Ejemplo de diseño de lentes ópticas infrarrojas con supercampo de visión

En lo anterior, hablamos principalmente sobre las características de diseño de la lente óptica infrarroja de súper campo de visión. Este artículo combinará estas características de diseño para brindar ejemplos de diseño específicos para que todos puedan sentir y analizar de manera más intuitiva el rendimiento de la lente óptica infrarroja de súper campo de visión.

A continuación se proporciona un ejemplo de diseño específico y los requisitos específicos son los siguientes:

1. Requisitos para el diseño del campo de visión.

(1) Rango de empalme del campo de visión: espacio aéreo esférico 4π

(2) Número de lentes ópticas: 6

(3) El campo de visión de una sola lente óptica es consistente

(4) La tasa de superposición del campo de visión de la lente adyacente no es inferior a 4°

2. detector

(1) Número de píxeles: 1 024 × 1 024

(2) Tamaño de píxel: 15 μm

(3) F/#: 2

3. Requisitos de diseño óptico.

(1) Longitud de onda: 3,7~4,95 μm

(2) Iluminación del campo de visión del borde≥90%

(3) No uniformidad de IFOV≤±5%

(4) MTF: ≥0,4(@33lp/mm)

(5) Convergencia energética: ≥60% (15 μm)

(6) Rango de temperatura atérmico: −55~70 ℃

(7) Longitud de la lente: ≤70 mm

De acuerdo con los requisitos del campo de visión, el campo de visión de diseño mínimo del sistema óptico se puede obtener mediante un cálculo numérico iterativo de 116°. En este momento, el campo de visión de imagen efectivo de cada lente óptica en el plano de imagen del detector se muestra en la Figura 5, y el campo de visión calculado se superpone. La tasa mínima es de 4 °, la máxima es de 12,7 ° y el píxel La tasa de utilización del detector es del 96,5%.

Fig.5 Vista del plano de diseño del campo de imagen real de la lente óptica

El detector de infrarrojos es del tipo refrigerante. Para lograr una eficiencia de apertura en frío del 100% y un gran campo de visión, el sistema óptico debe adoptar la configuración óptica que se muestra en la Figura 3; para garantizar que la falta de uniformidad de la resolución angular de cada píxel en el campo de visión completo sea ≤±5%, se adopta el método de proyección h = f θ; utiliza coma de diafragma para introducir una gran cantidad de viñeteado negativo fuera del eje para mejorar la iluminancia en el borde del campo de visión; Para cumplir con la excelente calidad de imagen del sistema óptico en el rango de −55～70 ℃, adopte un esquema de diseño óptico pasivo Atermalizado.

El diagrama de ruta óptica optimizado final se muestra en la Figura 6. El sistema utiliza sólo cuatro lentes para lograr un diseño Atermalizado sin superficies difractivas; estructura compacta, con una longitud total de lente de 69 mm; entre ellas, las piezas estructurales ópticas y mecánicas son mecanizables y ligeras. Teniendo en cuenta la adaptabilidad ambiental, se selecciona la aleación de aluminio 7075, con un coeficiente de expansión térmica de 23,6×10−6 /℃.

Fig.6 Diagrama del sistema óptico

Al introducir una gran cantidad de viñeteado negativo para mejorar la iluminancia del campo de visión del borde, el resultado final de la optimización se muestra en la Figura 7. La iluminancia del campo de visión del borde es el 90,3% del campo de visión central, lo que cumple con el Requerimientos de diseño.

Fig.7 Diagrama de iluminación de cada campo de visión.

El grado de convergencia de energía de un solo píxel (15 μm) del sistema óptico a 20, −55, 70 ℃ se muestra en la Figura 8. En la figura se puede ver que la concentración de energía de un solo píxel en todo el El campo de visión es uniforme dentro del rango de −55 a 70 ℃. Más del 75%.

El análisis de la distorsión del sistema óptico y la resolución angular se muestra en la Figura 9. La curva roja es la curva de distorsión f - θ y la curva verde es la curva de resolución angular. En la figura se puede ver que la desviación máxima de la resolución angular de cada píxel en el campo de visión completo (±58°) es del 2,5%.

Fig.8 Diagrama de energía del detector de cada campo de visión.

Fig.9 Distorsión y resolución angular de cada campo de visión.

En el software de diseño óptico CODEV, se utiliza la configuración de tolerancia predeterminada para el análisis y el resultado se muestra en la Figura 10. En la figura se puede ver que las tolerancias de cada campo de visión concuerdan bien. Con una alineación espacial de 33 ciclos/mm, existe una probabilidad del 97,7 % de que la MTF del campo de visión completo en la dirección sagital sea mejor que 0,42 y la MTF del campo de visión completo en la dirección del meridiano sea mejor que 0,4. .

Según experiencia, cumple con los requisitos de uso. En el software de simulación de luz parásita Tracepro, se establece el modelo de simulación de trayectoria óptica opuesta a la reflexión fría, como se muestra en la Figura 11 (a), y la Figura 11 (b) muestra la distribución de iluminancia recibida por la superficie de la imagen opuesta a la simulación de trayectoria óptica; La Figura 11 (c) muestra la distribución de diferencia de temperatura equivalente en la banda de trabajo de la superficie de la imagen. Normalmente, el NETD del sistema ronda los 25 mK.

(a) Dirección sagital

(b) Dirección tangencial

Fig.10 Análisis de tolerancia

(a) Modelado del análisis de Narciso

(b) Distribución de iluminación (c) Distribución NETD

Fig.11 Resultados de modelado y simulación del análisis de narcisos.

Se puede ver en la figura que la diferencia máxima de temperatura equivalente de la reflexión en frío es 17,3 mK, que es menor que el NETD del sistema, y la reflexión en frío cumple con los requisitos de uso.

La lente óptica infrarroja de súper campo de visión, cuyo campo de visión es generalmente superior a 90°, se utiliza principalmente en el ejército para advertir e indicar misiles entrantes u objetivos de amenaza por infrarrojos. Es un importante producto optoelectrónico militar. En comparación con la óptica infrarroja convencional, el súper campo de visiónlente óptica infrarroja tiene muchas características diferentes. Los ejemplos de diseño específicos se dan en el artículo, que tiene cierta importancia orientadora para el diseño de este tipo de sistema óptico.

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