Особенности конструкции инфракрасных оптических линз со сверхполем обзора

Инфракрасная оптическая линза с суперполем обзора в основном используется в вооруженных силах для предупреждения и указания приближающихся ракет или целей, представляющих угрозу в инфракрасном диапазоне. Его можно одновременно развернуть на платформах вооружения (таких как бортовые, автомобильные и корабельные платформы) для реализации панорамы. Он может просматривать сигналы тревоги на 360 ° и обладает всенаправленной ситуационной осведомленностью. Это важный военный оптоэлектронный продукт.

Инфракрасная оптическая линза со сверхбольшим полем зрения имеет некоторые характеристики широкоугольной линзы и инфракрасной оптической линзы, но в то же время она отличается от обычной инфракрасной оптической линзы, в частности, в следующих аспектах.

Когда поле зрения оптической системы превышает 60°, когда выбран идеальный режим визуализации, высота изображения резко увеличивается с увеличением поля зрения. Для детектора с ограниченным размером изображения необходимо внести большое количество отрицательных искажений, чтобы получить достаточное поле зрения.

Освещенность плоскости изображения системы пропорциональна четвертой степени косинуса угла падающего света.

Из-за относительно большого поля зрения оптической системы. Например, если угол половины поля зрения составляет 65°, краевая освещенность составляет лишь около 40 % от центральной освещенности. Поэтому в оптической схеме необходимо вводить большое отрицательное виньетирование в краевое поле зрения для увеличения светового потока и улучшения освещенности.

Как и другие военные инфракрасные оптические линзы, они должны соответствовать широкому военному температурному диапазону (обычно типичный диапазон температур составляет -55 ~ 70 ℃) и обеспечивать превосходное качество изображения.

При использовании для предупреждения приближающейся ракеты, по сравнению с обычной инфракрасной оптической линзой, инфракрасная оптическая линза с большим полем зрения в основном фокусируется на точности индикации и дальности цели. Это отражается на однородности однопиксельного углового разрешения и однопиксельной сходимости энергии.

В последние годы многие ученые в стране и за рубежом провели исследования инфракрасных оптических линз с суперполем зрения, и содержание исследований в основном сосредоточено на оптических линзах.

Среди них площадь детектора, используемая в оптической линзе, мала; имеется множество оптических элементов; длина линзы больше; оптическая и механическая части конструкции выполнены из титанового сплава с малым коэффициентом теплового расширения, но высокой плотностью, низкой теплопроводностью и плохой обрабатываемостью; он не имеет тепла. Технические средства атермического расчета реализованы путем рефракционной дифракции.

В данной статье, исходя из требований применения, анализируются конструктивные характеристики инфракрасной оптической линзы суперполя зрения.

Детектор, используемый в оптической системе, представляет собой средневолновый охлаждаемый инфракрасный детектор с большой площадью матрицы размером 1024×1024@15 мкм, который использует только 4 линзы и не содержит дифракционной поверхности для реализации оптической пассивной атермической конструкции. Материал оптико-механической конструкции — алюминиевый сплав, конструкция линзы компактная, общая длина — менее 69 мм, оптическое поле зрения достигает 116°.

В сочетании с реальными требованиями инженерных приложений конструктивные особенности инфракрасной оптической линзы суперполя обзора анализируются с точки зрения режима проецирования, оптической конфигурации, освещенности поверхности изображения, поля зрения, термализации и режима оценки.

Для изображения объектов на бесконечности идеальная оптическая линза с искажением изображения 0 имеет высоту изображения и поле зрения в соответствии со следующей формулой, а именно:

h = f tanθ (1)

Где: f – фокусное расстояние стороны объекта; θ — угол полуполя поля стороны объекта.

Из формулы (1) видно, что при большом угле полуполя высота изображения резко увеличится. Следовательно, оптическая линза со сверхбольшим полем зрения должна вносить определенное количество отрицательных искажений, чтобы обеспечить достаточное поле зрения изображения при ограниченном размере изображения.

