Проектирование длиннофокусной складчатой инфракрасной оптической системы для многонаправляющей системы

В последние годы, с быстрым развитием технологии инфракрасных детекторов, размер пикселя детектора постепенно уменьшался, а размер массива областей постепенно увеличивался. В настоящее время в конструкции средневолновой инфракрасной длиннофокусной оптической системы из-за высокой цены инфракрасных материалов большого диаметра часто используются отражающие конструкции, но поле зрения не может быть увеличено.

Складная система инфракрасного изображения может сочетать в себе преимущества передачи и отражения и имеет больший телеобъектив и поле зрения. Особенно в многомодовой гибридной системе наведения оптическая система должна иметь низкий коэффициент затемнения и компактную структуру, чтобы уменьшить влияние на обнаружение других мод, и преимущества этой структуры более очевидны.

Как правило, температура рабочей среды многорежимной системы наведения составляет -50–70 ℃, а показатель преломления инфракрасного материала сильно зависит от температуры, что серьезно снижает качество изображения.

Текущий анализ термализации инфракрасных систем. Дифракционный элемент в основном используется для реализации ахроматической и атермической аберрации за счет использования его особых дисперсионных свойств. Однако дифракционная эффективность дифракционного элемента также является проблемой, которую следует учитывать, и она будет привносить в систему дополнительный рассеянный свет. Кроме того, электромеханические системы компенсации активного фокуса также широко используются в атермической конструкции инфракрасных оптических систем.

С учетом приведенного выше анализа в данной статье разработана складная телеобъективная инфракрасная система, пригодная для многорежимного наведения. Диапазон длин волн составляет 3,7–4,8 мкм, число F — 2, эффективность холодной диафрагмы — 100%, разница в рассеивании тепла реализуется при -50 ~ 70 ℃, качество изображения близко к дифракционному пределу.

Чтобы обеспечить эффективность холодной диафрагмы, средневолновая инфракрасная система должна согласовать выходной зрачок системы с холодной диафрагмой детектора. Если используется структура зеркала RC, апертура вторичного зеркала будет слишком большой, что увеличит коэффициент блокировки системы. Система отражения волнового инфракрасного излучения обычно реализуется посредством вторичной визуализации, как показано на рисунке 1. Передняя группа использует структуру двойного отражения RC, а задняя группа использует систему релейной визуализации с определенным увеличением.

Рис.1 Релейная система визуализации

Исходную структуру RC-системы можно получить из радиуса кривизны R1 главного зеркала системы, коэффициента блокировки α и увеличения β вторичного зеркала по формуле Гаусса:

Следовательно, после определения фокусного расстояния главного зеркала, коэффициента блокировки и увеличения вторичного зеркала можно определить исходную структуру RC-системы.

Система релейной визуализации имеет определенное увеличение W, причем увеличение можно получить, используя фокусное расстояние f1 системы отражения передней группы и полное фокусное расстояние f системы:

Физический смысл каждой переменной в формуле (5) показан на рисунке 1. Таким образом, по формуле (5), пока определены структура двухзеркальной системы и параметры детектора, положение сопряженного изображения и можно рассчитать фокусное расстояние релейной системы. Чтобы удовлетворить требованиям большого поля зрения и ахроматики, релейной системе обычно требуется от 2 до 3 линз.

Таким образом, исходную структуру всей оптической системы можно определить, используя формулы (1)-(5).

Поскольку температурный коэффициент показателя преломления dn/dt инфракрасных оптических материалов намного больше, чем у обычных стеклянных материалов в видимой области, например, значение dn/dt монокристалла германия (Ge) составляет около 396×10-6 ℃. , а значение dn/dt стекла K9 составляет около 396×10-6℃. Значение составляет всего 2,8×10-6°С.

Изменение показателя преломления инфракрасных материалов при разных температурах приведет к изменению оптического пути света в оптической системе. Кроме того, изменение температуры также изменит толщину и радиус кривизны линзы, что снизит качество изображения. Видно, что при выполнении инфракрасного оптического расчета необходимо проводить атермический анализ.

