Diseño de un sistema óptico plegado infrarrojo focal largo para un sistema multiguiado

En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología de detectores de infrarrojos, el tamaño de píxel del detector ha disminuido gradualmente y el tamaño del conjunto de áreas ha aumentado gradualmente. En la actualidad, en el diseño de un sistema óptico infrarrojo de longitud focal larga de onda media, debido al alto precio de los materiales infrarrojos de gran diámetro, a menudo se utilizan estructuras reflectantes, pero el campo de visión no se puede ampliar.

El sistema de imágenes infrarrojas plegadas puede combinar las ventajas de la transmisión y la reflexión y tiene una relación de teleobjetivo y un campo de visión mayores. Especialmente en el sistema de guía híbrido multimodo, se requiere que el sistema óptico tenga una relación de oscurecimiento baja y una estructura compacta para reducir la influencia en la detección de otros modos, y las ventajas de esta estructura son más obvias.

Generalmente, la temperatura ambiente de trabajo de un sistema de guía multimodo es de -50~70 ℃, y el índice de refracción del material infrarrojo se ve muy afectado por la temperatura, lo que reduce seriamente la calidad de la imagen.

Análisis de termalización actual para sistemas de infrarrojos. El elemento difractivo se utiliza principalmente para realizar aberraciones acromáticas y atérmicas mediante el uso de sus propiedades de dispersión especiales. Sin embargo, la eficiencia de difracción del elemento difractivo también es un problema a considerar, e introducirá luz parásita adicional al sistema. Además, los sistemas electromecánicos de compensación de foco activo también se utilizan habitualmente en el diseño atérmico de sistemas ópticos infrarrojos.

En vista del análisis anterior, en este artículo se diseña un sistema plegado de teleobjetivo infrarrojo adecuado para guía multimodo. El rango de longitud de onda es de 3,7 μm a 4,8 μm, el número F es 2, la eficiencia del diafragma frío es del 100 % y la diferencia de disipación de calor se logra entre -50 ~ 70 ℃, la calidad de la imagen está cerca del límite de difracción.

Para alcanzar la eficiencia del diafragma frío, el sistema de infrarrojos de onda media debe hacer coincidir la pupila de salida del sistema con el diafragma frío del detector. Si se utiliza la estructura del espejo RC, la apertura del espejo secundario será demasiado grande, lo que aumentará la relación de bloqueo del sistema. El sistema de reflexión de ondas infrarrojas generalmente se realiza mediante imágenes secundarias, como se muestra en la Figura 1. El grupo frontal adopta una estructura de doble reflexión RC y el grupo trasero adopta un sistema de imágenes de retransmisión con un cierto aumento.

Fig.1 Sistema de imágenes por retransmisión

La estructura inicial del sistema RC se puede obtener a partir del radio de curvatura R1 del espejo primario del sistema, la relación de bloqueo α y el aumento β del espejo secundario mediante la fórmula gaussiana:

Por lo tanto, después de determinar la distancia focal del espejo primario y la relación de bloqueo y aumento del espejo secundario, se puede determinar la estructura inicial del sistema RC.

El sistema de imágenes de retransmisión tiene un cierto aumento W, y el aumento se puede obtener utilizando la distancia focal f1 del sistema de reflexión del grupo frontal y la longitud focal total f del sistema:

El significado físico de cada variable en la fórmula (5) se muestra en la Figura 1. Por lo tanto, mediante la fórmula (5), siempre que se determinen la estructura del sistema de dos espejos y los parámetros del detector, la posición de imagen conjugada y Se puede calcular la distancia focal del sistema de relés. Para cumplir con los requisitos acromáticos y de gran campo de visión, el sistema de retransmisión normalmente necesita de 2 a 3 lentes.

En resumen, la estructura inicial de todo el sistema óptico se puede determinar utilizando las fórmulas (1) ~ (5).

Debido a que el coeficiente de temperatura del índice de refracción dn/dt de los materiales ópticos infrarrojos es mucho mayor que el de los materiales de vidrio comunes en la región visible, por ejemplo, el valor dn/dt del monocristal de germanio (Ge) es aproximadamente 396×10-6℃ , mientras que el valor dn/dt del vidrio K9 es de aproximadamente 396×10-6℃. El valor es sólo 2,8×10-6°C.

