تكنولوجيا الحرارية / الحرارية للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء

بالمقارنة مع المواد البصرية في نطاق الضوء المرئي، فإن معامل الانكسار لمعظم المواد الضوئية بالأشعة تحت الحمراء يتغير مع تدرج درجة الحرارة dn/dt كبير نسبيًا، وبالتالي فإن التأثير الحراري للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء أكثر وضوحًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض الشركات المصنعة للمستندات والمواد تقدم أحيانًا مؤشرات انكسار للمواد، وخاصة معاملات التمدد الحراري، والتي تكون مختلفة تمامًا. كمصمم صارم، يجب التحقق من هذه المعاملات أو التحقق منها.

من أجل الحصول على جودة صورة مُرضية، تستخدم العديد من الأنظمة تقنية المعالجة الحرارية لتركيز النظام. يعد تعويض درجة الحرارة أيضًا تقنية معقدة. يمكننا استخدام الطرق الميكانيكية (الكهروميكانيكية) أو الطرق البصرية لتحقيق المعالجة الحرارية للنظام. على سبيل المثال، استخدم نظام مؤازر يدوي أو ذو حلقة مغلقة لضبط المسافة بين الأجزاء البصرية لتحقيق النظام في بيئة درجة حرارة جديدة. في ظل إعادة تركيز أو اختيار المواد البصرية المناسبة والتوزيع العقلاني للطاقة الضوئية لكل مكون بصري، يمكن تحقيق الحرارية بالمعنى البصري.

تتمثل نقطة البداية الأساسية لتقنية المعالجة الحرارية البصرية في استخدام خصائص درجة الحرارة للمواد البصرية المختلفة، مثل معامل التمدد الخطي، وتدرج درجة حرارة معامل الانكسار، وأكثر من ذلك، مع تلبية متطلبات جودة التصوير للنظام، واختيار المواد بشكل مناسب، وتوزيع الضوء البصري بشكل معقول. قوة كل عدسة بحيث يتوافق مقدار إلغاء التركيز البؤري للنظام البصري بأكمله مع التمدد الحراري لأسطوانة العدسة. ينتمي تصميم الحرارية البصرية إلى تعويض درجة الحرارة السلبية.

من أجل الحصول على نظام بصري لا يزيل الانحراف اللوني فحسب، بل يزيل الانحراف اللوني أيضًا، يجب استيفاء الشروط الثلاثة التالية: الطاقة الضوئية، والانحراف اللوني، وتبديد الحرارة. يحتاج النظام البصري إلى المساهمة بثلاث قوى بصرية على الأقل لتحقيق الإزالة المتزامنة للانحرافات الحرارية واللونية.

اهتمام خاص: يساهم النظام البصري بثلاث قوى بصرية على الأقل، وهذا لا يعني أن النظام البصري يحتاج إلى ثلاث عدسات على الأقل. على سبيل المثال، يمكن استخدام سطح حيود للمساهمة في الطاقة الضوئية، وبالتالي تقليل عدد العدسات.

المشاكل التي ينبغي الاهتمام بها في تصميم الحرارية البصرية.

في عملية التصميم الحراري للنظام البصري بالأشعة تحت الحمراء، ينبغي الاهتمام بالمسائل التالية:

مع تغير درجة الحرارة، يتم تدمير علاقة تعويض الانحراف الأصلية، وقد يتغير موضع التركيز البؤري الأفضل للنظام بشكل غير خطي مع تغير درجة الحرارة.

بالنسبة للنظام العاكس، إذا كانت مادة العاكس هي نفس مادة أسطوانة العدسة (أو كانت المادة لها نفس معامل التمدد الحراري)، فعندما تتغير درجة الحرارة، سيقوم النظام بالتكبير أو التصغير فقط إلى حد معين ودرجة الحرارة لها تأثير ضئيل على أداء النظام. من حيث المبدأ، لا يلزم تصميم تبديد الحرارة.

نظرًا لأن أسطوانة العدسة الميكانيكية المستخدمة في تركيب العدسة معقدة في معظم الحالات، فإن طريقة تمدد (أو انكماش) أسطوانة العدسة ذات الهياكل المختلفة ليست بالضرورة هي نفسها عند تغير درجة الحرارة. يجب أن يعتمد تصميم المعالجة الحرارية على معادلة المعالجة الحرارية المذكورة أعلاه. استنادًا إلى المشكلات المحددة لهيكل أسطوانات العدسات المختلفة، يتم إجراء تحليل محدد لضمان تأثير جيد لتبديد الحرارة.

