Les caractéristiques de conception des lentilles optiques infrarouges à super champ de vision

La lentille optique infrarouge à super champ de vision est principalement utilisée dans l'armée pour avertir et indiquer l'arrivée de missiles ou de cibles de menace infrarouge. Il peut être déployé simultanément sur des plates-formes d'équipement d'armes (telles que des plates-formes aéroportées, montées sur véhicule et embarquées) pour réaliser le panorama. Il peut visualiser une alarme à 360° et posséder une connaissance de la situation omnidirectionnelle. C'est un produit optoélectronique militaire important.

La lentille optique infrarouge à champ de vision ultra-large présente certaines caractéristiques d'une lentille grand angle et d'une lentille optique infrarouge, mais en même temps, elle est différente de la lentille optique infrarouge ordinaire, en particulier dans les aspects suivants.

Lorsque le champ de vision du système optique dépasse 60°, lorsque le mode d'imagerie idéal est adopté, la hauteur de l'image augmentera fortement avec l'augmentation du champ de vision. Pour un détecteur avec une taille d'image limitée, une grande quantité de distorsion négative doit être introduite pour obtenir un champ de vision suffisant.

L'éclairement du plan image du système est proportionnel à la puissance quatrième du cosinus de l'angle de la lumière incidente.

En raison du champ de vision relativement large du système optique. Par exemple, lorsque la moitié de l'angle du champ de vision est de 65°, l'éclairement des bords ne représente qu'environ 40 % de l'éclairement central. Par conséquent, dans la conception optique, un vignettage négatif important doit être introduit dans le champ de vision périphérique pour augmenter le flux lumineux et améliorer l’éclairement.

Comme les autres lentilles optiques infrarouges militaires, elle doit répondre à la large plage de température militaire (généralement une plage de température typique est de -55 à 70 ℃) et offrir une excellente qualité d'imagerie.

Lorsqu'elle est utilisée pour avertir l'arrivée d'un missile, par rapport à la lentille optique infrarouge conventionnelle, la lentille optique infrarouge avec un super champ de vision se concentre principalement sur la précision de l'indication et la portée de la cible. Cela se reflète dans l’uniformité de la résolution angulaire d’un seul pixel et dans la convergence énergétique d’un seul pixel.

Ces dernières années, de nombreux chercheurs nationaux et étrangers ont mené des recherches sur les lentilles optiques infrarouges à super champ de vision, et le contenu de la recherche est principalement concentré sur les lentilles optiques.

Parmi eux, la zone de détection utilisée dans la lentille optique est petite ; il existe de nombreux éléments optiques ; la longueur de la lentille est plus longue ; les pièces structurelles optiques et mécaniques sont réalisées en alliage de titane avec un faible coefficient de dilatation thermique, mais une densité élevée, une faible conductivité thermique et une mauvaise maniabilité ; il n'a pas de chaleur. Les moyens techniques de conception athermique sont réalisés par diffraction et réfraction.

Dans cet article, à partir des exigences de l’application, les caractéristiques de conception de la lentille optique infrarouge à super champ de vision sont analysées.

Le détecteur utilisé dans le système optique est un détecteur infrarouge réfrigéré à ondes moyennes à grande surface de 1 024 × 1 024 à 15 μm, qui utilise seulement 4 lentilles et ne contient pas de surface diffractive pour réaliser une conception optique athermique passive. Le matériau de la structure optomécanique est un alliage d'aluminium, la structure de la lentille est compacte, la longueur totale est inférieure à 69 mm et le champ de vision optique atteint 116°.

En combinaison avec les exigences réelles des applications techniques, les caractéristiques de conception de la lentille optique infrarouge à superchamp de vision sont analysées en termes de mode de projection, de configuration optique, d'éclairement de la surface de l'image, de champ de vision, de thermalisation et de mode d'évaluation.

Pour l'imagerie d'objets à l'infini, une lentille optique idéale avec une distorsion d'imagerie de 0 a une hauteur d'image et un champ de vision conformes à la formule suivante, à savoir :

h = f tanθ (1)

Où : f est la distance focale du côté objet ; θ est le demi-angle de champ du côté objet.

La formule (1) montre que lorsque l’angle du demi-champ est grand, la hauteur de l’image augmente fortement. Par conséquent, la lentille optique à très grand champ de vision doit introduire une certaine quantité de distorsion négative pour pouvoir concevoir un champ de vision d'imagerie suffisant sur une taille d'image limitée.

