Conception d'un système optique infrarouge compact à rapport de zoom élevé

Visant à divers problèmes existant dans les structures de zoom couramment utilisées lors de la réalisation d'un zoom continu à grande échelle. En partant de la théorie de base de la conception d'un système de zoom, un modèle de grossissement variable en série en deux étapes pouvant être utilisé dans la conception d'un grand système optique à rapport variable est proposé, ainsi que l'équation de zoom correspondante ainsi que les conditions et méthodes de contrôle optimales pour la conception de courbes de came. sont donnés.

Le modèle est composé d'un groupe avant à zoom continu à deux éléments et d'un groupe arrière d'imagerie secondaire avec fonction de grossissement variable en série. Le premier groupe de zoom et le premier groupe de compensation du groupe avant sont déplacés ; le groupe de compensation et le deuxième groupe de zoom sont déplacés.

Le groupe de zoom secondaire du groupe d'imagerie effectue un grossissement secondaire sur la distance focale du groupe avant pour étendre la capacité de zoom de l'ensemble du système d'imagerie. Dans le même temps, le groupe d'imagerie secondaire comprime également l'ouverture de l'objectif pour assurer la correspondance de l'arrêt froid.

Achèvement de la conception d'un grand système optique à zoom continu à rapport variable. La bande de travail du système est de 3,7 à 4,8 μm. Il adopte un détecteur de zone de refroidissement de 640 x 480, la taille des pixels est de 15 um, le nombre F est constant à 4 et il peut atteindre un angle de vision horizontal de 6,5 à 455 mm. La fonction de zoom continu de 0,92°-58,2°, jusqu'à 70 fois, utilise seulement deux matériaux, dix objectifs et une longueur totale de 300 mm. Il présente d’excellentes caractéristiques de qualité d’imagerie et de tolérance.

La limite supérieure du zoom du système optique à zoom à deux éléments est d'environ 50 fois. S'il dépasse cette valeur. Lors du mouvement axial du groupe zoom, le changement de l'angle de la lumière sur la surface de l'objectif provoquera de grandes aberrations, ce qui est difficile.

Correction : l'utilisation d'une structure de liaison à trois composants ou plus peut obtenir un rapport de zoom plus élevé, mais dans la conception du système de liaison multi-groupes, l'élimination des points de reproduction du zoom et la conception et le traitement de courbes de came complexes sont réalisés par l'ingénierie. de plus grandes difficultés. Dans le même temps, la méthode de liaison multigroupe réduit également la fiabilité de l’ensemble du système d’imagerie.

De plus, le rapport de zoom du système optique à zoom continu infrarouge, largement utilisé ces derniers jours, est d'environ 30 fois. Il existe des problèmes courants tels qu'une grande course de zoom et un long temps de commutation du champ de vision. Il est difficile de contrôler le saut de l'axe visuel pendant le zoom, ce qui limite considérablement ce type d'équipement qui est largement utilisé.

En réponse aux problèmes ci-dessus, l'article adopte l'idée de conception d'un zoom à deux étages basée sur la théorie de conception du système de zoom, et expose la réalisation d'un système optique à zoom continu compact et grand, qui peut être utilisé comme référence pour la conception de grands systèmes de zoom similaires.

Afin de faciliter la discussion, l'article utilise la théorie des lentilles minces pour décrire les modèles impliqués.

La figure 1 montre un diagramme schématique d'un modèle de conception de zoom en série à deux étapes. L'ensemble du système optique est composé d'un groupe avant à zoom continu à deux éléments et d'un groupe arrière d'imagerie secondaire avec fonction de grossissement variable en série.

Fig.1 Schémas du modèle de conception d'objectif zoom à deux étages de série

Le groupe avant adopte la structure de zoom traditionnelle à deux éléments pour réaliser le zoom de premier niveau du système optique : l'ensemble du processus de zoom de premier niveau, seuls les deux groupes mobiles du groupe de zoom et du groupe de compensation participent, et la caméra traditionnelle un mécanisme à manchon peut être utilisé. Répondre aux exigences de conception structurelle pour garantir la faisabilité du système.

Lors du zoom vers une certaine position, le groupe de zoom s'arrête de bouger et le système optique passe au deuxième zoom : le groupe de compensation et le deuxième groupe de zoom sont conçus selon la conception avec un bon mouvement régulier pour obtenir un zoom secondaire dans la distance focale du groupe avant.

En ce moment. Grâce à un traitement approprié, la courbe de mouvement de chaque groupe dynamique peut être en transition en douceur avec la courbe du processus de zoom de première étape, réalisé sur le même mécanisme de manchon à came. La difficulté de traitement et de contrôle est réduite ; le mouvement du groupe de zoom du deuxième étage peut être limité par un manchon à came séparé ou un mécanisme de guidage de vis mère, et a pour fonction de focaliser l'ensemble du système optique via un mécanisme de commande approprié.

