تصميم عدسة حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الطويل للكاشف ذي المصفوفة الكبيرة

البعد البؤري للعدسة المصممة في هذه الورقة هو 90 ملم. من أجل تحقيق تصميم الحرارية البصرية، يتم استخدام مزيج من مادة كالكوجينيد الأشعة تحت الحمراء وكبريتيد الزنك للقضاء على تأثير درجة الحرارة على النظام البصري. بالمقارنة مع مواد الجرمانيوم، فإن معامل الانكسار لمواد الكالكوجينيد يختلف بشكل أقل مع درجة الحرارة.

معامل درجة حرارة معامل انكسار الجرمانيوم هو 39.6×10-5/درجة مئوية. عندما تتغير درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير، يكون التصميم الحراري صعبًا، ويكون معامل درجة حرارة معامل الانكسار لمواد الكالكوجينيد حوالي 1/6 من الجرمانيوم فقط.

من أجل جعل النظام البصري يتمتع بأداء جيد في نطاق درجة حرارة معين، يجب أن يلبي التصميم متطلبات الطاقة الضوئية، وتصحيح الانحراف اللوني، والانحراف الحراري في نفس الوقت، أي أنه يجب أن يفي بصيغة توزيع الطاقة، اللوني المعادلة، والانحراف الحراري.

وفقا لبعض التقارير في الداخل والخارج: لتلبية صيغة توزيع الطاقة، والمعادلة اللونية، والمعادلة الحرارية في نفس الوقت، من الضروري تغيير انحناء السطح المنحني أو استخدام مواد مختلفة لتصحيح الانحراف، والذي يزيد بشكل كبير من صعوبة تصميم النظام، وهناك حاجة إلى ثلاثة أنواع من المواد على الأقل لجعل النظام يلبي متطلبات الطاقة الضوئية وتصحيح الانحراف اللوني وتبديد الحرارة في نفس الوقت، وبالتالي فإن بنية النظام معقدة.

ولكن في هذه المقالة، يتم استخدام نوعين من مواد الأشعة تحت الحمراء للتعاون مع بعضهما البعض، وهما مادة الكالكوجينيد HWS6 (معامل التمدد الحراري هو 22×10-6/درجة مئوية) ومادة كبريتيد الزنك، التي تتحمل تأثير بصري أكبر. قوة. يتم تحقيق تصميم العزل الحراري من خلال الجمع بين عدسة 1026 HWS6 الإيجابية وعدسة كبريتيد الزنك السالبة وعدسة كبريتيد الزنك الإيجابية وعدسة HWS6 السالبة.

وفي الوقت نفسه، نظرًا لأن فجوة الهواء بين العدسات الأولى والثانية لها تأثير كبير على العزل الحراري، فإن مادة أسطوانة العدسة في هذا الجزء يتم اختيارها من مادة إنفار ذات معامل تمدد حراري صغير (معامل التمدد الحراري هو 8×10) -6/درجة مئوية)، والباقي مصنوع من مادة سبائك الألومنيوم (معامل التمدد الحراري هو 23×10-6/درجة مئوية).

أخيرًا، يتم تحقيق تصميم فرق تبديد الحرارة من خلال أفكار التصميم المذكورة أعلاه، والهيكل بسيط وقابلية التصنيع جيدة.

من أجل مطابقة كاشف مصفوفة المساحة الكبيرة، وتصحيح انحراف النظام البصري بشكل أفضل، والحصول على نظام بصري بمجال رؤية كبير، وجودة تصوير جيدة، ودقة عالية، تم تقديم سطحين شبه كرويين متساويين في هذه الورقة . يتكون النظام من 4 عدسات، والسطحان الثاني والرابع عبارة عن أسطح شبه كروية متساوية الترتيب.

مادة العدسة الأولى هي مادة الكالكوجينيد HWS6. على الرغم من أن المادة ناعمة نسبيًا، إلا أنه من الصعب تحضير الأسطح شبه الكروية. ومع ذلك، مع التقدم في تكنولوجيا تحويل الماس، يمكن تحقيق عملية تحويل الأسطح شبه الكروية على مواد الكالكوجينيد. علاوة على ذلك، فإن مادة العدسة الأولى عبارة عن مادة كالكوجينيد، وفتحتها كبيرة نسبيًا، لذا فإن استخدام سطح شبه كروي عليها يمكن أن يؤدي إلى تحسين جودة التصوير. في الوقت الحاضر، تم استخدام عناصر عدسة الكالكوجينيد ذات الأسطح شبه الكروية على نطاق واسع في العديد من تصميمات العدسات الحرارية بالأشعة تحت الحمراء.

