Пример конструкции инфракрасных оптических линз с суперполем обзора

Выше мы в основном говорили о конструктивных характеристиках инфракрасной оптической линзы с суперполем обзора. В этой статье мы объединим эти конструктивные особенности и приведем конкретные примеры конструкции, чтобы каждый мог более интуитивно почувствовать и проанализировать характеристики инфракрасной оптической линзы с суперполем обзора.

Ниже приведен конкретный пример конструкции, а конкретные требования заключаются в следующем:

1. Требования к расположению поля зрения

(1) Диапазон сращивания поля зрения: сферическое воздушное пространство 4π.

(2) Количество оптических линз: 6

(3) Поле зрения одной оптической линзы постоянное.

(4) Степень перекрытия поля зрения соседней линзы не менее 4°.

2. Детектор

(1) Количество пикселей: 1 024 × 1 024

(2) Размер пикселя: 15 мкм.

(3) Ф/#: 2

3. Требования к оптической конструкции

(1) Длина волны: 3,7～4,95 мкм.

(2) Освещенность краевого поля зрения≥90%

(3) Неравномерность IFOV≤±5%

(4) MTF: ≥0,4(при 33 лип/мм)

(5) Сходимость энергии: ≥60% (15 мкм).

(6) Диапазон температур: -55~70℃.

(7) Длина линзы: ≤70 мм.

Согласно требованиям поля зрения, минимальное расчетное поле зрения оптической системы может быть получено численным итеративным расчетом как 116°. В это время эффективное поле зрения изображения каждой оптической линзы на плоскости изображения детектора показано на рисунке 5, а рассчитанное поле зрения перекрывается. Минимальная скорость составляет 4 °, максимальная - 12,7 °, а пиксель коэффициент использования детектора составляет 96,5%.

Рис.5. Схема расположения фактического поля изображения оптической линзы.

Инфракрасный детектор относится к охлаждающему типу. Чтобы достичь 100% эффективности холодной апертуры и большого поля зрения, оптическая система должна иметь оптическую конфигурацию, показанную на рисунке 3; чтобы гарантировать, что неравномерность углового разрешения каждого пикселя во всем поле зрения составляет ≤±5%, применяется метод проекции h = f θ; использует кому диафрагмы для введения большого количества отрицательного виньетирования за пределами оси для улучшения освещенности на краю поля зрения; Чтобы обеспечить превосходное качество изображения оптической системы в диапазоне −55～70 ℃, используйте оптически пассивную схему атермализованной конструкции.

Окончательная оптимизированная схема оптического пути показана на рисунке 6. В системе используются только четыре линзы для достижения атермализованной конструкции без дифракционных поверхностей; компактная конструкция, общая длина объектива 69 мм; среди них оптические и механические детали конструкции являются обрабатываемыми и легкими. Учитывая адаптацию к окружающей среде, выбран алюминиевый сплав 7075 с коэффициентом теплового расширения 23,6×10-6 /℃.

Рис.6 Схема оптической системы

За счет введения большого количества отрицательного виньетирования для улучшения освещенности краевого поля зрения окончательный результат оптимизации показан на рисунке 7. Освещенность краевого поля зрения составляет 90,3% от центрального поля зрения, что соответствует требования к дизайну.

Рис.7 Схема освещенности каждого поля зрения

Степень сходимости энергии одиночного пикселя (15 мкм) оптической системы при 20, −55, 70 ℃ показана на рисунке 8. Из рисунка видно, что концентрация энергии одиночного пикселя во всей Поле зрения однородно в диапазоне от −55 до 70 ℃. Более 75%.

Анализ искажений и углового разрешения оптической системы показан на рисунке 9. Красная кривая — это кривая искажения f − θ, а зеленая кривая — кривая углового разрешения. Из рисунка видно, что максимальное отклонение углового разрешения каждого пикселя в полном поле зрения (±58°) составляет 2,5%.

Рис.8 Энергетическая диаграмма детектора каждого поля зрения

Рис.9 Искажение и угловое разрешение каждого поля зрения

В программном обеспечении для оптического проектирования CODEV для анализа используются настройки допуска по умолчанию, а результат показан на рисунке 10. Из рисунка видно, что допуски каждого поля зрения хорошо согласуются. При пространственном выравнивании 33 циклов/мм существует вероятность 97,7%, что MTF полного поля зрения в сагиттальном направлении лучше 0,42, а MTF полного поля зрения в меридиональном направлении лучше 0,4. .

