución del campo de visión en el eje hacia el objetivo es mejor que la del campo de visión del borde.

En cuanto al sistema óptico infrarrojo de súper campo de visión, en el uso real, los objetivos son en su mayoría objetivos puntiagudos (o objetivos de área pequeña) después de haber sido fotografiados por el sistema óptico. La resolución de los detalles de las características geométricas del objetivo no es importante y el sistema está más preocupado. Es la distancia a la que se puede detectar el objetivo.

Por lo general, no se permite que la distancia de detección del objetivo en el campo de visión del borde y el campo de visión en el eje tengan una gran diferencia. Esto se refleja en el método de evaluación del diseño óptico: la concentración de energía de un solo píxel, y el diseño óptico debe tener en cuenta la coherencia de la concentración de energía de los campos de visión en el eje y en el borde.

En este artículo, en combinación con aplicaciones de ingeniería reales, se analizan las características de diseño del sistema óptico infrarrojo de súper campo de visión en términos de modo de proyección, configuración óptica, iluminancia de la superficie de la imagen, análisis del campo de visión, atermalización, método de evaluación, etc. para que todos puedan comprender mejor las características y ventajas de la lente óptica infrarroja de súper campo de visión. Si desea saber más sobre las lentes ópticas infrarrojas después de leer lo anterior, Quanhom se complace en brindarle sugerencias y soluciones profesionales.

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