Comment le système optique infrarouge réalise-t-il la technologie d’athermalisation ?
Les systèmes optiques infrarouges fonctionnent souvent dans des environnements présentant une plage de températures relativement large. Le coefficient de dilatation thermique des matériaux optiques et des matériaux mécaniques et la modification de l'indice de réfraction des matériaux optiques avec la température affecteront sérieusement les performances du système optique.
Comparé aux matériaux optiques dans la bande de lumière visible, l'indice de réfraction de la plupart des matériaux optiques infrarouges change avec le gradient de température dn/dt relativement important, de sorte que l'effet thermique du système optique infrarouge est plus évident.
Afin d'obtenir une qualité d'image satisfaisante, nous pouvons utiliser des méthodes mécaniques (électromécaniques) ou optiques pour réaliser l'athermalisation du système. Par exemple, utiliser un système d'asservissement manuel ou en boucle fermée pour ajuster la distance entre les pièces optiques afin de réaliser le recentrage de Le système dans le nouvel environnement de température. Ou en sélectionnant des matériaux optiques appropriés et en répartissant rationnellement la puissance optique de chaque composant optique pour obtenir une athermalisation optique. Ce qui suit est la méthode spécifique du système optique infrarouge pour réaliser la technologie d'athermalisation.
Méthode optique (technologie d'athermalisation optique)
Le point de départ fondamental de la technologie d'athermalisation optique consiste à utiliser les caractéristiques de température de différents matériaux optiques, telles que le coefficient de dilatation linéaire, le gradient de température de l'indice de réfraction, etc.
Tout en répondant aux exigences de qualité d'imagerie du système, en sélectionnant correctement les matériaux et en répartissant raisonnablement la puissance optique de chaque lentille, de sorte que le degré de défocalisation de l'ensemble du système optique lui-même soit cohérent avec la dilatation thermique du barillet de l'objectif et que la conception de l'athermalisation optique appartienne à compensation passive de la température.
Afin d'obtenir un système optique qui élimine non seulement l'aberration chromatique, mais élimine également l'aberration chromatique, les trois conditions suivantes doivent être remplies : puissance optique, aberration achromatique et dissipation thermique. Le système optique doit fournir au moins trois puissances optiques pour parvenir à l'élimination simultanée des aberrations thermiques et chromatiques.
Une attention particulière est portée au fait que le système optique apporte au moins trois puissances optiques. Cela ne signifie pas que le système optique nécessite au moins trois lentilles. Par exemple, une surface diffractive peut être utilisée dans le système pour contribuer à la puissance optique, réduisant ainsi le nombre de lentilles.
Lors du processus de conception athermique du système optique infrarouge, il convient de prêter attention aux problèmes suivants.
(1) Avec le changement de température, la relation de compensation d'aberration d'origine est détruite et la meilleure position de mise au point du système peut changer de manière non linéaire avec le changement de température.
(2) Pour le système de réflexion, si le matériau du miroir est le même que celui du barillet d'objectif (ou si le matériau a le même coefficient de dilatation thermique), lorsque la température change, le système effectuera uniquement un zoom avant ou arrière pour dans une certaine mesure, et la température affectera les performances du système. Pas grand, en principe, aucune conception de dissipation thermique n'est requise.
(3) Étant donné que le barillet d'objectif mécanique pour installer l'objectif est complexe dans la plupart des cas, le mode d'expansion (ou de contraction) du barillet d'objectif avec différentes structures n'est pas nécessairement le même lorsque la température change. Sur la base de l'équation de chauffage, une analyse spécifique est effectuée en fonction des problèmes spécifiques des différentes structures de barillet d'objectif afin de garantir un bon effet de dissipation thermique.
Compte tenu des facteurs incertains ci-dessus, les systèmes optiques conçus sur la base de la technologie d'athermalisation optique devraient également être équipés de liaisons de réglage pour garantir la praticabilité et la sécurité de la conception.