Основываясь на опыте, отвечайте требованиям использования. В программном обеспечении для моделирования рассеянного света Tracepro создается модель моделирования холодного отражения противоположного оптического пути, как показано на рисунке 11 (a), а на рисунке 11 (b) показано распределение освещенности, полученное при моделировании противоположного оптического пути поверхности изображения; На рис. 11(в) показано распределение эквивалентной разности температур в рабочей полосе поверхности изображения. Обычно системный NETD составляет около 25 мК.

(а) Сагиттальное направление

(б) Тангенциальное направление

Рис.10 Анализ допусков

(а) Моделирование анализа Нарцисса

(b)Распределение освещенности (c) Распределение NETD

Рис.11 Результаты моделирования и моделирования анализа нарцисса

Из рисунка видно, что максимальная эквивалентная разность температур холодного отражения составляет 17,3 мК, что меньше, чем у системы NETD, и холодное отражение соответствует требованиям применения.

Инфракрасная оптическая линза с суперполем обзора, поле зрения которой обычно превышает 90°, в основном используется в вооруженных силах для предупреждения и индикации приближающихся ракет или целей, представляющих угрозу в инфракрасном диапазоне. Это важный военный оптоэлектронный продукт. По сравнению с обычной инфракрасной оптикой, поле зрения суперинфракрасная оптическая линза имеет множество различных характеристик. В статье приведены конкретные примеры проектирования, имеющие определенное руководящее значение для проектирования оптической системы такого типа.

Если вы хотите узнать больше об этом после прочтения вышеизложенного. Как опытный эксперт по инфракрасным оптическим линзам, Quanhom может предоставить вам разнообразные профессиональные советы.

Quanhom является профессиональным производителемОптико-электромеханические компоненты, мы стремимся производить различные инфракрасные тепловизионные линзы (включая LWIR, MWIR и SWIR). У нас есть опытная производственная команда и строгая система контроля качества для проведения строгих испытаний и проверок качества нашей продукции, которая завоевала единодушную оценку многих клиентов. Мы всегда ставим потребности клиентов на первое место и можем предоставить клиентам эффективные технологии решения и продуманное комплексное обслуживание. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных оптических линзах, пожалуйста, немедленно свяжитесь с нами!

Использованная литература:

[1] Чжан Юаньшэн. Разработка бортовой оптико-электронной системы оповещения [J]. Электроника, оптика и управление, 2015, 22(6): 52−55. (на китайском языке)

[2] Хуан Фую, Шэнь Сюэцзюй, Хэ Юнцян и др. Анализ производительности системы формирования изображений со сверхшироким полем зрения, используемой для обнаружения космических целей [J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2015, 44(10): 3134−3140. (на китайском языке)

[3] Ян Шэнцзе. Оптическая схема охлаждаемой средневолновой инфракрасной широкоугольной системы высокого разрешения [J]. Acta Optica Sinica, 2012, 32(8): 0822003. (на китайском языке)

[4] Хирш И., Шкеди Л., Чен Д. и др. Гибридный двухцветный MWIR-детектор для бортовых систем предупреждения о ракетном нападении[C] // Труды SPIE, 2012, 12: 83530H1-12.

[5] Тао Чжи, Ван Минь, Сяо Вэйцзюнь и др. Разработка охлаждаемой двухдиапазонной инфракрасной рефракционно-дифракционной гибридной оптической системы с атермализацией и широким полем обзора [J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(11): 1122004. (на китайском языке)

[6] Оскоцкий. Широкоугольный объектив MWIR F-Theta: Россия, 236344A1[P].2018.

[7] Чен Чен, Ху Чуньхай, Ли Вэйшань и др. Метод расчета относительной освещенности плоскости изображения объектива [Дж]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(11): 1108001. (на китайском языке)

[8] Чжун Син, Чжан Юань, Цзинь Гуан. Оптимизация равномерности освещения оптической системы с широким полем зрения [J]. Акта Оптика Синика