Conception d'un système optique plié infrarouge à longue focale pour système multi-guidé

Ces dernières années, avec le développement rapide de la technologie des détecteurs infrarouges, la taille des pixels du détecteur a progressivement diminué et la taille du réseau a progressivement augmenté. À l'heure actuelle, dans la conception d'un système optique à longue focale infrarouge à ondes moyennes, en raison du prix élevé des matériaux infrarouges de grand diamètre, des structures réfléchissantes sont souvent utilisées, mais le champ de vision ne peut pas être élargi.

Le système d'imagerie infrarouge plié peut combiner les avantages de la transmission et de la réflexion, et présente un rapport téléobjectif et un champ de vision plus grands. En particulier dans le système de guidage hybride multimode, le système optique doit avoir un faible taux d'obscurcissement et une structure compacte pour réduire l'influence sur la détection d'autres modes, et les avantages de cette structure sont plus évidents.

Généralement, la température de l'environnement de travail d'un système de guidage multimode est de -50 à 70 ℃ et l'indice de réfraction du matériau infrarouge est fortement affecté par la température, ce qui réduit considérablement la qualité de l'image.

Analyse de thermalisation actuelle pour les systèmes infrarouges. L'élément diffractif est principalement utilisé pour réaliser des aberrations achromatiques et athermiques en utilisant ses propriétés de dispersion spéciales. Cependant, l’efficacité de diffraction de l’élément diffractif est également un problème à prendre en compte, car cela introduira de la lumière parasite supplémentaire dans le système. De plus, les systèmes électromécaniques de compensation de focalisation active sont également couramment utilisés dans la conception athermique des systèmes optiques infrarouges.

Au vu de l’analyse ci-dessus, un système plié téléobjectif infrarouge adapté au guidage multimode est conçu dans cet article. La plage de longueurs d'onde est de 3,7 μm à 4,8 μm, le nombre F est de 2, l'efficacité du diaphragme froid est de 100 % et la différence de dissipation thermique est réalisée à -50 ~ 70 ℃, la qualité de l'image est proche de la limite de diffraction.

Afin de répondre à l'efficacité du diaphragme froid, le système infrarouge à ondes moyennes doit faire correspondre la pupille de sortie du système avec le diaphragme froid du détecteur. Si la structure du miroir RC est utilisée, l'ouverture du miroir secondaire sera trop grande, ce qui augmentera le taux de blocage du système. Le système de réflexion infrarouge des ondes est généralement réalisé au moyen d'une imagerie secondaire, comme le montre la figure 1. Le groupe avant adopte une structure à double réflexion RC et le groupe arrière adopte un système d'imagerie relais avec un certain grossissement.

Fig.1 Système d'imagerie à relais

La structure initiale du système RC peut être obtenue à partir du rayon de courbure R1 du miroir primaire du système, du taux de blocage α et du grossissement β du miroir secondaire par la formule gaussienne :

Par conséquent, après avoir déterminé la distance focale du miroir primaire ainsi que le rapport de blocage et le grossissement du miroir secondaire, la structure initiale du système RC peut être déterminée.

Le système d'imagerie relais a un certain grossissement W, et le grossissement peut être obtenu en utilisant la distance focale f1 du système de réflexion du groupe avant et la distance focale totale f du système :

La signification physique de chaque variable de la formule (5) est illustrée à la figure 1. Par conséquent, par la formule (5), tant que la structure du système à deux miroirs et les paramètres du détecteur sont déterminés, la position d'imagerie conjuguée et la distance focale du système de relais peut être calculée. Afin de répondre au grand champ de vision et aux exigences achromatiques, le système de relais nécessite généralement 2 à 3 lentilles.

En résumé, la structure initiale de l'ensemble du système optique peut être déterminée à l'aide des formules (1) ~ (5).

Étant donné que le coefficient de température d'indice de réfraction dn/dt des matériaux optiques infrarouges est beaucoup plus grand que celui des matériaux en verre courants dans la région visible, par exemple, la valeur dn/dt du monocristal de germanium (Ge) est d'environ 396 × 10-6 ℃. , tandis que la valeur dn/dt du verre K9 est d'environ 396 × 10-6 ℃. La valeur n’est que de 2,8×10-6°C.