يتم التعبير عن السطوح الكروية ذات الترتيب الزوجي المقدمة على النحو التالي:

في الصيغة: c=1/r0; ك=-e2; A1، A2، A3، A4، وما إلى ذلك هي معاملات عالية الترتيب، في معظم الحالات، A1 يأخذ 0؛ r هو إحداثيات نصف القطر المقيسة؛ c هو السطح المرجعي للسطح الكروي أو انحناء المجال المساعد؛ k هي درجة الاستدقاق. في تصميم هذا البحث تم اختيار العناصر r4 و r6 و r8 فقط في الصيغة (1) (حيث معامل السطح اللاكروي الثاني: A2=6.915×10-8، A3=8.094×10-14، A4=1.475 ×10-16؛ المعامل شبه الكروي للسطح الرابع هو: A2=2.569×10-8، A3=-7.371×10-11، A4=3.531×10-13).

يظهر في الشكل 1 مخطط الهيكل البصري للعدسة الحرارية بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة ذات النطاق الكبير والمحسّنة بواسطة برنامج تصميم ZEMAX. المعلمات الهيكلية للنظام البصري هي: نطاق العمل هو 8-12 ميكرومتر، والطول الموجي المركزي هو 10 ميكرومتر، الطول البؤري الفعال هو 90 مم، والرقم البؤري هو 1، ومجال الرؤية الكامل هو 13.8 درجة، والطول الإجمالي للنظام 108 مم، ونطاق درجة حرارة العمل هو -60 درجة مئوية ~ 100 درجة مئوية.

يتكون النظام من 4 عدسات، والسطحان الثاني والرابع عبارة عن أسطح شبه كروية متساوية الترتيب. يتكون النظام البصري من هياكل "+"، و"-"، و"+"، و"-"، وهو مصمم ليتم تسخينه حرارياً من خلال التعاون بين مادتين تعملان بالأشعة تحت الحمراء (مادة الكالكوجينيد HWS6 ومادة كبريتيد الزنك).

الشكل 1: رسم تخطيطي لهيكل النظام البصري

الشكل 2 هو منحنى MTF للنظام. نظرًا لأن حجم البكسل هو 17 ميكرومتر × 17 ميكرومتر، فإن الحد الأقصى للدقة هو FN = 29.4 lp/mm. يمكن أن نرى من الشكل 2 أنه عند تردد مكاني قدره 30 lp/mm، تكون قيمة MTF لحقول الرؤية 0 أكبر من 0.45، وقيمة MTF لحقل الرؤية 1 أكبر من 0.35، وMTF لا تتغير قيمة كل مجال رؤية في نطاق درجة الحرارة من -60 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. إنه يحقق تصميم المعالجة الحرارية البصرية مع نطاق درجة حرارة واسع ويلبي متطلبات المعالجة الحرارية عالية الجودة للصورة. يوضح الجدول 2 قيم MTF للنظام البصري عند درجات حرارة مختلفة.

الشكل 3 منحنيات المجال والتشويه (@ 20 درجة مئوية)

في هذا البحث، تم تصميم عدسة حرارية بصرية تعمل بالأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة بطول بؤري 90 مم، وفتحة نسبية 1:1، ومجال رؤية كامل قدره 13.8 درجة. متوافق مع أجهزة الكشف غير المبردة بمصفوفة كبيرة الحجم تبلغ 1024 درجة مئوية × 768 و17 ميكرومتر. للتتبع والبحث والمراقبة وغيرها من المجالات.

تتميز العدسة بمزايا الهيكل البسيط، ومجموعة المساحة الكبيرة (مجال رؤية كبير)، والدقة العالية، ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع، وقابلية التصنيع الجيدة. لديها مجموعة واسعة من آفاق التطبيق في المجالات العسكرية والمدنية، مثل الباحثين أو استكشاف الفضاء.

