Разработка длинноволновой атермальной линзы инфракрасного диапазона для детектора с большой решеткой

Разработка длинноволновой атермальной линзы инфракрасного диапазона для детектора с большой решеткой

Резюме

В этой статье длинноволновая инфракрасная оптическая атермальная линза разработана для удовлетворения потребностей матричных детекторов большой площади, атермальной конструкции с высоким качеством изображения и длинноволновых инфракрасных линз со средним и длинным фокусным расстоянием.

Разработка длинноволновой атермальной линзы инфракрасного диапазона для детектора с большой решеткой
С развитием инфракрасной оптики существует высокий спрос на инфракрасные линзы как в военной, так и в гражданской сфере. Из-за низкой стоимости и простой конструкции неохлаждаемых инфракрасных линз спрос на рынке также растет. В свою очередь, требования к полю зрения и экологичности неохлаждаемых линз становятся все выше и выше, особенно в условиях высоких и низких температур.

В настоящее время большинство инфракрасных линз на рынке сочетаются с детекторами 384×288, 25 мкм или 640×512, 17 мкм, в то время как большинство атермических конструкций обеспечивают компенсацию высоких и низких температур за счет активной механической компенсации, а также существует небольшое количество продуктов. . Реализована механическая пассивная атермальная конструкция, а в небольшом количестве линз реализована оптическая пассивная атермальная конструкция.

Среди них эта часть оптической пассивной атермализованной линзы делится на две категории: одна реализована за счет сочетания различных материалов и асферических поверхностей, большинство таких линз являются короткофокусными; Реализован производный гибрид, качество изображения хорошее, а в атермализации сделан большой прорыв.

Чтобы удовлетворить потребности матричных детекторов большой площади, атермальной конструкции с высоким качеством изображения и длинноволновых инфракрасных линз со средним и длинным фокусным расстоянием, в этой статье реализована длинноволновая инфракрасная оптическая атермализованная линза. Объектив состоит из 4 линз, в которых используются два инфракрасных материала (HWS6 и материал сульфида цинка) и асферические поверхности для достижения оптической атермализации.

Поскольку используемый детектор представляет собой массив большой площади, увеличивается количество пикселей, улучшается разрешение системы и наблюдаемое поле зрения, но в то же время это увеличивает сложность коррекции аберраций оптической системы. Эта линза может соответствовать неохлаждаемому детектору с большой площадью матрицы 1024 × 768 и размером 17 мкм.

Благодаря оптимизации программного обеспечения для оптического проектирования значение MTF 0 полей зрения превышает 0,45, значение MTF одного поля зрения превышает 0,35, а значение MTF одного поля зрения превышает 0,35 в диапазоне рабочих температур -60°C~+100°C и при пространственной частоте 30 lp/мм и при -60. В диапазоне температур -60°C~+100°C значение MTF равно каждое поле зрения не сильно меняется, и реализована конструкция оптической атермализации широкого температурного диапазона.

Объектив обладает преимуществами простой конструкции, большой площади матрицы, высокого разрешения, широкого диапазона рабочих температур, хорошей технологичности и т. д. и может использоваться в таких областях, как системы самонаведения или обнаружения космического пространства.

1. Проектирование оптической системы

Длинноволновая инфракрасная оптическая атермизационная линза с матрицей большой площади адаптирована к неохлаждаемому длинноволновому инфракрасному матричному детектору в фокальной плоскости с разрешением 1024×768, а размер пикселя детектора составляет 17 мкм. Конструктивные показатели инфракрасной линзы приведены в таблице 1.
1.1 Дизайнерское мышление

Фокусное расстояние объектива, спроектированного в данной статье, составляет 90 мм. Для реализации конструкции оптической атермализации используется комбинация инфракрасного халькогенидного материала и сульфида цинка для устранения влияния температуры на оптическую систему. По сравнению с германиевыми материалами показатель преломления халькогенидных материалов меньше меняется с температурой.

Температурный коэффициент показателя преломления германия составляет 39,6×10-5/°С. Когда температура окружающей среды сильно меняется, атермический расчет затруднен, а температурный коэффициент показателя преломления халькогенидных материалов составляет всего около 1/6 от германия.

Чтобы оптическая система имела хорошие характеристики в определенном температурном диапазоне, конструкция должна одновременно отвечать требованиям оптической мощности, коррекции хроматической аберрации и атермической аберрации, то есть она должна удовлетворять формуле распределения мощности, ахроматической уравнение и атермическая аберрация.