La modification de l'indice de réfraction des matériaux infrarouges à différentes températures entraînera une modification du chemin optique de la lumière dans le système optique. De plus, le changement de température modifiera également l’épaisseur et le rayon de courbure de la lentille, ce qui réduira la qualité de l’imagerie. On constate que lorsque la conception optique infrarouge est réalisée, l'analyse athermique doit être réalisée.

Afin de réaliser la thermalisation du système optique, les méthodes actuellement utilisées peuvent être divisées en trois catégories : mécanique passive, compensation active électromécanique et optique passive. Dans cet article, l'athermalisation du système optique est réalisée par la méthode optique passive.

Le groupe avant du système optique est une structure à réflexion totale. Lorsque le miroir est affecté par une chaleur uniforme et atteint un état thermiquement stable, le changement de forme de sa surface est faible et l'aberration introduite par un seul miroir peut être ignorée. Cependant, l'expansion ou la contraction de la structure de liaison des miroirs primaire et secondaire modifiera l'espacement, qui est la principale source d'aberrations thermiques dans le groupe avant.

Les sources d'aberration générées par la différence de température du système d'imagerie relais comprennent les lentilles et les pièces structurelles. La structure de la lentille doit être constituée de matériaux ayant un faible coefficient de dilatation linéaire, parmi lesquels l'alliage de titane présente non seulement un faible coefficient de dilatation linéaire, mais est également léger et d'une dureté élevée, et constitue un matériau idéal pour les pièces structurelles.

Cela peut réduire la difficulté de la différence de dissipation thermique du système et améliorer la résistance structurelle, mais cela augmentera le coût. Le groupe arrière adopte une structure entièrement transmissive, qui doit être achromatique séparément.

Dans le même temps, il doit également coopérer avec le groupe frontal pour réaliser l'athermalisation de l'ensemble du système et supporter une certaine puissance optique. Cela rend la conception de ce dernier groupe plus difficile, c'est pourquoi une structure en trois parties est proposée pour répondre aux équations suivantes :

Dans la formule, hi est la hauteur du premier rayon paraxial dans chaque groupe de lentilles, et lorsque le système adopte une structure de lentille à contact étroit, hi = h1 ; Φi est la puissance optique de la i lentille ; Φ est la puissance optique totale du groupe arrière ; pi et Φi sont les coefficients athermiques et achromatiques du matériau.

En analysant les caractéristiques de température des matériaux infrarouges à ondes moyennes couramment utilisés en Chine (comme indiqué dans le tableau 1), les données du tableau 1 sont présentées dans les formules (6) ~ (8), et après calcul, le 3 Ge, ZnSe et ZnS sont utilisés. Ce type de matériau peut réaliser la conception du système d'imagerie de relais post-groupe et répondre aux exigences de dissipation thermique.

Afin de corriger l'aberration sphérique d'ordre élevé et le coma dans le système, de réduire la complexité du système et d'améliorer la qualité de l'imagerie, des surfaces asphériques d'ordre élevé sont utilisées sur les surfaces avant du Ge et du ZnSe.

Le système optique est utilisé dans le système de guidage composite infrarouge à ondes moyennes et à ondes millimétriques, donc selon les exigences générales, le miroir principal est partagé par les ondes millimétriques et moyennes, sa forme de surface est paraboloïde et la distance focale F1=240 mm. Le système d'imagerie infrarouge à ondes moyennes adopte un détecteur refroidi avec F/2, 320 × 256 pixels et une taille de pixel de 30 μm. Les paramètres du système optique sont présentés dans le tableau 2.

Les indicateurs de conception sont les suivants. La structure du système optique doit être compacte, le rapport téléobjectif doit être inférieur à 0,6 et l'occlusion centrale doit être inférieure à 30 %. Afin de supprimer au maximum l'influence du rayonnement de fond, il est nécessaire d'obtenir une correspondance d'ouverture froide à 100 %. La conception nécessite que la concentration d'énergie dans le pixel du champ de vision complet soit supérieure à 85 % et que la thermalisation optique passive puisse être réalisée dans la plage de température de -40 à 60 ℃.

Dans la conception, la forme de la surface du miroir principal est un paraboloïde et la distance focale F1 = 120 mm, ce qui non seulement répond aux exigences de l'imagerie à ondes millimétriques, mais facilite également l'installation et la détection du miroir principal et du miroir secondaire. le miroir est un hyperboloïde.

Compte tenu de l'ouverture du miroir secondaire, du taux d'obscurcissement et de la distance entre les deux miroirs, la distance focale du groupe avant est réglée sur 300 mm, le grossissement du système d'imagerie relais est de -1 et la structure en trois parties est adopté, qui sont respectivement Ge, ZnSe et ZnS.