كشركة مصنعة محترفة لعدسات الأشعة تحت الحمراء الحرارية (بما في ذلك LWIR وMWIR وSWIR).)، لقد فزنا بالثناء والثقة من العديد من العملاء من خلال التكنولوجيا الممتازة والمنتجات عالية الجودة. لدينا فريق إنتاج محترف ومجموعة من مراقبة الجودة. وفي الوقت نفسه، يمكننا أيضًا تقديم خدمة شاملة ومدروسة وفقًا لاحتياجات العملاء. إذا كنت مهتمًا بعدسة LWIR الخاصة بنا، فيرجى الاتصال بنا على الفور!

مراجع:

[1] زانغ شينتينغ، آن زيونغ. تصميم النظام البصري الحراري بالأشعة تحت الحمراء للنطاق المزدوج مع عنصر الحيود التوافقي مزدوج الطبقة [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، Acta Optica Sinica، 2013، 33(6): 0622004.

[2] باي يو، لياو زييوان، لي هوا، وآخرون. تطبيق زجاج الكالكوجينيد في أنظمة التصوير الحراري الحديثة بالأشعة تحت الحمراء [J]. البصريات الصينية، 2014، 7(3): 449-455.

[3] زانغ شين، تشياو يان فنغ، تشو مينغ تشاو، وآخرون. هدف التقريب بالأشعة تحت الحمراء الحرارية ثنائي العدسات[J]. اكتا أوبتيكا سينيكا، 2014، 34(8): 0822004.

[4] مي شيلونج، مو دا، مو منغ. المعالجة الحرارية لنظام بصري LWIR مدمج [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2015، 44(10): 3032-3036.

[5] جيانغ لون، هو يوان، دونغ كيان، وآخرون. التصميم الحراري السلبي للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء ثنائي النطاق [J]. هندسة الأشعة تحت الحمراء والليزر، 2015، 44(11): 3353-3357.

[6] بان جونهوا. تصميم وتصنيع واختبار البصريات شبه الكروية [M]. سوتشو: دار النشر بجامعة سوتشو، 2004: 1-6.

[7] وي هيلي، تشن شيوهونغ، راو رويزونغ، وآخرون. نموذج نفاذية ذو دقة طيفية متوسطة يعتمد على تركيب الحساب سطرًا بسطر [J]. يختار، يقرر. اكسبريس، 2007، 15(13): 8360-8370.

[8] Safren H G. كود حاسوبي لحساب أطياف الإرسال الجوي سطرًا تلو الآخر على حاسوب صغير[R]. ناسا-TM-100686، 1987.

[9] تشن فانغفانغ، جينغ روي، إل في يونغ. بحث حول النفاذية

نموذج انتقال الأشعة تحت الحمراء بالليزر في الغلاف الجوي [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2015، 37(6): 496-501.

[10] فانغ جينغ، ليو ون تشينغ، زانغ تيانشو. غاز تتبع خطًا تلو الآخر

نموذج الامتصاص وتطبيقه في تكنولوجيا الكشف عن الغاز NDIR [J]. التحليل الطيفي والتحليل الطيفي، 2008، 28(6): 1269-1271.

[13] جاماتشي آر آر، كينيدي إس، هوكينز آر، وآخرون. مجموع التقسيم الداخلي للجزيئات في الغلاف الجوي الأرضي [J]. J. التركيب الجزيئي، 2000، 517-518(16): 407-425.

[11] Hui AK, Armstrong BH, Wray A A. الحساب السريع لـ Voigt

ووظائف الخطأ المعقدة [J]. جي كوانتيت. سبيكتروسك. والنقل الإشعاعي، 1978، 19(5): 509-516.

[12] لين جيلي. بحث حول ملف تعريف الخط الطيفي وعرض الخط للأطياف الجزيئية عالية الدقة (التشبع) وتطبيقه [د]. ووهان: معهد الفيزياء والرياضيات، الأكاديمية الصينية للعلوم، 2000.

[13] Olivero JJ, Longbothum RL. التناسبات التجريبية لعرض خط Voigt: A

مراجعة موجزة [ي]. الكمية. سبيكتروسك. والنقل الإشعاعي، 1977، 17(2): 233-236.