В конструкции линзы со сверхполем обзора принят принцип «неподобия» изображения, а область объекта, которую идеальный оптический объектив не может представить, деформируется и сжимается за счет внесения в изображение негативных искажений. Высота изображения и поле зрения изображения обычно соответствуют следующим методам проецирования:

h = 2 f tan(θ/2) (2)

h = 2 f sin(θ/2) (3)

h = f sinθ (4)

ч = f θ (5)

При выводе по обеим частям формул (2)~(5) соответственно связь между угловым разрешением и полем зрения получается следующим образом:

dh/dθ = f/cos (θ/2)2 (6)

dh/dθ = f cos(θ/2) (7)

dh/dθ = f cos(θ) (8)

dh/dθ = f (9)

Взаимосвязь между высотой изображения и полем зрения, соответствующая различным методам проецирования, показана на рисунке 1 (а), а взаимосвязь между угловым разрешением и углом поля зрения, соответствующей различным методам проецирования, показана на рисунке 1 (b).

При фактическом использовании инфракрасной оптической линзы с суперполем обзора инфракрасная цель обычно представляет собой точечную цель после отображения оптической системой. По сравнению с информацией о геометрических характеристиках цели система больше заботится об информации об ее угловом положении, чтобы получить более высокую точность указания углового положения.

Из рисунка видно, что при методе проецирования h = f θ высота изображения пропорциональна полю зрения, однопиксельное угловое разрешение не меняется с изменением поля зрения, а общее поле зрения является постоянным. . Таким образом, военная инфракрасная оптическая линза с суперполем обзора должна выбирать метод проецирования h = f θ.

Рис.2 Оптическая конфигурация

(1) Внеосевое поле зрения имеет определенное отрицательное виньетирование, из-за чего площадь поперечного сечения наклонного луча может значительно превышать площадь поперечного сечения осевого светового луча. Равномерность общей освещенности лучше.

(2) Он имеет большую длину линзы, что способствует проектированию и установке конструкции.

Кроме того, в военных инфракрасных оптических системах обычно используются охлаждаемые детекторы, которые имеют более высокую чувствительность, чем неохлаждаемые детекторы. Охлаждаемый детектор имеет диафрагму (также называемую холодной диафрагмой) на переднем конце детектора. Чтобы избежать паразитного излучения, необходимо обеспечить, чтобы выходной зрачок оптической системы соответствовал холодной диафрагме детектора (что обычно называют 100% эффективностью холодной апертуры), как показано на рисунке 2(b).

Угол падения падающего света из краевого поля зрения и центрального поля зрения инфракрасной оптической линзы суперполя зрения совершенно различен, как показано на рисунке 3(а); Углы падения лучей в поле зрения и в центральном поле зрения также сильно различаются, как показано на рисунке 3(b), и то и другое приведет к неравномерному освещению поверхности изображения.

(a) Входной оптический путь (b) Приемный оптический путь детектора

 

Рис.3 Факторы, влияющие на освещенность изображения

В настоящее время существует три широко используемых метода атермального проектирования: механический пассивный, электронный активный и оптический пассивный. Инфракрасная оптическая линза с суперполем обзора больше подходит для реализации пассивной атермализации. Анализ заключается в следующем:

(1) Поскольку боевые платформы обычно имеют строгие ограничения по весу и объему оптических линз, для деталей конструкции следует рассматривать как можно более легкие материалы, поэтому механические пассивы обычно не рассматриваются.

(2) Электронная технология активной атермализации, фокусирующаяся путем перемещения линзы или группы линз, приведет к изменению фокусного расстояния оптической системы во время процесса фокусировки, а затем соответствующим образом изменится поле зрения и в конечном итоге повлияет на точность тревога.

(3) Технология оптической пассивной атермализации подразумевает использование различных характеристик тепловых и хроматических аберраций между оптическими материалами и характеристик теплового расширения конструкционных материалов посредством разумного распределения оптической мощности, расстояния между элементами и выбора конструкционных материалов, чтобы система находится в необходимом диапазоне температур. Внутри ее термодефокусировка примерно равна нулю.

Хотя технологию оптической пассивной атермализации сложно реализовать, эффект атермализации хороший, а надежность высокая.