El cambio del índice de refracción de los materiales infrarrojos a diferentes temperaturas provocará el cambio de la trayectoria óptica de la luz en el sistema óptico. Además, el cambio de temperatura también cambiará el grosor y el radio de curvatura de la lente, lo que reducirá la calidad de la imagen. Se puede observar que cuando se realiza el diseño óptico infrarrojo se debe realizar el análisis atérmico.

Para lograr la termalización del sistema óptico, los métodos utilizados actualmente se pueden dividir en tres categorías: pasiva mecánica, compensación activa electromecánica y pasiva óptica. En este artículo, la atermalización del sistema óptico se realiza mediante el método óptico pasivo.

El grupo frontal del sistema óptico es una estructura de reflexión total. Cuando el espejo se ve afectado por un calor uniforme y alcanza un estado térmicamente estable, el cambio en la forma de su superficie es pequeño y la aberración introducida por un solo espejo puede ignorarse. Sin embargo, la expansión o contracción de la estructura de conexión de los espejos primario y secundario cambiará el espaciado, que es la principal fuente de aberraciones térmicas en el grupo frontal.

Las fuentes de aberración generadas por la diferencia de temperatura del sistema de imágenes de retransmisión incluyen lentes y piezas estructurales. La estructura de la lente debe estar hecha de materiales con un coeficiente de expansión lineal pequeño, entre los cuales la aleación de titanio no solo tiene un coeficiente de expansión lineal pequeño, sino que también es liviana y de alta dureza, y es un material ideal para piezas estructurales.

Esto puede reducir la dificultad de la diferencia de disipación de calor del sistema y mejorar la resistencia estructural, pero aumentará el costo. El grupo trasero adopta una estructura totalmente transmisiva, que debe ser acromática por separado.

Al mismo tiempo, también necesita cooperar con el grupo frontal para lograr la atermalización de todo el sistema y soportar una cierta potencia óptica. Esto dificulta el diseño de este último grupo, por lo que se propone una estructura de tres piezas que cumpla con las siguientes ecuaciones:

En la fórmula, hi es la altura del primer rayo paraxial en cada grupo de lentes, y cuando el sistema adopta una estructura de lentes de contacto cercano, hi = h1; Φi es la potencia óptica de la lente i; Φ es la potencia óptica total del grupo trasero; pi y Φi son los coeficientes atérmicos y acromáticos del material.

Al analizar las características de temperatura de los materiales infrarrojos de onda media comúnmente utilizados en China (como se muestra en la Tabla 1), los datos de la Tabla 1 se expresan en las fórmulas (6) ~ (8) y, después del cálculo, el 3 Ge, Se utilizan ZnSe y ZnS. Este tipo de material puede realizar el diseño del sistema de imágenes de relé post-grupo y cumplir con los requisitos de disipación de calor.

Para corregir la aberración esférica de alto orden y el coma en el sistema, reducir la complejidad del sistema y mejorar la calidad de la imagen, se utilizan superficies asféricas de alto orden en las superficies frontales de Ge y ZnSe.

El sistema óptico se utiliza en el sistema de guía compuesto de infrarrojos de onda media y onda milimétrica, por lo que, de acuerdo con los requisitos generales, el espejo principal es compartido por onda milimétrica y onda media, su forma de superficie es paraboloide y la distancia focal F1=240mm. El sistema de imágenes infrarrojas de onda media adopta un detector enfriado con F/2, 320×256 píxeles y un tamaño de píxel de 30μm. Los parámetros del sistema óptico se muestran en la Tabla 2.

Los indicadores de diseño son los siguientes. La estructura del sistema óptico debe ser compacta, la relación de teleobjetivo debe ser inferior a 0,6 y la oclusión central debe ser inferior al 30%. Para suprimir al máximo la influencia de la radiación de fondo, es necesario lograr una adaptación de apertura en frío del 100%. El diseño requiere que la concentración de energía en el píxel del campo de visión completo sea superior al 85%, y que la termalización óptica pasiva se pueda realizar en el rango de temperatura de -40 ~ 60 ℃.

En el diseño, la forma de la superficie del espejo principal es un paraboloide y la distancia focal F1 = 120 mm, lo que no solo cumple con los requisitos de imágenes de ondas milimétricas, sino que también facilita la instalación y detección del espejo principal y del secundario. El espejo es un hiperboloide.