Par conséquent, grâce à la méthode de zoom en série en deux étapes, chaque étape du processus de zoom ne comporte que deux composants mobiles, ce qui améliore la capacité de correction des aberrations de l'ensemble du système optique, évite les angles morts d'imagerie dans le processus de zoom et simplifie la conception du courbe de came Le procédé offre une grande commodité pour la réalisation de la structure optique-mécanique.

La méthode de l'équation différentielle du zoom est utilisée pour décrire le modèle de conception de deux étages en série afin d'obtenir un rapport de zoom élevé. Dans le modèle de conception, le groupe de compensation participe à l'ensemble du processus des première et deuxième étapes de zoom, et le groupe de zoom et le groupe de zoom de deuxième étape participent respectivement aux premier et deuxième processus de zoom.

Par conséquent, dans le processus de conception de la courbe de came, prenez le groupe de compensation comme groupe actif, le groupe de zoom et le groupe de zoom secondaire comme groupe piloté, et définissez la distance focale du groupe de zoom sur f'.₂, le rapport de grossissement m₂, et le mouvement axial comme △₂; la distance focale du groupe de compensation est après f'3, le grossissement est m₃, et le mouvement axial est △₃; la distance focale du groupe de zoom secondaire est f'₄, et le grossissement est m₄.

Pour le processus de zoom de premier niveau, il est réalisé grâce à la liaison du groupe de zoom et du groupe de compensation, c'est-à-dire :

Compte tenu des conditions initiales, en utilisant plusieurs méthodes pour résoudre les équations (1) et (4), la distribution de puissance optique de chaque composant et le zoom correspondant peuvent être obtenus dans les conditions de grossissement variable du premier et du deuxième étage.

La courbe de mouvement et la courbe de mouvement de chaque composant sont résolues par sections, ce qui garantit la continuité de la courbe, et ne seront pas répétées ici. Cependant, la solution segmentée ne peut pas garantir le temps de commutation du zoom à deux niveaux et la transition en douceur de la courbe de mouvement doit être considérée séparément.

Prenons comme exemple le lissage des deux sections de la courbe de zoom (y compris la courbe de mouvement de zoom de premier niveau et la ligne droite statique de zoom de deuxième niveau). Afin d'assurer une transition en douceur de la courbe, il est nécessaire que les pentes des deux sections de la courbe au moment du changement de niveau de zoom soient égales, c'est-à-dire :

Où : m₂₂≠0. Si tu veux y arriver, m₃₃-1=0, et considérant que m₃=1 n’a aucun sens, on voit que prendre m₃=-1 peut assurer la transition en douceur du groupe de zoom à deux niveaux pendant le commutateur de zoom à deux niveaux.

La même chose peut être prouvée : lorsque m₃=-1,

À ce stade, la transition en douceur du zoom à deux niveaux peut être garantie lorsque le zoom à deux niveaux est commuté.

De plus, afin d'assurer la douceur de la courbe, il est nécessaire d'assurer le processus de zoom de premier niveau. Les courbes de mouvement du groupe de zoom et du groupe de compensation sont lisses et continues, c'est-à-dire qu'il faut s'assurer qu'à l'instant m₃=-1, the zooming group magnification |m₂|＜ 1.

Si la focale courte est prise comme point de départ, les rapports de grossissement du groupe zoom et du groupe de compensation à la focale courte sont réglés sur m._2set M_3s, et la formule (1) est résolue par intégration, et le grossissement du groupe de zoom peut être obtenu :

Remplacer m₃=-1 dans la formule (8), le grossissement m2 du groupe de grossissement variable au moment du changement de l'ordre de grossissement variable peut être obtenu. À ce moment, si m₂<-1 est trouvé, la valeur peut être modifiée par m_3sou m_2smake adjustments to satisfy |m₂|≤1.

Un exemple de conception est sélectionné pour discuter et expliquer la méthode ci-dessus. L'exemple de conception utilise le détecteur de plan focal réfrigéré à infrarouge moyen de 3,7 ~ 4,8 μm, l'élément d'image est de 640 × 480, la taille des pixels est de 15 μm × 15 μm et la longueur diagonale est de 12 mm. Les indicateurs de conception spécifiques sont présentés dans le tableau 1.

La structure principale de grossissement variable du système optique adopte la forme d'une compensation de groupe positive ; le groupe fixe avant à puissance optique positive est une structure monolithique, utilisant un matériau en silicium avec une faible capacité de dispersion pour assumer la puissance optique principale ; en tenant compte du grand rapport de zoom, les aberrations de position focale longue et courte du système sont équilibrées, et le groupe de grossissement variable avec puissance réfractive négative utilise également du silicium avec une faible capacité de dispersion.

Cela garantit que pendant tout le mouvement du groupe zoom, il n'introduira pas trop d'aberration chromatique à la position focale courte et comprimera l'angle incident de la lumière sur la surface du groupe arrière, réduisant ainsi la pression de l'aberration du groupe arrière. correction.

Le groupe de compensation adopte une structure typique en trois parties composée de silicium-germanium-silicium selon la distribution de puissance optique positive-négative-positive, et corrige indépendamment l'aberration chromatique, l'aberration sphérique, le coma, etc.