Méthode de compensation de température mécanique (électromécanique)
La compensation mécanique (électromécanique) de la température peut être divisée en compensation active et compensation passive. La compensation active utilise des méthodes manuelles, mécaniques ou électromécaniques pour ajuster le mécanisme de compensation. La compensation passive utilise des moyens mécaniques, électroniques et autres pour réaliser une recentrage automatique de la surface de l'image.
Compensation de température active mécanique (électromécanique)
D'après la théorie fondamentale de l'optique, nous savons que lorsque la position axiale d'une lentille (ou d'un groupe de lentilles) dans le système optique est modifiée, la position du plan focal du système change en conséquence. La compensation active de température utilise ce principe pour reproduire le système. La méthode de mise au point et de réglage peut être manuelle ou électrique.
Afin d'améliorer la sensibilité de réglage et de maintenir la stabilité de l'axe optique, cette méthode de compensation de température nécessite généralement un mécanisme de transmission mécanique précis. Dans le même temps, la course requise de la lentille de compensation de température doit être étudiée et la lentille la plus sensible affectée par la surface de focalisation doit être sélectionnée comme élément de compensation de température.
La structure de transmission mécanique de base de cette méthode de compensation est fondamentalement la même que le mécanisme de focalisation du système optique. Le procédé est simple dans son principe et facile à mettre en oeuvre, mais il augmente le poids de l'instrument optique, et en même temps entraîne facilement des erreurs de visée.
Compensation de température passive mécanique (électromécanique)
Le principe de la compensation mécanique (électromécanique) passive de la température est fondamentalement le même que celui de la compensation active de la température, sauf que la manière de changer le groupe de lentilles a changé. Il utilise certains matériaux ou mécanismes dotés de fonctions spéciales pour réaliser un réglage automatique.
(1) Compensation mécanique passive de la température
La compensation mécanique passive de la température utilise deux matériaux avec des coefficients de dilatation différents comme corps intérieur du barillet d'objectif. Lorsque la température ambiante change, l'expansion ou la contraction du barillet intérieur entraîne le déplacement axial de la lentille de compensation pour atteindre la stabilité du plan focal. Cette méthode de compensation nécessite une sélection raisonnable de matériaux avec des coefficients de dilatation, des longueurs et une adaptation appropriés au système optique.
(2) Compensation de température passive électromécanique
Une méthode électromécanique de compensation passive de la température. Dans cette méthode, une fois que le capteur de température a mesuré la température ambiante, il transmet le signal au contrôleur. Le contrôleur obtient la quantité de mouvement requise à partir de la base de données en fonction de la valeur de température et entraîne le moteur pour terminer la compensation de température. Les données de la base de données doivent être rigoureusement calibrées au préalable. La compensation mécanique (électromécanique) passive de la température entraînera également des erreurs de visée supplémentaires.
Ce qui précède parle spécifiquement de la méthode de compensation de température du système optique infrarouge, mais le système optique réel ne peut pas atteindre une compensation de température stricte, c'est-à-dire que dans une certaine plage de température, la surface d'image du système ne peut pas être cohérente avec le changement d'objectif. barillet à structure complexe, qui nécessite une tolérance d'erreur pour la compensation de température.
Au sens large, la défocalisation de l’image provoquée par la température peut être considérée comme une sorte d’aberration. Selon la loi de Rayleigh sur l'aberration du système optique, l'erreur de compensation de température doit être contrôlée à son aberration d'onde maximale inférieure à 1/4 de longueur d'onde.
Si la lentille ne permet pas l'intervention de l'utilisateur pendant l'utilisation (par exemple, elle est installée dans un environnement sans surveillance), la lentille infrarouge doit être athermalisée. La lentille LWIR produite par Quanhom adopte une bonne technologie d'athermalisation pour garantir des performances stables pendant le processus de travail. Si vous souhaitez en savoir plus sur les systèmes optiques infrarouges, vous pouvez obtenir des solutions professionnelles en nous contactant.
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