This study presents a method for designing an athermal middle wavelength infrared (MWIR) zoom lens with the iterative selection of material compositions on an athermal glass map. The optical properties of glass for MWIR are generally very sensitive to temperature, compared with visible glass. To compensate for focus error due to temperature change, the non-athermalized zoom system requires a large amount of movement of a compensator, which results in an unstable zoom system. To solve this problem, the material compositions for an athermal zoom lens have effectively been obtained using the thermal aberration correction process analytically on an athermal glass map. An expander lens is used to enlarge the focal lengths of an original main zoom lens two times. Finally, while this expander is attached to an original athermal zoom system, the final zoom system equipped with this expander doubles the focal length ranges and has stable performance over a specified temperature range.
In this study we carried out athermalization analysis and tests to meet the required optical performance for thennal imaging systems even if the systems were operating over a wide temperature range. By using optical design programs such as Code- V and SIGMA2100, the simulation for athermalization was done with FPA thermal imaging system. In the athermalization test putting the thermal imaging system and collimator into a temperature chamber, the images depending on the temperature were recorded on video tape. In particular, the zoom thermal imaging system with two dimensional array detector was tested to check the result of the athermalization simulation. As a result, it was proved to meet the required optical performance for the thermal imaging system within $-32-+50^{\circ}C$ temperature range. range.
Proceedings of the Optical Society of Korea Conference
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2003.07a
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pp.142-143
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2003
제조기술이 발전함에 따라 회절 복합 렌즈(diffractive hybrid lens)를 사용한 광학계 설계에 대한 많은 연구가 보고 되고 있다. 본 연구에서는 회절 복합 렌즈를 사용한 F/l.0인 광학계를 설계하여 비열화 특성을 분석하였다. 성능조건으로는 MTF가 50% 일 때 사용된 영상센서의 Nyquist 주파수인 11.11cys/mm로 하였다. 사용된 검출기 사양은 픽셀 크기 45um, 픽셀 수 320$\times$240 이며, fill factor 는 무시하였다. 광학계의 유효초점거리는 171.73mm 이다. (중략)
Kim, Kyu-Ho;Park, Seong-Woo;Park, Seung-Han;Lee, Kyoung-Mook;Jung, Mee-Suk
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.32
no.6
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pp.266-275
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2021
In this paper, a method for evaluating optical-system performance and an athermal structure through thermal analysis of the Korsch telescope was studied. In the case of an optical system having a complex asymmetrical structure, there is a limit to implementing the satellite structure by applying the coefficient of thermal expansion (CTE) in the optical-design software, so it is difficult to evaluate the performance of the optical system against temperature changes. To solve this problem, using mechanical design software all length changes were implemented in all structures that affect the optical system according to temperature, and the value of the change in distance between optical components due to temperature change was organized. Also, the values of changes in shape and thickness of the optical components against temperature changes are organized in the optical-design software. All changes derived from both software packages were applied in the optical software to evaluate the performance of the optical system. As a result, it was found that the MTF for a spatial resolution of 71.4 cycles/mm was maintained at more than 25% in the range from 9 ℃ to 33 ℃. In addition, the performance of the optical system applying the improved structure was evaluated, by finding the structure that had the most influence on the optical system's performance change, and deriving an athermal structure to reduce the effect. As a result, it was found that the MTF for a resolution of 71.4 cycles/mm was maintained at over 67% in the range from 9 ℃ to 33 ℃.
This paper presents the design and evaluation of the optical system for an uncooled thermal-imaging camera. The operating wavelength range of this system is from $7.7{\mu}m$ to $12.8{\mu}m$. Through optimization, we have obtained a LWIR (Long Wave Infrared) optical system with a focal length of 5.44 mm, which consists of four aspheric surfaces and two diffractive surfaces. The f-number of the optical system is F/1.2, and its field of view is $90^{\circ}{\times}67.5^{\circ}$. The hybrid lens was used to balance the higher-order aberrations, and its diffraction properties were evaluated by scalar diffraction theory. We calculated the polychromatic integrated diffraction efficiency, and the MTF drop generated by background noise. We have evaluated the thermal compensation of a LWIR fixed optical system, which is optically passively athermalized to maintain MTF performance in the focal depth. In conclusion, these design results are useful for an uncooled thermal-imaging camera.
Jeong, Do Hwan;Lee, Jun Ho;Jeong, Ho;Ok, Chang Min;Park, Hyun-Woo
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.29
no.3
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pp.110-118
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2018
We have designed a mid-infrared optical system for an airborne electro-optical targeting system. The mid-IR optical system is a dual-field-of-view (FOV) optics for an airborne electro-optical targeting system. The optics consists of a beam-reducer, a zoom lens group, a relay lens group, a cold stop conjugation optics, and an IR detector. The IR detector is an f/5.3 cooled detector with a resolution of $1280{\times}1024$ square pixels, with a pixel size of $15{\times}15{\mu}m$. The optics provides two stepwise FOVs ($1.50^{\circ}{\times}1.20^{\circ}$ and $5.40^{\circ}{\times}4.23^{\circ}$) by the insertion of two lenses into the zoom lens group. The IR optical system was designed in such a way that the working f-number (f/5.3) of the cold stop internally provided by the IR detector is maintained over the entire FOV when changing the zoom. We performed two analyses to investigate thermal effects on the image quality: athermalization analysis and Narcissus analysis. Athermalization analysis investigated the image focus shift and residual high-order wavefront aberrations as the working temperature changes from $-55^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$. We first identified the best compensator for the thermal focus drift, using the Zernike polynomial decomposition method. With the selected compensator, the optics was shown to maintain the on-axis MTF at the Nyquist frequency of the detector over 10%, throughout the temperature range. Narcissus analysis investigated the existence of the thermal ghost images of the cold detector formed by the optics itself, which is quantified by the Narcissus Induced Temperature Difference (NITD). The reported design was shown to have an NITD of less than $1.5^{\circ}C$.
The characteristics of an optical system vary depending on wavelength and ambient temperature. Based on the thin-lens approximation, we investigate the conditions for stabilizing an optical system against wavelength and temperature variations at the same time. The conditions are applied to designing a laser scanning system consisting of two lenses. The change in the effective focal length of the scanning system against wavelength and temperature variations is very small, as expected.
In this article, the design of a variable F-number and triple magnification infrared optical system is described. That is a two-in-one optical system that combines an infrared search and track (IRST) system and an electro-optical tracking system (EOTS), where an afocal optical system is added to the IRST optical system designed already. The performance target is determined by analyzing system performance, and then the specification in the optical system design is calculated. This optical system contains a warm stop making it possible that one optics has two different F/# by cutting the size of aperture, and that is designed to suit this optics. The system satisfies the requirement such as a modulation transfer function (MTF). For operational assessment, the movement of the focusing lens group is analyzed over the change of temperature and target distance. By using this optical system, it is possible to develop equipment having two functions, infrared searching and electro-optical tracking.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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