Согласно некоторым сообщениям в стране и за рубежом: чтобы одновременно удовлетворить формулу распределения мощности, ахроматическое уравнение и атермическое уравнение, необходимо изменить кривизну изогнутой поверхности или использовать различные материалы для исправления аберрации, что значительно увеличивает сложность конструкции системы, и для того, чтобы система отвечала требованиям оптической мощности, коррекции хроматической аберрации и рассеивания тепла одновременно, необходимы как минимум три вида материалов, поэтому структура системы усложняется.

Но в этой статье для взаимодействия друг с другом используются два типа инфракрасных материалов, а именно халькогенидный материал HWS6 (коэффициент термического расширения составляет 22×10-6/°C) и материал сульфида цинка, который имеет большую оптическую власть. Конструкция атермализации реализована за счет комбинации положительной линзы 1026 HWS6, отрицательной линзы из сульфида цинка, положительной линзы из сульфида цинка и отрицательной линзы HWS6.

При этом, поскольку большое влияние на атермализацию оказывает воздушный зазор между первой и второй линзами, материал оправы линзы в этой части выбран из инварного материала с малым коэффициентом термического расширения (коэффициент термического расширения 8×10 -6/°С), остальные изготовлены из алюминиевого сплава (коэффициент термического расширения 23×10-6/°С).

Наконец, конструкция разницы в рассеивании тепла реализована с помощью вышеуказанных конструктивных идей, структура проста и технологичность хорошая.

Чтобы соответствовать матричному детектору большой площади, лучше исправить аберрации оптической системы и получить оптическую систему с большим полем зрения, хорошим качеством изображения и высоким разрешением, в этой статье представлены две асферические поверхности четного порядка. . Система состоит из 4 линз, 2-я и 4-я поверхности представляют собой асферические поверхности четного порядка.

Первым материалом линзы является халькогенидный материал HWS6. Хотя материал относительно мягкий, подготовить асферические поверхности сложно. Однако с развитием технологии алмазного точения может быть реализован процесс точения асферических поверхностей на халькогенидных материалах. Более того, материал первой линзы представляет собой халькогенидный материал, а ее апертура относительно велика, поэтому использование на ней асферической поверхности может еще больше улучшить качество изображения. В настоящее время в различных конструкциях атермальных инфракрасных линз широко используются халькогенидные линзовые элементы с асферическими поверхностями.

Две введенные асферические поверхности четного порядка выражаются следующим образом:
В формуле: с=1/r0; к=-е2; А1, А2, А3, А4 и т. д. — коэффициенты старшего порядка, в большинстве случаев А1 принимает 0; r – нормированная координата радиуса; с – опорная поверхность асферической поверхности или кривизна вспомогательной сферы; k — степень конусности. В конструкции данной статьи выбраны только элементы r4, r6 и r8 в формуле (1) (при этом второй коэффициент асферичности поверхности: A2=6,915×10-8, A3=8,094×10-14, A4=1,475 ×10-16, коэффициент асферичности четвертой поверхности: А2=2,569×10-8, А3=-7,371×10-11, А4=3,531×10-13).

1.2 Результаты проектирования

Схема оптической структуры длинноволновой инфракрасной атермальной линзы большой площади, оптимизированной с помощью программного обеспечения для проектирования ZEMAX, показана на рисунке 1. Структурные параметры оптической системы: рабочий диапазон 8-12 мкм, центральная длина волны 10 мкм, эффективное фокусное расстояние — 90 мм, число F — 1, полное поле зрения — 13,8°, общая длина системы — 108 мм, диапазон рабочих температур — -60 °C ~ 100 °C.

Система состоит из 4 линз, 2-я и 4-я поверхности представляют собой асферические поверхности четного порядка. Оптическая система состоит из структур «+», «-», «+» и «-» и предназначена для атермализации за счет взаимодействия двух инфракрасных материалов (халькогенидного материала HWS6 и материала сульфида цинка).
Рис.1 Схема строения оптической системы
2. Оценка качества изображения

Рисунок 2 представляет собой кривую MTF системы. Поскольку размер пикселя составляет 17 мкм×17 мкм, его предельное разрешение составляет FN=29,4 пл/мм. Из рис. 2 видно, что при пространственной частоте 30 пл/мм значение МПФ 0 полей зрения больше 0,45, значение МПФ 1 поля зрения больше 0,35, а МПФ 1 поля зрения больше 0,45. значение каждого поля зрения не меняется в диапазоне температур от -60°С до +100°С. Он реализует конструкцию оптической атермализации с широким диапазоном температур и отвечает требованиям атермализации высокого качества изображения. В таблице 2 приведены значения MTF оптической системы при различных температурах.
Рис.2 Кривые MTF системы
В таблице 3 показаны изменения фокусного расстояния и спекла после атермализации. Из таблицы 3 видно, что в диапазоне температур от -60 °C до 100 °C максимальный радиус пятна рассеивания практически не изменяется, что соответствует требованиям конструкции разности теплоотдачи. Это показывает, что система имеет лучшее качество изображения и лучшую конструкцию рассеивания тепла.
В таблице 3 показаны изменения фокусного расстояния и спекла после атермализации. Из таблицы 3 видно, что в диапазоне температур от -60 °C до 100 °C максимальный радиус пятна рассеивания практически не изменяется, что соответствует требованиям проектирования разницы теплоотдачи. Это показывает, что система имеет лучшее качество изображения и лучшую конструкцию рассеивания тепла.
Рис.3 Кривые поля и искажения(@20°C)