في ضوء العوامل غير المؤكدة المذكورة أعلاه، يجب أيضًا أن تكون الأنظمة البصرية المصممة بناءً على تقنية المعالجة الحرارية الضوئية مجهزة بروابط ضبط لضمان قابلية التصميم للاستخدام العملي وسلامته.

من النظرية الأساسية للبصريات، نعلم أنه عندما يتغير الموضع المحوري للعدسة (أو مجموعة العدسات) في النظام البصري، فإن موضع المستوى البؤري للنظام سيتغير وفقًا لذلك. يستخدم تعويض درجة الحرارة النشطة هذا المبدأ لإعادة إنتاج النظام. يمكن أن تكون طريقة التركيز والضبط يدوية أو كهربائية.

من أجل تحسين حساسية الضبط والحفاظ على استقرار المحور البصري، تتطلب طريقة تعويض درجة الحرارة هذه عمومًا آلية نقل ميكانيكية دقيقة. في الوقت نفسه، ينبغي التحقق من السكتة الدماغية المطلوبة لعدسة تعويض درجة الحرارة، وينبغي اختيار العدسة الأكثر حساسية المتأثرة بسطح التركيز كعنصر تعويض درجة الحرارة. إن هيكل النقل الميكانيكي الأساسي لطريقة التعويض هذه هو في الأساس نفس آلية التركيز للنظام البصري. الطريقة بسيطة من حيث المبدأ وسهلة التنفيذ، ولكنها تزيد من وزن الجهاز البصري، وفي الوقت نفسه، تؤدي بسهولة إلى أخطاء في التصويب.

التعويض الميكانيكي (الكهروميكانيكي) لدرجة الحرارة السلبية

مبدأ التعويض الميكانيكي (الكهروميكانيكي) لدرجة الحرارة السلبية هو في الأساس نفس مبدأ تعويض درجة الحرارة النشطة، باستثناء أن طريقة تغيير مجموعة العدسات قد تغيرت. يستخدم مواد أو آليات معينة ذات وظائف خاصة لتحقيق الضبط التلقائي.

طريقة ميكانيكية لتعويض درجة الحرارة السلبية تستخدم مادتين بمعاملات تمدد مختلفة كالأسطوانة الداخلية لأسطوانة العدسة. عندما تتغير درجة الحرارة المحيطة، فإن تمدد أو انكماش البرميل الداخلي يدفع عدسة التعويض إلى التحرك محوريًا لتحقيق استقرار المستوى البؤري. تتطلب طريقة التعويض هذه اختيارًا معقولًا للمواد ذات معاملات التمدد والأطوال والمطابقة مع النظام البصري.

طريقة تعويض درجة الحرارة الكهروميكانيكية السلبية. في هذه الطريقة، بعد أن يقوم مستشعر درجة الحرارة بقياس درجة الحرارة المحيطة، فإنه ينقل الإشارة إلى وحدة التحكم. تحصل وحدة التحكم على مقدار الحركة المطلوب من قاعدة البيانات وفقًا لقيمة درجة الحرارة وتقوم بتشغيل المحرك لإكمال تعويض درجة الحرارة. يجب معايرة البيانات الموجودة في قاعدة البيانات بدقة مسبقًا. سيؤدي التعويض الميكانيكي (الكهروميكانيكي) لدرجة الحرارة السلبية إلى حدوث أخطاء إضافية في التصويب.

مقارنة بين طرق الحرارية المختلفة

التسامح مع الخطأ في تعويض درجة الحرارة

لقد ذكرت طرق تعويض درجة الحرارة التالية للأنظمة البصرية بالأشعة تحت الحمراء، لكن النظام البصري الفعلي لا يمكنه تحقيق تعويض صارم لدرجة الحرارة. وهذا يعني أنه في نطاق درجة حرارة معينة، لا يمكن أن يكون سطح الصورة للنظام متسقًا مع التغييرات في أسطوانة العدسة ذات البنية المعقدة، الأمر الذي يتطلب تحمل الخطأ لتعويض درجة الحرارة. بالمعنى الواسع، يمكن اعتبار عدم تركيز الصورة الناتج عن درجة الحرارة نوعًا من الانحراف. وفقا لقانون رايلي لانحراف النظام البصري، ينبغي التحكم في خطأ تعويض درجة الحرارة عند الحد الأقصى لانحراف الموجة الذي يقل عن 1/4 طول الموجة.

اهتمام خاص: إذا كان النظام البصري يسمح بالتركيز أثناء الاستخدام، فإن النظام لا يحتاج إلى تصميم حراري على الإطلاق، لذا تأكد من فهم متطلبات المستخدم قبل التصميم.