La conception de l'objectif à super champ de vision adopte le principe d'imagerie « non similaire », et la zone d'objet que la lentille optique idéale ne peut pas imaginer est déformée et compressée en introduisant une distorsion négative à l'image. La hauteur et le champ de vision de l'image d'imagerie sont généralement conformes aux méthodes de projection suivantes :

h = 2 f tan(θ/2) (2)

h = 2 f sin(θ/2) (3)

h = f sinθ (4)

h = f θ (5)

En prenant respectivement la dérivation des deux côtés des formules (2) ~ (5), la relation entre la résolution angulaire et le champ de vision est obtenue comme suit :

dh/dθ = f / cos (θ/2)2 (6)

dh/dθ = f cos(θ/2) (7)

dh/dθ = f cos(θ) (8)

dh/dθ = f (9)

La relation entre la hauteur de l'image et le champ de vision correspondant à différentes méthodes de projection est représentée sur la figure 1 (a), et la relation entre la résolution angulaire et l'angle de champ correspondant aux différentes méthodes de projection est représentée sur la figure 1 (b).

Dans l'utilisation réelle de la lentille optique infrarouge à super champ de vision, la cible infrarouge est généralement une cible ponctuelle après avoir été imagée par le système optique. Par rapport aux informations sur les caractéristiques géométriques de la cible, le système se préoccupe davantage de ses informations de position angulaire afin d'obtenir une précision d'indication de position angulaire plus élevée.

On peut voir sur la figure que la méthode de projection h = f θ, la hauteur de l'image est proportionnelle au champ de vision, la résolution angulaire d'un seul pixel ne change pas avec le champ de vision et le champ de vision global est cohérent. . Par conséquent, la lentille optique infrarouge militaire à super champ de vision doit choisir la méthode de projection h = f θ.

Fig.2 Configuration optique

(1) Le champ de vision hors axe présente un certain vignettage négatif, ce qui peut rendre la section transversale du faisceau oblique beaucoup plus grande que la section transversale du faisceau lumineux axial. L'uniformité de l'éclairement global est meilleure.

(2) Il a une longue longueur de lentille, ce qui est propice à la conception structurelle et à l'installation.

De plus, les systèmes optiques infrarouges militaires utilisent généralement des détecteurs refroidis, qui ont une sensibilité plus élevée que les détecteurs non refroidis. Le détecteur refroidi est doté d'un diaphragme (également appelé diaphragme froid) à l'avant du détecteur. Pour éviter les rayonnements parasites, il est nécessaire de s'assurer que la pupille de sortie du système optique doit correspondre au diaphragme froid du détecteur (généralement appelé efficacité d'ouverture froide de 100 %), comme le montre la figure 2 (b).

L'angle d'incidence de la lumière incidente depuis le champ de vision périphérique et le champ de vision central de la lentille optique infrarouge à super champ de vision est assez différent, comme le montre la figure 3 (a) ; Les angles d'incidence des faisceaux dans le champ et dans le champ de vision central sont également très différents, comme le montre la figure 3 (b), ce qui entraînera tous deux un éclairage inégal sur la surface de l'image.

(a) Chemin optique d'entrée (b) Chemin optique de réception du détecteur

 

Fig.3 Facteurs influençant l'éclairage de l'image

À l’heure actuelle, il existe trois méthodes de conception athermique couramment utilisées : mécanique passive, électronique active et optique passive. La lentille optique infrarouge à super champ de vision est plus adaptée à la réalisation de l'athermalisation passive. L'analyse est la suivante :

(1) Étant donné que les plates-formes de combat ont généralement des restrictions strictes sur le poids et le volume des lentilles optiques, des matériaux légers doivent être pris en compte autant que possible pour les pièces structurelles, de sorte que les composants mécaniques passifs ne sont généralement pas pris en compte.

(2) La technologie électronique d'athermalisation active, la mise au point en déplaçant la lentille ou le groupe de lentilles, entraînera une modification de la distance focale du système optique pendant le processus de mise au point, puis le champ de vision changera en conséquence et affectera finalement la précision de la alarme.

(3) La technologie d'athermalisation optique passive fait référence à l'utilisation de différentes caractéristiques d'aberration thermique et chromatique entre les matériaux optiques et aux caractéristiques de dilatation thermique des matériaux structurels, grâce à la distribution raisonnable de la puissance optique, à l'espacement des éléments et à la sélection des matériaux structurels, de sorte que le Le système est dans la plage de température requise. À l'intérieur, sa défocalisation thermique est approximativement nulle.