3. Заключение

В данной работе спроектирована длинноволновая инфракрасная оптическая атермальная линза с фокусным расстоянием 90 мм, относительным отверстием 1:1 и полным полем зрения 13,8°. Совместим с неохлаждаемыми детекторами с большой площадью матрицы 1024°C×768 и размером 17 мкм. Для отслеживания, поиска, мониторинга и других полей.

Преимущества объектива заключаются в простой конструкции, большой площади матрицы (большом поле зрения), высоком разрешении, широком диапазоне рабочих температур и хорошей технологичности. Он имеет широкий спектр перспектив применения в военной и гражданской сферах, например, в ГСН или освоении космоса.

Как профессиональный производительтепловые инфракрасные линзы (включая LWIR, MWIR и 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!

Рекомендации:

[1] ЧЖАН Синьтин, Ань Чжиюн. Разработка двухдиапазонной инфракрасной атермальной оптической системы с двухслойным гармоническим дифракционным элементом [J]. Инфракрасные технологии, Acta Optica Sinica, 2013, 33(6): 0622004.

[2] БАЙ Юй, Ляо Чжиюань, Ли Хуа и др. Применение халькогенидного стекла в современных инфракрасных тепловизионных системах[J]. Китайская оптика, 2014, 7(3): 449-455.

[3] ЧЖАН Синь, ЦЯО Яньфэн, Чжу Минчао и др. Двухлинзовый атермальный инфракрасный телеобъектив[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(8): 0822004.

[4] М.И. Шилун, М.У. Да, М.У. Мэн. Атермализация компактной оптической системы LWIR[J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2015, 44(10): 3032-3036.

[5] Цзян Лунь, Ху Юань, Дун Кеян и др. Пассивная атермальная конструкция двухдиапазонной инфракрасной оптической системы[J]. Инфракрасная и лазерная техника, 2015, 44(11): 3353-3357.

[6] ПАНЬ Цзюньхуа. Проектирование, производство и тестирование асферной оптики[М]. Сучжоу: издательство Сучжоуского университета, 2004: 1–6.

[7] Вэй Хели, Чэнь Сюхун, РАО Жуйчжун и др. Модель пропускания со средним спектральным разрешением, основанная на построчном расчете[J]. Опция Экспресс, 2007, 15(13): 8360-8370.

[8] Сафрен Х. Г. Компьютерный код для построчного расчета спектров пропускания атмосферы на микрокомпьютере[R]. НАСА-ТМ-100686, 1987 г.

[9] ЧЭНЬ Фанфанг, ГЭН Жуй, Л.В. Юн. Исследования по пропусканию
модель лазерного инфракрасного атмосферного пропускания[J]. Инфракрасные технологии, 2015, 37(6): 496-501.

[10] ФАН Цзин, ЛЮ Вэньцин, ЧЖАН Тяньшу. Построчный след газа
Модель поглощения и ее применение в технологии обнаружения газа NDIR[J]. Спектроскопия и спектральный анализ, 2008, 28(6): 1269-1271.

[13] Гамаш Р.Р., Кеннеди С., Хокинс Р. и др. Полные внутренние суммы распределения молекул в земной атмосфере[J]. Дж. Молекулярная структура, 2000, 517-518(16): 407-425.

[11] Хуэй А.К., Армстронг Б.Х., Рэй А.А. Быстрое вычисление Фойгта.
и сложные функции ошибок [J]. Дж. Квантит. Спектроск. и перенос излучения, 1978, 19(5): 509-516.

[12] Линь Цзэли. Исследование профиля спектральных линий и ширины линий молекулярных спектров высокого разрешения (насыщения) и их применение[D]. Ухань: Институт физики и математики Китайской академии наук, 2000.

[13] Оливеро Дж. Дж., Лонгботум Р. Л. Эмпирическая подгонка к ширине линии Фойгта: A
Краткий обзор[J]. Кол-во. Спектроск. и перенос излучения, 1977, 17(2): 233-236.