Conception d'une lentille d'athermalisation infrarouge à grande longueur d'onde pour un détecteur à grande matrice

Avec le développement de l’optique infrarouge, il existe une forte demande de lentilles infrarouges dans les domaines militaire et civil. En raison du faible coût et de la structure simple des lentilles infrarouges non refroidies, la demande du marché augmente également. À leur tour, les exigences en matière de champ de vision et d’adaptabilité environnementale des lentilles non refroidies sont de plus en plus élevées, en particulier dans les environnements à haute et basse température.

À l'heure actuelle, la plupart des lentilles infrarouges sur le marché sont associées à des détecteurs 384 × 288, 25 μm ou 640 × 512, 17 μm, tandis que la plupart des conceptions athermiques permettent une compensation des températures élevées et basses grâce à une compensation mécanique active, et il existe également un petit nombre de produits. . La conception athermique passive mécanique a été réalisée, et un petit nombre de lentilles ont réalisé la conception athermique passive optique.

Parmi eux, cette partie de la lentille optique athermalisée passive est divisée en deux catégories : l'une est réalisée par une combinaison de divers matériaux et surfaces asphériques, la plupart de ces lentilles sont des lentilles à courte focale ; Un dérivé hybride est réalisé, la qualité de l'image est bonne et une avancée majeure a été réalisée en matière d'athermalisation.

Afin de répondre aux besoins des détecteurs à grande surface, de la conception athermalisée de haute qualité d'imagerie et des lentilles infrarouges à ondes longues de focales moyennes et longues, une lentille athermalisée optique infrarouge à ondes longues est mise en œuvre dans cet article. La lentille se compose de 4 lentilles, utilisant deux matériaux infrarouges (HWS6 et sulfure de zinc) et des surfaces asphériques pour obtenir une conception d'athermalisation optique.

Étant donné que le détecteur utilisé est un réseau à grande surface, le nombre de pixels est augmenté, la résolution du système est améliorée ainsi que le champ de vision observé, mais en même temps, cela augmentera la difficulté de correction des aberrations du système optique. Cet objectif peut correspondre au détecteur non refroidi à grande surface de 1024 × 768, 17 μm.

Grâce à l'optimisation du logiciel de conception optique, la valeur MTF du champ de vision 0 est supérieure à 0,45, la valeur MTF d'un champ de vision est supérieure à 0,35 et la valeur MTF d'un champ de vision est supérieure à 0,35 dans la plage de température de fonctionnement de -60°C~+100°C, et à la fréquence spatiale de 30lp/mm, et à -60 Dans la plage de température de -60°C~+100°C, la valeur MTF de chaque champ de vision ne change pas beaucoup et la conception d'athermalisation optique d'une large plage de température est réalisée.

La lentille présente les avantages d'une structure simple, d'un réseau de grande surface, d'une haute résolution, d'une large plage de températures de fonctionnement, d'une bonne fabricabilité, etc., et peut être utilisée dans des domaines tels que les autodirecteurs ou la détection spatiale.

1. Conception du système optique

La lentille d'athermalisation optique infrarouge à ondes longues à grande surface est adaptée à un détecteur à réseau plan focal infrarouge à ondes longues non refroidi de 1024 × 768, et la taille de pixel du détecteur est de 17 μm. Les indicateurs de conception de la lentille infrarouge sont présentés dans le tableau 1.

1.1 Pensée conceptuelle

La distance focale de l'objectif conçu dans cet article est de 90 mm. Afin de réaliser la conception d'athermalisation optique, la combinaison d'un matériau de chalcogénure infrarouge et de sulfure de zinc est utilisée pour éliminer l'influence de la température sur le système optique. Comparé aux matériaux au germanium, l'indice de réfraction des matériaux chalcogénures varie moins avec la température.

Le coefficient de température de l'indice de réfraction du germanium est de 39,6×10-5/°C. Lorsque la température ambiante change considérablement, la conception athermique est difficile et le coefficient de température de l'indice de réfraction des matériaux chalcogénures n'est qu'environ 1/6 de celui du germanium.

Afin que le système optique ait de bonnes performances dans une certaine plage de température, la conception doit répondre simultanément aux exigences de puissance optique, de correction de l'aberration chromatique et d'aberration athermique, c'est-à-dire qu'elle doit satisfaire à la formule de distribution de puissance, achromatique équation et aberration athermique.

Selon certains rapports nationaux et étrangers : pour satisfaire en même temps la formule de distribution de puissance, l'équation achromatique et l'équation athermique, il est nécessaire de modifier la courbure de la surface incurvée ou d'utiliser différents matériaux pour corriger l'aberration, ce qui augmente considérablement la difficulté de la conception du système, et au moins trois types de matériaux sont nécessaires pour que le système réponde en même temps aux exigences de puissance optique, de correction de l'aberration chromatique et de dissipation thermique, de sorte que la structure du système est compliquée.

Mais dans cet article, deux types de matériaux infrarouges sont utilisés pour coopérer l'un avec l'autre, à savoir le matériau chalcogénure HWS6 (le coefficient de dilatation thermique est de 22 × 10-6/°C) et le matériau sulfure de zinc, qui présente une plus grande valeur optique. pouvoir. La conception d'athermalisation est réalisée par la combinaison d'une lentille positive 1026 HWS6, d'une lentille négative en sulfure de zinc, d'une lentille positive en sulfure de zinc et d'une lentille négative HWS6.