Для достижения термализации оптической системы используемые в настоящее время методы можно разделить на три категории: механическая пассивная, электромеханическая активная компенсация и оптическая пассивная. В данной работе атермализация оптической системы реализована оптически-пассивным методом.

Передняя группа оптической системы представляет собой структуру полного отражения. Когда на зеркало воздействует равномерное тепло и оно достигает термически стабильного состояния, изменение формы его поверхности незначительно, и аберрацию, вносимую одним зеркалом, можно игнорировать. Однако расширение или сжатие соединительной конструкции главного и вторичного зеркал приведет к изменению расстояния, которое является основным источником тепловых аберраций в передней группе.

Источниками аберраций, возникающих из-за разницы температур релейной системы визуализации, являются линзы и детали конструкции. Конструкция линзы должна быть изготовлена из материалов с небольшим коэффициентом линейного расширения, среди которых титановый сплав не только имеет небольшой коэффициент линейного расширения, но также имеет небольшой вес и высокую твердость и является идеальным материалом для деталей конструкции.

Это может уменьшить сложность рассеивания тепла в системе и улучшить прочность конструкции, но увеличит стоимость. Задняя группа имеет полностью пропускающую структуру, которая должна быть отдельно ахроматической.

В то же время ему также необходимо сотрудничать с передней группой, чтобы реализовать атермизацию всей системы и выдержать определенную оптическую мощность. Это усложняет проектирование последней группы, поэтому предлагается трехкомпонентная конструкция, удовлетворяющая следующим уравнениям:

В формуле hi — высота первого параксиального луча в каждой группе линз, а когда в системе применяется конструкция близкоконтактных линз, hi = h1; Φi – оптическая сила i-й линзы; Φ – полная оптическая сила задней группы; pi и Φi — атермический и ахроматический коэффициенты материала.

Путем анализа температурных характеристик широко используемых в настоящее время средневолновых инфракрасных материалов в Китае (как показано в таблице 1), данные таблицы 1 помещаются в формулы (6) ~ (8), а после расчета 3 Ge, Используются ZnSe и ZnS. Этот вид материала может реализовать конструкцию постгрупповой релейной системы визуализации и удовлетворить требования по рассеиванию тепла.

Чтобы исправить сферическую аберрацию и кому высокого порядка в системе, уменьшить сложность системы и улучшить качество изображения, на передних поверхностях Ge и ZnSe используются асферические поверхности высокого порядка.

Оптическая система используется в средневолновой инфракрасной и миллиметровой комбинированной системе наведения, поэтому по общим требованиям главное зеркало является общим для миллиметрового и средневолнового диапазона, форма его поверхности параболоидная, а фокусное расстояние Ф1=240 мм. В системе средневолнового инфракрасного изображения используется охлаждаемый детектор с диафрагмой F/2, разрешением 320×256 пикселей и размером пикселя 30 мкм. Параметры оптической системы приведены в таблице 2.

Показатели конструкции следующие. Структура оптической системы должна быть компактной, телеобъектив должен быть менее 0,6, а центральная окклюзия — менее 30%. Для того чтобы в наибольшей степени подавить влияние фонового излучения, необходимо добиться 100% совпадения холодных апертур. Конструкция требует, чтобы концентрация энергии в пикселе полного поля зрения составляла более 85%, а оптическая пассивная термализация могла быть реализована в диапазоне температур -40 ~ 60 ℃.

В конструкции форма поверхности главного зеркала представляет собой параболоид, а фокусное расстояние F1 = 120 мм, что не только отвечает требованиям съемки в миллиметровом диапазоне, но и облегчает установку и обнаружение главного зеркала, а также вторичного. зеркало — гиперболоид.