Для инфракрасных оптических линз с большим полем зрения разумная конструкция поля зрения позволяет существенно снизить сложность оптического проектирования, что оказывает важное влияние на улучшение качества изображения и упрощение структуры оптической системы.

Платформы вооружения обычно должны иметь несколько инфракрасных оптических линз со сверхбольшим полем обзора для наблюдения за воздушным пространством на 360° в режиме реального времени. Чтобы избежать слепых зон при сращивании полей зрения и уменьшить степень перекрытия полей зрения, поле зрения единой оптической системы должно быть разумно выбрано.

На рис. 4 показана схема поля зрения, при которой площадь поля зрения, охватываемая одной оптической линзой, составляет 94°×94°, степень перекрытия поля зрения между соседними линзами составляет 4°, а сферический угол 4π пространство объединяется шестью оптическими линзами для достижения полного охвата.

Рис.4. Расположение оптической линзы.

Как и обычные военные инфракрасные оптические системы, методы оценки инфракрасных оптических систем со сверхбольшим полем зрения должны включать функцию оптической передачи (MTF), точечную структуру (RMS), характеристики при высоких и низких температурах (атермический дизайн) и т. д. Кроме того, существуют особые требования к угловому разрешению и концентрации энергии оптической системы.

При фактическом использовании инфракрасной оптической системы с суперполем обзора инфракрасная цель обычно представляет собой точечную цель после отображения оптической системой. По сравнению с информацией о геометрических характеристиках цели, система больше заботится об информации об ее угловом положении, чтобы получить более высокую точность индикации предупреждения. Метод оценки характеристик в конструкции отражается на искажениях системы и равномерности углового разрешения во всем поле зрения.

Общая ситуация с оптической конструкцией такова, что характеристики осевого поля зрения обычно лучше, чем характеристики краевого поля зрения, что хорошо отражается в MTF.

Например, средневолновая инфракрасная линза имеет число F 2, фокусное расстояние 50 мм и поле зрения 6°, при 33 линиях/мм измеренное поле зрения по оси MTF составляет 0,6, а полоса обзора равна 0,4, что означает, что на этой пространственной частоте (обычно характерная частота определяется размером пикселя детектора). Полное поле зрения — это разрешение геометрических особенностей цели лучше, а разрешение поля зрения по оси цели лучше, чем разрешение краевого поля зрения.

Что касается инфракрасной оптической системы с суперполем обзора, то при фактическом использовании цели в основном представляют собой заостренные цели (или цели небольшой площади) после того, как они были отображены оптической системой. Разрешение деталей геометрических особенностей цели не важно, больше интересует система. Это расстояние, на котором цель может быть обнаружена.

Обычно расстояние обнаружения цели в краевом поле зрения и в осевом поле зрения не должно иметь большой разницы. Это отражается в методе оценки оптической схемы концентрации энергии отдельного пикселя, причем оптическая конструкция должна учитывать согласованность концентрации энергии осевого и краевого полей зрения.

В этой статье, в сочетании с реальными инженерными приложениями, конструктивные особенности инфракрасной оптической системы суперполя зрения анализируются с точки зрения режима проецирования, оптической конфигурации, освещенности поверхности изображения, анализа поля зрения, атермализации, метода оценки и т. д. чтобы каждый мог лучше понять характеристики и преимущества инфракрасной оптической линзы с суперполем обзора. Если после прочтения вышеизложенного вы хотите узнать больше об инфракрасных оптических линзах, Quanhom будет рад предоставить вам профессиональные предложения и решения.

Как профессиональный производитель тепловые инфракрасные линзы(включаяЛВИР,МВИРи SWIR), мы завоевали похвалу и доверие многих клиентов благодаря нашим превосходным технологиям и высококачественной продукции. У нас есть профессиональная производственная команда и широкий спектр контроля качества. В то же время мы также можем предоставить продуманное комплексное обслуживание в соответствии с потребностями клиентов. Если вы заинтересованы в нашем объективе LWIR, немедленно свяжитесь с нами!