En raison de la longue distance focale et de la grande ouverture du système, il est difficile de corriger les aberrations. Dans la conception, deux surfaces asphériques d'ordre élevé sont mises en place respectivement sur le front de Ge et de ZnSe pour corriger l'aberration sphérique, le coma et l'aberration monochromatique astigmatique dans le système. Les propriétés physiques de ces deux matériaux conviennent au traitement de surfaces asphériques d'ordre élevé.

À l'aide de la fonction de contrainte définie par l'utilisateur du logiciel ZEMAX-EE de Focus Software, le système est optimisé globalement et localement, et enfin, la conception du système optique illustrée à la figure 2 est réalisée. Les diamètres des éléments de transmission sont tous inférieurs à 25 mm, ce qui est bénéfique au contrôle de la qualité et du coût du système.

Fig. 2 Configuration du système optique

Les figures 3 à 5 sont les courbes de fonction de transfert optique du système optique à 20, -50 et 70 ℃, respectivement. On voit sur la figure que la fréquence caractéristique du détecteur est de 17 lp/mm, qu'il s'agisse du champ de vision central ou du bord. La fonction de transfert du système optique est proche du champ de vision.

Fig. 5 Fonction de transfert de modulation à une température de 70 ℃

La figure 6 montre la courbe de concentration d'énergie du système optique à 20 °C. On peut voir sur la figure que dans une taille de pixel de 30 µm, la concentration d'énergie est supérieure à 90 %, ce qui répond aux exigences du système d'imagerie infrarouge.

Fig. 6 Courbe d'encerclement d'énergie à une température de 20 ℃

Afin de vérifier la faisabilité du traitement du système optique et de réduire le coût de traitement, il est nécessaire de procéder à une répartition raisonnable des tolérances. En utilisant à plusieurs reprises l'analyse Monte Carlo de Zemax, nous avons obtenu la distribution de tolérance indiquée dans le tableau 3, dans laquelle la précision de traitement et d'assemblage des miroirs primaires et secondaires est relativement élevée, mais également dans le cadre des techniques de traitement et d'assemblage existantes.

À 20 °C, la fonction de transfert de simulation Monte Carlo correspondante est illustrée à la figure 7. Les résultats montrent que sous l'influence de diverses erreurs aléatoires, la probabilité que la fonction de transfert optique du système soit supérieure à 0,55 est supérieure à 90 %, et le système répond au traitement et à l'ajustement réels. exigences en matière d'imagerie.

Fig. 7 Courbe MTF après simulation Ment-Karol à la température de 20℃

Dans le système optique infrarouge, l’influence du rayonnement parasite sur la qualité de l’image devient un facteur à prendre en compte. La suppression de la lumière parasite du système d'imagerie secondaire plié peut adopter les méthodes suivantes : premièrement, pour la lumière parasite provenant de l'extérieur du champ de vision de l'imagerie, le tube d'ombrage du miroir primaire et le tube d'ombrage du miroir secondaire peuvent être utilisés, et les tubes intérieur et extérieur les surfaces peuvent être traitées ultérieurement avec des fils d'extinction pour réduire efficacement les miroirs primaires et secondaires.

La lumière parasite entrant dans le détecteur est réfléchie plusieurs fois, et la lumière parasite incidente en dehors du champ de vision du miroir principal peut être contrôlée en réglant la longueur du barillet du miroir principal ; Deuxièmement, la partie d'imagerie secondaire est utilisée et la limite du diaphragme de champ est ajoutée près du faisceau d'entrée de la surface d'imagerie primaire.

Enfin, Lighttools est utilisé dans cet article pour séparer la lumière efficace de la lumière parasite en utilisant la méthode du chemin de lumière inverse et enfin obtenir le coefficient de lumière parasite exprimé en pourcentage.

Au cours de l'analyse, comme la transmission de chaque surface n'a pas été réellement mesurée, la réflectivité de 2 % a été prise selon l'expérience et 10 rayons ont été tracés. L'énergie lumineuse du récepteur de droite représentait 96 % de l'énergie de sortie totale.

On peut analyser que l'énergie de la lumière parasite du système optique représente 2% de l'énergie reçue par le détecteur, ce qui peut répondre aux besoins de détection par imagerie.

Fig. 8 Raytrace basé sur Lighttools