Учитывая апертуру вторичного зеркала, коэффициент затемнения и расстояние между двумя зеркалами, фокусное расстояние передней группы установлено равным 300 мм, увеличение релейной системы формирования изображения -1, а трехчастная конструкция приняты, то есть Ge, ZnSe и ZnS соответственно.

Из-за большого фокусного расстояния и большой апертуры системы сложно исправить аберрации. В конструкции две асферические поверхности высокого порядка установлены на передней стороне Ge и ZnSe соответственно для коррекции сферической аберрации, комы и астигматической монохроматической аберрации в системе. Физические свойства этих двух материалов подходят для обработки асферических поверхностей высокого порядка.

Используя определяемую пользователем функцию ограничения программного обеспечения ZEMAX-EE компании Focus Software, система оптимизируется глобально и локально, и, наконец, реализуется конструкция оптической системы, показанная на рисунке 2. Все элементы передачи имеют диаметр менее 25 мм, что способствует контролю качества и стоимости системы.

Рис. 2. Конфигурация оптической системы

На рисунках 3–5 представлены кривые оптической передаточной функции оптической системы при 20, -50 и 70 ℃ соответственно. Из рисунка видно, что характерная частота детектора составляет 17 пл/мм, будь то центральное поле зрения или край. Передаточная функция оптической системы близка к полю зрения.

Рис. 5. Передаточная функция модуляции при температуре 70 ℃.

На рис. 6 представлена кривая концентрации энергии оптической системы при 20 °C. Из рисунка видно, что в пределах размера пикселя 30 мкм концентрация энергии составляет более 90%, что соответствует требованиям системы инфракрасной визуализации.

Рис. 6. Обведенная кривая энергии при температуре 20 ℃.

Чтобы проверить возможность обработки оптической системы и снизить стоимость обработки, необходимо провести разумное распределение допусков. Повторно используя анализ Монте-Карло Zemax, мы получили распределение допусков, показанное в таблице 3, в котором точность обработки и сборки главного и вторичного зеркал относительно высока, но также находится в пределах существующих методов обработки и сборки.

При 20 °C соответствующая передаточная функция моделирования Монте-Карло показана на рисунке 7. Результаты показывают, что под влиянием различных случайных ошибок вероятность того, что оптическая передаточная функция системы превышает 0,55, превышает 90%, и система отвечает фактической обработке и настройке. Требования к изображениям.

Рис. 7. Кривая MTF после моделирования Мент-Кароля при температуре 20 ℃.

В инфракрасной оптической системе влияние рассеянного излучения на качество изображения становится фактором, который необходимо учитывать. Подавление рассеянного света в сложенной системе вторичного формирования изображения может осуществляться следующими методами: во-первых, для рассеянного света снаружи поля зрения изображения можно использовать затеняющую трубку главного зеркала и затеняющую трубку вторичного зеркала, а также внутреннюю и внешнюю поверхности могут быть дополнительно обработаны гашащими нитями для эффективного уменьшения первичного и вторичного зеркал.

Посторонний свет, попадающий в детектор, многократно отражается, а рассеянный свет, попадающий за пределы поля зрения главного зеркала, можно контролировать, устанавливая длину корпуса главного зеркала; во-вторых, используется вторичная часть изображения, и предел полевой диафрагмы добавляется рядом с первичной поверхностью изображения. Входной луч.

Наконец, в этой статье Lighttools используется для отделения эффективного света от рассеянного света с использованием метода обратного пути света и, наконец, для получения коэффициента рассеянного света, выраженного в процентах.

В ходе анализа, поскольку коэффициент пропускания каждой поверхности фактически не измерялся, согласно опыту был принят коэффициент отражения 2% и прослежено 10 лучей. Световая энергия приемника справа составляла 96% от общей выходной энергии.

Можно проанализировать, что энергия рассеянного света оптической системы составляет 2% энергии, получаемой детектором, что может удовлетворить потребности обнаружения изображений.

Рис. 8 Трассировка лучей на основе Lighttools