Diseño de lentes de atermalización infrarroja de longitud de onda larga para detectores de gran tamaño

Con el desarrollo de la óptica infrarroja, existe una gran demanda de lentes infrarrojas tanto en el ámbito militar como civil. Debido al bajo coste y la estructura sencilla de las lentes infrarrojas no refrigeradas, la demanda del mercado también está aumentando. A su vez, los requisitos en cuanto al campo de visión y la adaptabilidad ambiental de las lentes no refrigeradas son cada vez mayores, especialmente en entornos de altas y bajas temperaturas.

En la actualidad, la mayoría de las lentes infrarrojas del mercado combinan con detectores de 384 × 288, 25 μm o 640 × 512, 17 μm, mientras que la mayoría de los diseños atérmicos logran una compensación de alta y baja temperatura mediante compensación mecánica activa, y también hay una pequeña cantidad de productos. . Se ha realizado el diseño atérmico pasivo mecánico y un pequeño número de lentes han realizado el diseño atérmico pasivo óptico.

Entre ellos, esta parte de la lente óptica pasiva atermalizada se divide en dos categorías: una se realiza mediante una combinación de varios materiales y superficies asféricas, la mayoría de estas lentes son lentes de enfoque corto; Se implementa el híbrido derivado, la calidad de la imagen es buena y se ha logrado un gran avance en la atermalización.

Para satisfacer las necesidades de detectores de área grande, diseño atermalizado de alta calidad de imagen y lentes infrarrojas de onda larga de longitudes focales medias y largas, en este artículo se implementa una lente atermalizada óptica infrarroja de onda larga. La lente consta de 4 lentes, que utilizan dos materiales infrarrojos (HWS6 y material de sulfuro de zinc) y superficies asféricas para lograr un diseño de atermalización óptica.

Dado que el detector utilizado es una matriz de área grande, aumenta el número de píxeles, mejora la resolución del sistema y el campo de visión observado, pero al mismo tiempo aumentará la dificultad de corrección de aberraciones del sistema óptico. Esta lente puede coincidir con el detector no refrigerado de matriz de área grande de 1024 × 768 y 17 μm.

Mediante la optimización del software de diseño óptico, el valor MTF de los 0 campos de visión es mayor que 0,45, el valor MTF de un campo de visión es mayor que 0,35 y el valor MTF de un campo de visión es mayor que 0,35 en el rango de temperatura de funcionamiento de -60°C~+100°C, y a la frecuencia espacial de 30 lp/mm, y a -60 En el rango de temperatura de -60°C~+100°C, el valor MTF de cada campo de visión no cambia mucho y se realiza el diseño de atermalización óptica de un amplio rango de temperatura.

La lente tiene las ventajas de una estructura simple, una matriz de área grande, alta resolución, un amplio rango de temperatura de funcionamiento, buena capacidad de fabricación, etc., y puede usarse en campos como los buscadores o la detección espacial.

1. Diseño del sistema óptico

La lente de atermalización óptica infrarroja de onda larga de gran área está adaptada a un detector de matriz de plano focal infrarrojo de onda larga no refrigerado de 1024 × 768, y el tamaño de píxel del detector es de 17 μm. Los indicadores de diseño de la lente infrarroja se muestran en la Tabla 1.

1.1 Pensamiento de diseño

La distancia focal de la lente diseñada en este artículo es de 90 mm. Para realizar el diseño de atermalización óptica, se utiliza la combinación de material de calcogenuro infrarrojo y sulfuro de zinc para eliminar la influencia de la temperatura en el sistema óptico. En comparación con los materiales de germanio, el índice de refracción de los materiales de calcogenuro varía menos con la temperatura.

El coeficiente de temperatura del índice de refracción del germanio es 39,6×10-5/°C. Cuando la temperatura ambiente cambia mucho, el diseño atérmico es difícil y el coeficiente de temperatura del índice de refracción de los materiales calcogenuros es sólo aproximadamente 1/6 del germanio.

Para que el sistema óptico tenga un buen rendimiento en un determinado rango de temperatura, el diseño debe cumplir con los requisitos de potencia óptica, corrección de aberración cromática y aberración atérmica al mismo tiempo, es decir, debe satisfacer la fórmula de distribución de potencia, acromática. ecuación y aberración atérmica.

Según algunos informes nacionales y extranjeros: para satisfacer la fórmula de distribución de energía, la ecuación acromática y la ecuación atérmica al mismo tiempo, es necesario cambiar la curvatura de la superficie curva o utilizar diferentes materiales para corregir la aberración, lo que Aumenta considerablemente la dificultad del diseño del sistema, y se necesitan al menos tres tipos de materiales para que el sistema cumpla con los requisitos de potencia óptica, corrección de aberración cromática y disipación de calor al mismo tiempo, por lo que la estructura del sistema es complicada.

Pero en este artículo, se utilizan dos tipos de materiales infrarrojos para cooperar entre sí, es decir, el material de calcogenuro HWS6 (coeficiente de expansión térmica es 22×10-6/°C) y el material de sulfuro de zinc, que tiene una óptica más grande. fuerza. El diseño de atermalización se realiza mediante la combinación de una lente positiva 1026 HWS6, una lente negativa de sulfuro de zinc, una lente positiva de sulfuro de zinc y una lente negativa HWS6.

