Conception d'un système de zoom infrarouge à ondes moyennes à trois champs

Le système de zoom à trois champs présente les avantages d'une structure mécanique simple, d'une meilleure fiabilité et d'un temps de changement de focale court par rapport aux autres systèmes de zoom à motif. À l’aide d’un détecteur refroidi d’une résolution de 320 × 240 avec une dimension de pixel de 30 μm × 30 μm, un système optique à trois champs d’onde moyenne a été conçu par voie d’imagerie secondaire. Le nombre F du système est 4, la plage FOV est de 1,4°-23,8°, il peut réaliser une distance focale à trois positions de 30 mm/100 mm/500 mm.

Dans le processus de conception, le matériau Germanium et le silicium ont été adoptés pour équilibrer l'aberration chromatique, en introduisant une asphère pour équilibrer l'aberration sphérique. Le système utilise deux miroirs réduisant la dimension de l'axe. La dimension du système est meilleure que 210 mm × 160 mm × 120 mm, il présente des caractéristiques de petite dimension, une structure de zoom simple, une bonne qualité d'image, etc. La fonction de transfert de modulation (MTF) est supérieure à 0,5 à une fréquence spatiale de 17 lp/mm et le rapport de concentration d'énergie est supérieur à 70 % dans l'élément de détection du détecteur.

Ces dernières années, avec le développement des industries de traitement infrarouge et des semi-conducteurs, les systèmes infrarouges sont devenus de plus en plus largement utilisés. Étant donné que le système infrarouge présente certaines caractéristiques que le système à lumière visible ne possède pas, telles que l'imagerie nocturne, la mesure de la température sans contact, etc., l'imagerie infrarouge est de plus en plus utilisée dans le sauvetage nocturne, la surveillance nocturne et d'autres domaines.

Avec le développement des exigences d'application du système infrarouge, les défauts du système à focale fixe deviennent de plus en plus évidents. Il a un seul champ de vision et ne peut pas réaliser une étude générale à grand champ de vision et une inspection détaillée à petit champ de vision. Le système de zoom peut justement compenser cette lacune.

Comparé au système de zoom continu, le système de zoom à trois champs peut éliminer le besoin d'une conception complexe de courbes de came. Grâce à une simple compensation mécanique, trois distances focales différentes : longue, moyenne et courte peuvent être réalisées, correspondant aux trois types de focale étroite, moyenne et large. Pour différents champs de vision, le champ de vision ou la distance focale correspondant peut être sélectionné en fonction de différentes occasions d'utilisation.

Comparé au système de zoom traditionnel, le système de zoom à trois champs présente les avantages d'un moindre tremblement de l'axe visuel et d'un temps de zoom plus court. Dans cet article, un détecteur refroidi avec une résolution de 320 × 240 et une taille de pixel de 30 μm × 30 μm est utilisé pour concevoir un système optique zoom à trois champs fonctionnant dans le spectre des ondes moyennes.

Le nombre F du système est de 4, la distance focale du téléobjectif est de 500 mm et la distance focale est de 100 mm, la distance focale courte est de 30 mm et les angles de champ de vision sont respectivement de 1,4°, 6,8° et 23,8°. Le système se compose de 9 lentilles et de deux miroirs, offrant une efficacité de diaphragme froid de 100 %, une structure compacte, une bonne qualité d'image et d'autres caractéristiques.

En utilisant un détecteur réfrigéré de résolution 320 × 256, les paramètres de conception du système optique sont présentés dans le tableau 1.

Étant donné que le système est un système optique infrarouge réfrigéré, la manière de réduire la réflexion froide du système est une considération importante dans la conception. La réflexion du froid est un phénomène courant dans les systèmes infrarouges réfrigérés. Contrairement au système de lumière visible, dans le système infrarouge, chaque cadre ou barillet est une source de rayonnement qui est réfléchie par la surface non active de la partie optique et pénètre dans le détecteur infrarouge.

Si la distribution de ce champ de vision complet n'est pas uniforme, des dégradés d'échelle de gris seront générés lors de l'imagerie. Dans la plupart des cas, l'échelle de gris au centre est inférieure à l'échelle de gris sur les bords, et le système d'imagerie apparaîtra noir au centre et clair sur les bords. Il peut être considéré comme un bruit de fond qui se superpose à l’image cible lors de l’imagerie. Lorsque la réflexion froide est importante, elle peut sérieusement affecter la qualité de l’image. Il est donc nécessaire de se concentrer sur l’analyse et l’évaluation de l’effet de réflexion du froid lors de la conception.

