Technologie athermique/athermalisation pour les systèmes optiques infrarouges

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. De plus, certains documents et fabricants de matériaux donnent parfois des indices de réfraction des matériaux, notamment des coefficients de dilatation thermique, qui sont assez différents. En tant que concepteur rigoureux, ces coefficients doivent être vérifiés ou vérifiés.

Afin d'obtenir une qualité d'image satisfaisante, de nombreux systèmes utilisent la technologie d'athermalisation pour focaliser le système. La compensation de température est également une technologie complexe. Nous pouvons utiliser des méthodes mécaniques (électromécaniques) ou des méthodes optiques pour réaliser l'athermalisation du système. Par exemple, utilisez un système d'asservissement manuel ou en boucle fermée pour ajuster la distance entre les pièces optiques afin de réaliser le système dans un nouvel environnement de température. En recentrant ou en sélectionnant des matériaux optiques appropriés et en répartissant rationnellement la puissance optique de chaque composant optique, l'athermalisation au sens optique peut être obtenue.

Le principal point de départ 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 l'optique. puissance de chaque objectif. De sorte que le degré de défocalisation de l'ensemble du système optique lui-même soit cohérent avec la dilatation thermique du barillet d'objectif. La conception d'athermalisation optique appartient à la 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.

Attention particulière : Le système optique apporte au moins trois puissances optiques ne signifie pas que le système optique a besoin d'au moins trois lentilles. Par exemple, une surface diffractive peut être utilisée pour apporter une puissance optique, réduisant ainsi le nombre de lentilles.

Problèmes auxquels il convient de prêter attention lors de la conception de l'athermalisation optique.

Lors du processus de conception athermique du système optique infrarouge, il convient de prêter attention aux problèmes suivants :

Avec le changement de température, la relation initiale de compensation des aberrations est détruite et la meilleure position de mise au point du système peut changer de manière non linéaire avec le changement de température.

Pour le système réfléchissant, si le matériau du réflecteur est le même que celui du barillet de l'objectif (ou si le matériau a le même coefficient de dilatation thermique), lorsque la température change, le système ne zoomera ou dézoomera que dans une certaine mesure. , et la température a peu d’effet sur les performances du système. En principe, aucune conception de dissipation thermique n'est requise.

Étant donné que le barillet d'objectif mécanique pour l'installation de 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. La conception de l'athermalisation doit être basée sur l'équation d'athermalisation donnée ci-dessus. Basé sur les problèmes spécifiques de la structure des différents barillets d'objectif, analyse spécifique pour 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.

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.

Une méthode mécanique passive de compensation de température qui 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 corps interne entraîne un déplacement axial de la lentille de compensation pour obtenir 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.

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.

Comparaison de différentes méthodes d'athermalisation

Tolérance d'erreur de compensation de température

J'ai mentionné les méthodes de compensation de température suivantes pour les systèmes optiques infrarouges, mais le système optique lui-même ne peut pas atteindre une compensation de température stricte. Autrement dit, dans une certaine plage de température, la surface de l'image du système ne peut pas être cohérente avec les changements du barillet d'objectif à structure complexe, ce 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.

Attention particulière : si le système optique permet la mise au point pendant l'utilisation, le système n'a pas du tout besoin d'une conception thermique, alors assurez-vous de comprendre les exigences de l'utilisateur avant de le concevoir.