Tecnología atérmica/atermalización para sistemas ópticos infrarrojos

En comparación con los materiales ópticos en la banda de luz visible, el índice de refracción de la mayoría de los materiales ópticos infrarrojos cambia con el gradiente de temperatura dn/dt relativamente grande, por lo que el efecto térmico del sistema óptico infrarrojo es más obvio. Además, algunos documentos y fabricantes de materiales dan a veces índices de refracción de los materiales, especialmente coeficientes de expansión térmica, que son bastante diferentes. Como diseñador riguroso, estos coeficientes deben verificarse o comprobarse.

Para obtener una calidad de imagen satisfactoria, muchos sistemas utilizan tecnología de atermalización para enfocar el sistema. La compensación de temperatura también es una tecnología compleja. Podemos utilizar métodos mecánicos (electromecánicos) u métodos ópticos para lograr la atermalización del sistema. Por ejemplo, utilice un servosistema manual o de circuito cerrado para ajustar la distancia entre las piezas ópticas para realizar el sistema en un nuevo entorno de temperatura. Reenfocando o seleccionando materiales ópticos apropiados y distribuyendo racionalmente la potencia óptica de cada componente óptico, se puede lograr la atermalización en el sentido óptico.

El punto de partida principal de la tecnología de atermalización óptica es utilizar las características de temperatura de diferentes materiales ópticos, como el coeficiente de expansión lineal, el gradiente de temperatura del índice de refracción y más, al mismo tiempo que se cumplen los requisitos de calidad de imagen del sistema, se seleccionan adecuadamente los materiales y se distribuye razonablemente la radiación óptica. potencia de cada lente. De modo que la cantidad de desenfoque de todo el sistema óptico sea consistente con la expansión térmica del cilindro de la lente. El diseño de atermalización óptica pertenece a la compensación pasiva de temperatura.

Para obtener un sistema óptico que elimine no solo la aberración cromática sino que también la elimine, se deben cumplir las siguientes tres condiciones: potencia óptica, aberración acromática y disipación de calor. El sistema óptico necesita aportar al menos tres potencias ópticas para conseguir la eliminación simultánea de las aberraciones térmicas y cromáticas.

Atención especial: El sistema óptico aporta al menos tres potencias ópticas no significa que el sistema óptico necesite al menos tres lentes. Por ejemplo, se puede utilizar una superficie difractiva para aportar potencia óptica, reduciendo así el número de lentes.

Problemas a los que se debe prestar atención en el diseño de atermalización óptica.

En el proceso de diseño atérmico del sistema óptico infrarrojo, se debe prestar atención a las siguientes cuestiones:

Con el cambio de temperatura, la relación de compensación de aberración original se destruye y la mejor posición de enfoque del sistema puede cambiar de forma no lineal con el cambio de temperatura.

Para el sistema reflectante, si el material del reflector es el mismo que el material del cilindro de la lente (o el material tiene el mismo coeficiente de expansión térmica), cuando la temperatura cambia, el sistema solo acercará o alejará el zoom hasta cierto punto. , y la temperatura tiene poco efecto en el rendimiento del sistema. En principio, no se requiere ningún diseño de disipación de calor.

Dado que el cilindro de lente mecánico para instalar la lente es complejo en la mayoría de los casos, la forma de expansión (o contracción) del cilindro de lente con diferentes estructuras no es necesariamente la misma cuando cambia la temperatura. El diseño de atermalización debe basarse en la ecuación de atermalización dada anteriormente. Basado en los problemas específicos de la estructura de diferentes cilindros de lentes, análisis específicos para garantizar un buen efecto de disipación de calor.

En vista de los factores inciertos mencionados anteriormente, los sistemas ópticos diseñados basándose en tecnología de atermalización óptica también deberían estar equipados con enlaces de ajuste para garantizar la viabilidad y seguridad del diseño.

A partir de la teoría básica de la óptica, sabemos que cuando se cambia la posición axial de una lente (o grupo de lentes) en el sistema óptico, la posición del plano focal del sistema cambiará en consecuencia. La compensación activa de temperatura utiliza este principio para reproducir el sistema. El método de enfoque y ajuste puede ser manual o eléctrico.

Para mejorar la sensibilidad del ajuste y mantener la estabilidad del eje óptico, este método de compensación de temperatura generalmente requiere un mecanismo de transmisión mecánico preciso. Al mismo tiempo, se debe investigar la carrera requerida de la lente de compensación de temperatura y se debe seleccionar la lente más sensible afectada por la superficie de enfoque como elemento de compensación de temperatura. La estructura de transmisión mecánica básica de este método de compensación es básicamente la misma que la del mecanismo de enfoque del sistema óptico. El método es simple en principio y fácil de implementar, pero aumenta el peso del instrumento óptico y, al mismo tiempo, provoca fácilmente errores de puntería.

Compensación pasiva de temperatura mecánica (electromecánica)

El principio de la compensación de temperatura pasiva mecánica (electromecánica) es básicamente el mismo que el de la compensación de temperatura activa, excepto que la forma de cambiar el grupo de lentes ha cambiado. Utiliza ciertos materiales o mecanismos con funciones especiales para lograr el ajuste automático.

Un método mecánico de compensación pasiva de temperatura que utiliza dos materiales con diferentes coeficientes de expansión como el cilindro interno del cilindro de la lente. Cuando la temperatura ambiente cambia, la expansión o contracción del cilindro interior hace que la lente de compensación se mueva axialmente para lograr la estabilidad del plano focal. Este método de compensación requiere una selección razonable de materiales con coeficientes de expansión, longitudes y coincidencia adecuados con el sistema óptico.

Un método electromecánico de compensación pasiva de temperatura. En este método, después de que el sensor de temperatura mide la temperatura ambiente, transmite la señal al controlador. El controlador obtiene la cantidad de movimiento requerida de la base de datos de acuerdo con el valor de temperatura y acciona el motor para completar la compensación de temperatura. Los datos de la base de datos deben calibrarse rigurosamente de antemano. La compensación pasiva de temperatura mecánica (electromecánica) también provocará errores de orientación adicionales.

Comparación de diferentes métodos de atermalización.

Tolerancia a errores de compensación de temperatura

Mencioné los siguientes métodos de compensación de temperatura para sistemas ópticos infrarrojos, pero el sistema óptico real no puede lograr una compensación de temperatura estricta. Es decir, en un cierto rango de temperatura, la superficie de la imagen del sistema no puede ser consistente con los cambios del cilindro de la lente con estructura compleja, lo que requiere una tolerancia de error para la compensación de temperatura. En un sentido amplio, el desenfoque de la imagen provocado por la temperatura puede considerarse una especie de aberración. De acuerdo con la ley de Rayleigh de la aberración del sistema óptico, el error de compensación de temperatura debe controlarse en su máxima aberración de onda inferior a 1/4 de longitud de onda.

Atención especial: si el sistema óptico permite enfocar durante el uso, entonces el sistema no necesita ningún diseño térmico, así que asegúrese de comprender los requisitos del usuario antes de diseñar.