Dans le même temps, étant donné que l'entrefer entre la première et la deuxième lentille a une grande influence sur l'athermalisation, le matériau du barillet de l'objectif dans cette partie est choisi parmi un matériau invar avec un faible coefficient de dilatation thermique (le coefficient de dilatation thermique est de 8 × 10). -6/°C), et le reste est en alliage d'aluminium (le coefficient de dilatation thermique est de 23×10-6/°C).

Enfin, la conception de la différence de dissipation thermique est réalisée grâce aux idées de conception ci-dessus, et la structure est simple et la fabricabilité est bonne.

Afin de correspondre au détecteur à grande surface, de mieux corriger l'aberration du système optique et d'obtenir un système optique avec un grand champ de vision, une bonne qualité d'imagerie et une haute résolution, deux surfaces asphériques d'ordre pair sont introduites dans cet article. . Le système se compose de 4 lentilles et les 2e et 4e surfaces sont des surfaces asphériques d'ordre pair.

Le premier matériau de lentille est un matériau de chalcogénure HWS6. Bien que le matériau soit relativement mou, il est difficile de préparer des surfaces asphériques. Cependant, avec les progrès de la technologie de tournage au diamant, le processus de tournage de surfaces asphériques sur des matériaux chalcogénures peut être réalisé. De plus, le matériau de la première lentille est un matériau chalcogénure et son ouverture est relativement grande, de sorte que l'utilisation d'une surface asphérique peut améliorer encore la qualité de l'imagerie. À l'heure actuelle, les éléments de lentilles en chalcogénure à surfaces asphériques ont été largement utilisés dans diverses conceptions de lentilles athermiques infrarouges.

Les deux surfaces asphériques d'ordre pair introduites s'expriment comme suit :

Dans la formule : c=1/r0 ; k=-e2; A1, A2, A3, A4, etc. sont des coefficients d'ordre élevé, dans la plupart des cas, A1 prend 0 ; r est la coordonnée du rayon normalisé ; c est la surface de référence de la surface asphérique ou la courbure de la sphère auxiliaire ; k est le degré de conicité. Dans la conception de cet article, seuls les éléments r4, r6 et r8 dans la formule (1) sont sélectionnés (dans laquelle le coefficient asphérique de la deuxième surface : A2=6,915×10-8, A3=8,094×10-14, A4=1,475 ×10-16 ; le coefficient asphérique de la quatrième surface est : A2=2,569×10-8, A3=-7,371×10-11, A4=3,531×10-13).

1.2 Résultats de conception

Le diagramme de structure optique de la lentille athermique infrarouge à ondes longues à grande surface optimisée par le logiciel de conception ZEMAX est présenté à la figure 1. Les paramètres structurels du système optique sont : la bande de travail est de 8 à 12 μm, la longueur d'onde centrale est de 10 μm, la distance focale effective est de 90 mm, le nombre F est de 1, le champ de vision complet est de 13,8°, la longueur totale du système est de 108 mm et la plage de température de fonctionnement est de -60 °C à 100 °C.

Le système se compose de 4 lentilles et les 2e et 4e surfaces sont des surfaces asphériques d'ordre pair. Le système optique est composé de structures « + », « - », « + » et « - » et est conçu pour être athermalisé par la coopération de deux matériaux infrarouges (matériau chalcogénure HWS6 et matériau sulfure de zinc).

Fig.1 Schéma de la structure du système optique

2. Évaluation de la qualité de l'image

La figure 2 est la courbe MTF du système. Puisque la taille du pixel est de 17 μm × 17 μm, sa résolution limite est FN = 29,4 lp/mm. On peut voir sur la figure 2 qu'à une fréquence spatiale de 30 lp/mm, la valeur MTF du champ de vision 0 est supérieure à 0,45, la valeur MTF du champ de vision 1 est supérieure à 0,35 et la valeur FMT du champ de vision 1 est supérieure à 0,35. la valeur de chaque champ de vision ne change pas dans la plage de température de -60°C à +100°C. Il réalise la conception d'athermalisation optique avec une large plage de températures et répond aux exigences d'athermalisation de haute qualité d'image. Le tableau 2 montre les valeurs MTF du système optique à différentes températures.

Fig.2 Courbes MTF du système

Le tableau 3 montre les changements de distance focale et de speckle après athermalisation. Il ressort du tableau 3 que dans la plage de température de -60 °C à 100 °C, le rayon maximal du point de dispersion est fondamentalement inchangé, ce qui répond aux exigences de conception de différence de dissipation thermique. Cela montre que le système a une meilleure qualité d’image et une meilleure conception de dissipation thermique.

Fig.3 Courbes de champ et distorsion (@20°C)

3. Conclusion

Dans cet article, une lentille athermique optique infrarouge à ondes longues avec une distance focale de 90 mm, une ouverture relative de 1:1 et un champ de vision complet de 13,8° est conçue. Compatible avec les détecteurs non refroidis à grande surface de 1 024 °C × 768, 17 μm. Pour le suivi, la recherche, la surveillance et d’autres domaines.

La lentille présente les avantages d'une structure simple, d'un réseau de grande surface (grand champ de vision), d'une haute résolution, d'une large plage de températures de fonctionnement et d'une bonne fabricabilité. Il présente un large éventail de perspectives d'application dans les domaines militaires et civils, tels que les chercheurs ou l'exploration spatiale.

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