Al mismo tiempo, debido a que el espacio de aire entre la primera y la segunda lente tiene una gran influencia en la atermalización, el material del cilindro de la lente en esta parte se selecciona de material invar con un pequeño coeficiente de expansión térmica (el coeficiente de expansión térmica es 8×10 -6/°C), y el resto están hechos de material de aleación de aluminio (el coeficiente de expansión térmica es 23×10-6/°C).

Finalmente, el diseño de la diferencia de disipación de calor se logra a través de las ideas de diseño anteriores, y la estructura es simple y la capacidad de fabricación es buena.

Para igualar el detector de matriz de área grande, corregir mejor la aberración del sistema óptico y obtener un sistema óptico con un gran campo de visión, buena calidad de imagen y alta resolución, en este artículo se presentan dos superficies asféricas de orden uniforme. . El sistema consta de 4 lentes y la segunda y cuarta superficies son superficies asféricas de orden par.

El primer material de lente es material de calcogenuro HWS6. Aunque el material es relativamente blando, es difícil preparar superficies asféricas. Sin embargo, con el progreso de la tecnología de torneado con diamantes, se puede realizar el proceso de torneado de superficies asféricas en materiales calcogenuros. Además, el material de la primera lente es un material de calcogenuro y su apertura es relativamente grande, por lo que utilizar una superficie asférica puede mejorar aún más la calidad de la imagen. En la actualidad, los elementos de lentes de calcogenuro con superficies asféricas se han utilizado ampliamente en diversos diseños de lentes atérmicas infrarrojas.

Las dos superficies asféricas de orden par introducidas se expresan de la siguiente manera:

En la fórmula: c=1/r0; k=-e2; A1, A2, A3, A4, etc. son coeficientes de orden superior; en la mayoría de los casos, A1 toma 0; r es la coordenada del radio normalizado; c es la superficie de referencia de la superficie asférica o la curvatura de la esfera auxiliar; k es el grado de conicidad. En el diseño de este artículo, solo se seleccionan los elementos r4, r6 y r8 en la fórmula (1) (en la que el segundo coeficiente asférico de superficie: A2 = 6,915 × 10-8, A3 = 8,094 × 10-14, A4 = 1,475 ×10-16; el coeficiente asférico de la cuarta superficie es: A2=2.569×10-8, A3=-7.371×10-11, A4=3.531×10-13).

1.2 Resultados del diseño

En la Figura 1 se muestra el diagrama de estructura óptica de la lente atérmica infrarroja de onda larga de matriz de área grande optimizada por el software de diseño ZEMAX. Los parámetros estructurales del sistema óptico son: la banda de trabajo es de 8-12 μm, la longitud de onda central es de 10 μm, la distancia focal efectiva es de 90 mm, el número F es 1, el campo de visión completo es de 13,8°, la longitud total del sistema es de 108 mm y el rango de temperatura de trabajo es de -60 °C a 100 °C.

El sistema consta de 4 lentes y la segunda y cuarta superficies son superficies asféricas de orden par. El sistema óptico está compuesto por estructuras "+", "-", "+" y "-" y está diseñado para ser atermalizado mediante la cooperación de dos materiales infrarrojos (material de calcogenuro HWS6 y material de sulfuro de zinc).

Fig.1 Esquema de la estructura del sistema óptico.

2. Evaluación de la calidad de la imagen

La Figura 2 es la curva MTF del sistema. Dado que el tamaño de píxel es 17 μm × 17 μm, su resolución límite es FN=29,4 lp/mm. Puede verse en la Fig. 2 que a una frecuencia espacial de 30 lp/mm, el valor MTF de los 0 campos de visión es mayor que 0,45, el valor MTF del 1 campo de visión es mayor que 0,35 y el MTF El valor de cada campo de visión no cambia en el rango de temperatura de -60°C a +100°C. Realiza el diseño de atermalización óptica con un amplio rango de temperatura y cumple con los requisitos de atermalización de alta calidad de imagen. La Tabla 2 muestra los valores de MTF del sistema óptico a varias temperaturas.

Fig.2 Curvas MTF del sistema.

La Tabla 3 muestra los cambios en la distancia focal y el moteado después de la atermalización. Se puede ver en la Tabla 3 que en el rango de temperatura de -60 °C a 100 °C, el radio máximo del punto de dispersión básicamente no cambia, lo que cumple con los requisitos del diseño de diferencia de disipación de calor. Muestra que el sistema tiene una mejor calidad de imagen y un mejor diseño de disipación de calor.

Fig.3 Curvas de campo y distorsión(@20°C)

3. Conclusión

En este artículo, se diseña una lente atérmica óptica infrarroja de onda larga con una distancia focal de 90 mm, una apertura relativa de 1:1 y un campo de visión completo de 13,8°. Compatible con detectores no refrigerados de matriz de área grande de 1024 °C×768 y 17 μm. Para seguimiento, búsqueda, monitoreo y otros campos.

La lente tiene las ventajas de una estructura simple, una matriz de área grande (gran campo de visión), alta resolución, amplio rango de temperatura de funcionamiento y buena capacidad de fabricación. Tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación en campos militares y civiles, como por ejemplo en buscadores o exploración espacial.

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