Le groupe de lentilles fixes du milieu fonctionne principalement, la fonction de la lentille de champ est de comprimer la largeur du faisceau et de réduire le volume du groupe de lentilles d'imagerie secondaire ; le groupe de lentilles à zoom secondaire a un pouvoir réfractif positif, adopte une structure en deux parties, est une combinaison de deux matériaux de silicium et de germanium, et élimine également le miroir indépendamment. Aberrations primaires au sein du groupe.

À l'aide du logiciel Code V pour optimiser et analyser le système optique ci-dessus, la figure 2 montre les résultats d'optimisation du système optique à zoom continu infrarouge moyen compact et à grand rapport de zoom et l'évaluation MTF correspondante. Le système utilise uniquement deux matériaux infrarouges, le silicium et le germanium, et un total de 10 lentilles.

La longueur totale du système optique depuis la surface du système optique proche du côté objet jusqu'au plan focal est de 300 mm, le diamètre maximum de l'objectif unique est inférieur à 112 mm et le taux de distorsion maximum du zoom est inférieur à 5. %.

Fig.2 Résultat de conception et performances MTF correspondantes du système optique MWIR compact à rapport de zoom élevé

La fréquence de coupure du système optique conçu à chaque position de distance focale est de 33 1p/mm, et le champ de vision central MTF est supérieur à 0,28. La fonction de transfert de chaque champ de vision a une bonne répartition, ce qui indique que le système a une bonne qualité d'imagerie, ce qui prouve la faisabilité de la méthode de conception ci-dessus.

Utilisez le programme macro compilé pour optimiser la conception de la courbe de came du système optique compact à zoom continu dans l'infrarouge moyen à grand rapport de zoom. La figure 3 est un diagramme schématique de la courbe de came du système de zoom optimisée. On peut voir que l'ensemble du processus de compensation du zoom du système de zoom est fluide sans point d'inflexion.

De plus, la réflectivité de chaque surface est de 0,01, la température moyenne de la structure optique-mécanique est de 20°C, la température de fond de la scène de détection est de 20°C, la température à l'intérieur du détecteur Dewar est de -195,86°°C, et la différence de température induite par le narcisse (NITD) est adoptée. L'évaluation des caractéristiques de réflexion à froid du système de zoom mentionné ci-dessus montre que l'ensemble du système optique à la position focale courte, NITD≤2,85K ; à la position focale longue, NITD≤0,92K, qui peut répondre aux exigences des applications d'ingénierie.

Fig.3 Courbe de came du système optique MWIR à grand rapport de zoom

Les exigences de tolérance sont les suivantes : tolérance de l'indice de réfraction du matériau ± 0,001, tolérance du nombre d'Abbe ± 0,002 ; tolérance du rayon de courbure ± 0,02 mm ; tolérance d'épaisseur et d'excentricité ± 0,02 mm ; tolérance d'inclinaison ± 1'.

Les composants et les composants sont intégrés avec un barillet d'objectif et la tolérance d'intégration : tolérance excentrique ± 0,02 mm, tolérance d'inclinaison ± 1' ; et prenez le groupe de zoom à deux niveaux comme compensation d'ajustement. À l'heure actuelle, avec une probabilité de plus de 90 %, à la fréquence de coupure de 331p/mm, le champ de vision central MTF≥0,22 et le champ de vision périphérique MTF≥0,17. Le niveau de traitement et d'assemblage existant peut pleinement répondre aux exigences de conception du système.

Analyse et résumé de la structure de zoom à deux éléments dans la réalisation d'un système optique à grand rapport de zoom de plusieurs problèmes, sur cette base, expose une structure de zoom à deux étages du procédé de réalisation du système optique à zoom continu à grand rapport de zoom, et la distribution de la puissance de chaque composant et du lissage de la courbe de mouvement du composant dans le processus de conception sont discutés, ce qui fournit une nouvelle voie pour la réalisation du grand système de zoom.

À titre d'exemple, un système optique compact à zoom continu à grand rapport de zoom dans l'infrarouge moyen a été conçu. Le système utilise uniquement deux matériaux infrarouges, le silicium et le germanium, pour obtenir une fonction de zoom continu avec une distance focale allant de 6,5 à 455 mm jusqu'à 70 fois. De plus, le système est de petite taille, de structure compacte, de transmission élevée et présente de bonnes caractéristiques de qualité d'imagerie et de tolérance. Il devrait être largement utilisé dans les domaines de l’alerte précoce, de l’observation, du suivi, de la surveillance et dans d’autres domaines. L'exemple de conception montre également que le procédé peut être utilisé pour la conception d'un système optique à zoom continu avec un rapport de zoom élevé avec des exigences similaires.

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Auteurs : Qu Rui, Mei Chao, Yang Hongtao, Cao Jianzhong, Zhao Yan

Source du journal : Vol.46 No.11 Ingénierie infrarouge et laser novembre 2017

Date de réception : 2017-03-12 date Date de révision : 2017-04-17

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