Атермальная технология/технология атермализации для инфракрасных оптических систем

По сравнению с оптическими материалами видимого диапазона, показатель преломления большинства инфракрасных оптических материалов изменяется при относительно большом температурном градиенте dn/dt, поэтому тепловой эффект инфракрасной оптической системы более очевиден. Кроме того, в некоторых документах и производителях материалов иногда указываются показатели преломления материалов, особенно коэффициенты теплового расширения, которые сильно различаются. Будучи строгим проектировщиком, эти коэффициенты должны быть проверены или проверены.

Чтобы получить удовлетворительное качество изображения, многие системы используют технологию атермализации для фокусировки системы. Температурная компенсация также является сложной технологией. Для достижения атермализации системы можно использовать механические (электромеханические) методы или оптические методы. Например, используйте ручную или замкнутую сервосистему для регулировки расстояния между оптическими частями, чтобы реализовать систему в новой температурной среде. При перефокусировке или выборе подходящих оптических материалов и рациональном распределении оптической силы каждого оптического компонента можно добиться атермализации в оптическом смысле.

Основной отправной точкой технологии оптической атермализации является использование температурных характеристик различных оптических материалов, таких как коэффициент линейного расширения, температурный градиент показателя преломления и т. д., при этом соблюдая требования к качеству изображения системы, соответствующим образом выбирая материалы и разумно распределяя оптическое излучение. мощность каждой линзы. Чтобы величина расфокусировки всей оптической системы соответствовала тепловому расширению оправы объектива. Конструкция оптической атермализации относится к пассивной температурной компенсации.

Чтобы получить оптическую систему, которая устраняет не только хроматическую аберрацию, но и устраняет хроматическую аберрацию, необходимо соблюдение следующих трех условий: оптическая мощность, ахроматическая аберрация и тепловыделение. Оптическая система должна обеспечивать как минимум три оптические силы для одновременного устранения тепловых и хроматических аберраций.

Особое внимание: Оптическая система обеспечивает как минимум три оптические силы. Это не означает, что для оптической системы требуется как минимум три линзы. Например, можно использовать дифракционную поверхность для увеличения оптической силы, тем самым уменьшая количество линз.

Проблемы, на которые следует обратить внимание при проектировании оптической атермализации.

В процессе атермического проектирования инфракрасной оптической системы следует обратить внимание на следующие вопросы:

При изменении температуры исходное соотношение компенсации аберраций разрушается, и наилучшее положение фокусировки системы может нелинейно меняться с изменением температуры.

Что касается отражающей системы, если материал отражателя такой же, как материал корпуса объектива (или материал имеет тот же коэффициент теплового расширения), при изменении температуры система будет увеличивать или уменьшать масштаб только в определенной степени. , а температура мало влияет на производительность системы. В принципе, проектирование отвода тепла не требуется.

Поскольку механическая оправа для установки объектива в большинстве случаев сложна, способ расширения (или сжатия) оправы объектива с разными конструкциями не обязательно одинаков при изменении температуры. Проект атермализации должен основываться на приведенном выше уравнении атермализации. Основываясь на конкретных проблемах конструкции различных корпусов объективов, специальный анализ обеспечивает хороший эффект рассеивания тепла.

Ввиду указанных выше неопределенных факторов оптические системы, спроектированные на основе технологии оптической атермализации, также должны быть оснащены регулировочными звеньями, обеспечивающими практичность и безопасность конструкции.

Из базовой теории оптики мы знаем, что при изменении осевого положения линзы (или группы линз) в оптической системе соответствующим образом изменится положение фокальной плоскости системы. Активная температурная компенсация использует этот принцип для воспроизведения системы. Способ фокусировки и регулировки может быть ручным или электрическим.

Чтобы улучшить чувствительность регулировки и сохранить стабильность оптической оси, этот метод температурной компенсации обычно требует точного механического передаточного механизма. При этом необходимо исследовать необходимый ход линзы температурной компенсации и выбрать в качестве элемента температурной компенсации наиболее чувствительную линзу, на которую воздействует фокусирующая поверхность. Основная механическая структура передачи этого метода компенсации в основном такая же, как и механизм фокусировки оптической системы. Метод прост в принципе и легко реализуем, но увеличивает вес оптического прибора и в то же время легко приводит к ошибкам прицеливания.

Механическая (электромеханическая) пассивная температурная компенсация

Принцип механической (электромеханической) пассивной температурной компенсации по сути такой же, как и у активной температурной компенсации, за исключением того, что изменился способ смены группы линз. Он использует определенные материалы или механизмы со специальными функциями для достижения автоматической регулировки.

Метод механической пассивной температурной компенсации, в котором в качестве внутренней оправы объектива используются два материала с разными коэффициентами расширения. При изменении температуры окружающей среды расширение или сжатие внутреннего цилиндра приводит к перемещению компенсационной линзы в осевом направлении для достижения стабильности фокальной плоскости. Этот метод компенсации требует разумного выбора материалов с соответствующими коэффициентами расширения, длиной и согласования с оптической системой.

Электромеханический метод пассивной температурной компенсации. В этом методе после того, как датчик температуры измеряет температуру окружающей среды, он передает сигнал контроллеру. Контроллер получает необходимую величину перемещения из базы данных в соответствии со значением температуры и приводит двигатель в действие для завершения температурной компенсации. Данные в базе данных должны быть заранее тщательно откалиброваны. Механическая (электромеханическая) пассивная температурная компенсация также принесет дополнительные ошибки прицеливания.

Сравнение различных методов атермализации

Допуск на погрешность температурной компенсации

Я упомянул следующие методы температурной компенсации для инфракрасных оптических систем, но реальная оптическая система не может обеспечить строгую температурную компенсацию. То есть в определенном температурном диапазоне поверхность изображения системы не может соответствовать изменениям оправы объектива сложной структуры, что требует допуска погрешности температурной компенсации. В широком смысле расфокусировку изображения, вызванную температурой, можно рассматривать как своего рода аберрацию. Согласно закону Рэлея об аберрациях оптической системы, погрешность температурной компенсации следует контролировать при максимальной волновой аберрации менее 1/4 длины волны.

Особое внимание: Если оптическая система позволяет фокусироваться во время использования, то система вообще не нуждается в тепловом расчете, поэтому перед проектированием обязательно уясните требования пользователя.