Teniendo en cuenta la apertura del espejo secundario, la relación de oscurecimiento y la distancia entre los dos espejos, la distancia focal del grupo frontal se establece en 300 mm, el aumento del sistema de imágenes de relevo es -1 y la estructura de tres piezas Se adopta, que son Ge, ZnSe y ZnS respectivamente.

Debido a la larga distancia focal y la gran apertura del sistema, es difícil corregir las aberraciones. En el diseño, se colocan dos superficies asféricas de alto orden en la parte frontal de Ge y ZnSe respectivamente para corregir la aberración esférica, el coma y la aberración monocromática astigmática en el sistema. Las propiedades físicas de estos dos materiales son adecuadas para procesar superficies asféricas de alto orden.

Utilizando la función de restricción definida por el usuario del software ZEMAX-EE de Focus Software, el sistema se optimiza global y localmente y, finalmente, se realiza el diseño del sistema óptico que se muestra en la Figura 2. Los diámetros de los elementos de transmisión son todos inferiores a 25 mm, lo que resulta beneficioso para el control de la calidad y el coste del sistema.

Fig. 2 Configuración del sistema óptico

Las figuras 3 a 5 son las curvas de función de transferencia óptica del sistema óptico a 20, -50 y 70 ℃, respectivamente. Se puede ver en la figura que la frecuencia característica del detector es 17 lp/mm, ya sea en el campo de visión central o en el borde. La función de transferencia del sistema óptico está cerca del campo de visión.

Fig. 5 Función de transferencia de modulación a una temperatura de 70 ℃

La Figura 6 muestra la curva de concentración de energía del sistema óptico a 20 °C. En la figura se puede ver que dentro de un tamaño de píxel de 30 μm, la concentración de energía es superior al 90 %, lo que cumple con los requisitos del sistema de imágenes infrarrojas.

Fig. 6 Curva de círculo de energía a una temperatura de 20 ℃

Para verificar la viabilidad del procesamiento del sistema óptico y reducir el costo de procesamiento, es necesario realizar una asignación razonable de tolerancias. Al utilizar repetidamente el análisis Monte Carlo de Zemax, obtuvimos la distribución de tolerancia que se muestra en la Tabla 3, en la que la precisión de procesamiento y ensamblaje de los espejos primario y secundario es relativamente alta, pero también está dentro del alcance de las técnicas de procesamiento y ensamblaje existentes.

A 20 °C, la función de transferencia de simulación de Monte Carlo correspondiente se muestra en la Figura 7. Los resultados muestran que, bajo la influencia de varios errores aleatorios, la probabilidad de que la función de transferencia óptica del sistema sea superior a 0,55 es superior al 90%. y el sistema cumple con el procesamiento y ajuste real. Requisitos de imagen.

Fig. 7 Curva MTF después de la simulación de Ment-Karol a una temperatura de 20 ℃

En el sistema óptico infrarrojo, la influencia de la radiación parásita en la calidad de la imagen se convierte en un factor a tener en cuenta. La supresión de luz parásita del sistema de imágenes secundario plegado puede adoptar los siguientes métodos: Primero, para la luz parásita desde fuera del campo de visión de la imagen, se pueden usar el tubo de sombreado del espejo primario y el tubo de sombreado del espejo secundario, y los tubos interno y externo Las superficies se pueden procesar aún más con hilos de extinción para reducir efectivamente los espejos primarios y secundarios.

La luz parásita que ingresa al detector se refleja varias veces y la luz parásita que incide fuera del campo de visión del espejo principal se puede controlar ajustando la longitud del cilindro del espejo principal; en segundo lugar, se utiliza la parte de imagen secundaria y se agrega el límite del diafragma de campo cerca del haz de entrada de la superficie de imagen primaria.

Finalmente, en este artículo se utiliza Lighttools para separar la luz efectiva de la luz parásita mediante el método de trayectoria de luz inversa y finalmente obtener el coeficiente de luz parásita expresado como porcentaje.

Durante el análisis, debido a que en realidad no se midió la transmitancia de cada superficie, se tomó la reflectividad del 2% según la experiencia y se trazaron 10 rayos. La energía luminosa del receptor de la derecha representó el 96% de la energía de salida total.

Se puede analizar que la energía de la luz parásita del sistema óptico representa el 2% de la energía recibida por el detector, lo que puede satisfacer las necesidades de detección de imágenes.

Fig.8 Trazo de rayos basado en Lighttools