Bien qu'il soit difficile de réaliser une technologie d'athermalisation optique passive, l'effet d'athermalisation est bon et la fiabilité est élevée.

Pour les lentilles optiques infrarouges avec un grand champ de vision, une conception raisonnable du champ de vision peut réduire considérablement la difficulté de la conception optique, ce qui a un impact important sur l'amélioration de la qualité de l'image et la simplification de la structure du système optique.

Les plates-formes d'équipement d'armes doivent généralement déployer plusieurs lentilles optiques infrarouges à très grand champ de vision pour surveiller l'espace aérien à 360° en temps réel. Afin d'éviter les angles morts dans l'épissage du champ de vision et de réduire le taux de chevauchement du champ de vision, le champ de vision d'un seul système optique doit être raisonnablement sélectionné.

La figure 4 montre une configuration de champ de vision, dans laquelle la zone de champ de vision à couvrir par une seule lentille optique est de 94° × 94°, le taux de chevauchement du champ de vision entre des lentilles adjacentes est de 4°, et la dimension sphérique de 4π l'espace est combiné par 6 lentilles optiques pour obtenir une couverture complète.

Fig.4 Disposition du champ de la lentille optique

Comme les systèmes optiques infrarouges militaires ordinaires, les méthodes d'évaluation des systèmes optiques infrarouges à très grand champ de vision devraient inclure la fonction de transfert optique (MTF), la configuration de points (RMS), les performances à haute et basse température (conception thermique), etc. De plus, il existe des exigences particulières concernant la résolution angulaire et la concentration d’énergie du système optique.

Dans l'utilisation réelle du système optique infrarouge à super champ de vision, la cible infrarouge est généralement une cible ponctuelle après avoir été imagée par le système optique. Par rapport aux informations sur les caractéristiques géométriques de la cible, le système se préoccupe davantage de ses informations de position angulaire afin d'obtenir une précision d'indication d'avertissement plus élevée. La méthode d'évaluation des performances dans la conception se reflète dans la distorsion du système et l'uniformité de la résolution angulaire dans tout le champ de vision.

La situation générale de la conception optique est que les performances du champ de vision sur l'axe sont généralement meilleures que celles du champ de vision de bord, ce qui peut être bien reflété dans la MTF.

Par exemple, une lentille infrarouge à ondes moyennes a un nombre F de 2, une distance focale de 50 mm et un champ de 6°, à 33 lp/mm, le champ de vision mesuré sur l'axe MTF est de 0,6, et le champ de vision marginal est de 0,4, ce qui signifie qu'à cette fréquence spatiale (généralement la fréquence caractéristique déterminée par la taille des pixels du détecteur). Dans le champ de vision complet, la résolution des caractéristiques géométriques de la cible est meilleure, et la résolution du champ de vision sur l'axe de la cible est meilleure que celle du champ de vision périphérique.

Quant au système optique infrarouge à super champ de vision, en utilisation réelle, les cibles sont pour la plupart des cibles pointues (ou des cibles de petite zone) après avoir été imagées par le système optique. La résolution des détails des caractéristiques géométriques de la cible n'est pas importante et le système s'en préoccupe davantage. C'est la distance à laquelle la cible peut être détectée.

Habituellement, la distance de détection de la cible dans le champ de vision périphérique et dans le champ de vision sur l'axe ne peut pas présenter une grande différence. Cela se reflète dans la méthode d'évaluation de la conception optique qui est la concentration d'énergie d'un seul pixel, et la conception optique doit prendre en compte la cohérence de la concentration d'énergie des champs de vision sur l'axe et sur les bords.

Dans cet article, combinées à des applications d'ingénierie réelles, les caractéristiques de conception du système optique infrarouge à super champ de vision sont analysées en termes de mode de projection, de configuration optique, d'éclairement de la surface de l'image, d'analyse du champ de vision, d'athermalisation, de méthode d'évaluation, etc. afin que chacun puisse mieux comprendre les caractéristiques et les avantages de la lentille optique infrarouge à super champ de vision. Si vous souhaitez en savoir plus sur les lentilles optiques infrarouges après avoir lu ce qui précède, Quanhom sera heureux de vous fournir des suggestions et des solutions professionnelles.

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