Le système adopte la structure d'un groupe de zoom unique et d'un groupe de compensation unique, et sa solution gaussienne doit satisfaire l'équation suivante :

L'intervalle entre le groupe de zoom et le groupe fixe après le zoom :

L'intervalle entre le groupe de zoom et le groupe de compensation :

On peut le connaître grâce à la formule de relation objet-image en optique géométrique :

La distance conjuguée du système est :

Dans la formule ci-dessus : T est le taux de zoom du système ; β₂est le grossissement vertical de la position initiale du groupe à grossissement variable ; β₃est le grossissement vertical de la position initiale du groupe de compensation ;β^*₂est le grossissement vertical du groupe de grossissement variable après un grossissement par zoom ; β^*₃est le grossissement de l'axe vertical du groupe de compensation après zoom ; F₁' est la distance focale du groupe fixe avant ; F₂' est la distance focale du grossissement variable ; F₃' est la distance focale du groupe de rémunération ; d_s12est la position initiale du groupe à grossissement variable comme intervalle de groupe fixe précédent ; d_s23est l'intervalle entre le groupe de zoom et le groupe de compensation ; d*_s12est l'intervalle entre le groupe de zoom après le zoom et le groupe fixe précédent ; d*_s23est l'intervalle entre le groupe de zoom et le groupe de compensation après le zoom.

En remplaçant les formules (8) et (9) dans la formule (10), on peut obtenir :

Fig.1 Schéma de principe du système optique

Dans la conception, le diaphragme du système optique est placé à la position de l'écran froid du détecteur, et la deuxième méthode d'imagerie est utilisée pour atteindre une efficacité de diaphragme froid de 100 %. Selon la formule correspondante, la position du diaphragme à différentes structures de distance focale du système peut être calculée pour garantir différentes distances focales. La position peut satisfaire une efficacité d’ouverture froide de 100 %.

In order to reduce the axial size of the system, the system adopts a negative group compensation zoom method without object image exchange. It can be known from related references that when the focal length of the compensation group |f₃′| is too large, the total length of the system will increase, so in the system, the size of |f₃′| is limited during optimization.

The final normalized focal length of the compensation group of the system is |f₃'|=1.3. When the focal length of the compensation group decreases, the relative aperture of the compensation group will increase, which will increase the difficulty of system aberration correction.

La conception utilise une surface asphérique pour corriger l'aberration sphérique et l'aberration de coma, et la surface asphérique est ajoutée à la sixième lentille négative en germanium du système. Le matériau en germanium avec un coefficient de dispersion élevé dans la bande d'ondes moyennes est utilisé comme lentille négative, et le matériau en silicium avec un faible coefficient de dispersion dans la bande d'ondes moyennes est utilisé comme lentille positive afin que le système puisse garantir une bonne qualité d'image à chaque position du zoom. Le résultat de la conception est présenté à la figure 2.

Fig.2 Schéma optique de conception

En modifiant les positions de l'objectif 3 et de l'objectif 4, le système réalise des distances focales longues, moyennes et courtes, éliminant ainsi le besoin de conception de courbe de came et réduisant la complexité du système. Avant que le trajet lumineux ne soit réfracté, la longueur du système est de 400 mm et le rapport téléobjectif (longueur totale/focale) = 400/500 = 0,8. Une fois le trajet lumineux réfracté par le miroir, la taille globale du système est inférieure à 210 mm × 160 mm × 120 mm. Le système a une structure compacte et répond aux exigences de miniaturisation.

La fonction de transfert optique caractérise la capacité d'imagerie de la lentille vers des cibles de différents niveaux spatiaux, parmi lesquels la basse fréquence caractérise le contour, la fréquence intermédiaire caractérise le niveau et la haute fréquence caractérise la capacité de résolution. Dans les systèmes d'imagerie généraux, la fonction de transfert est supérieure à 0,2 et la fonction de transfert de la lentille infrarouge doit généralement être supérieure à 0,4.

Un système de correction d'aberration sphérique est introduit dans la conception, situé dans la sixième lentille, la taille des pixels du système est de 30 μm, la fréquence de Nyquist est de 16,7 lp/mm et les trois distances focales du système sont de 17 lp/mm, la La courbe de la fonction de transfert est présentée à la figure 3.

Fig.3 Courbes de MTF

On peut voir sur la figure que les valeurs de la fonction de transfert du système sont toutes supérieures à 0,5, ce qui est proche de la limite de diffraction, ce qui indique que le système a une bonne qualité d'imagerie et une haute résolution. La figure 4 montre la courbe d'énergie du cercle de diffraction entourant le système. Il ressort de la figure qu'environ 70 % de l'énergie est concentrée dans l'élément sensible du détecteur, qui répond aux exigences de base de la détection par réfrigération infrarouge.

Fig.4 Tache diffractive

Étant donné que le diaphragme froid du détecteur réfrigéré peut réfléchir à travers la surface de réfraction du système optique avant, il peut recevoir un rayonnement froid de lui-même et de l'environnement environnant pour former une image de réflexion froide. La réflexion froide formera un point sombre au centre de la surface cible, ce qui réduira le rapport signal-bruit du système. Elle doit donc être prise en compte dans la conception afin de minimiser son impact sur l'imagerie du système.

Afin de supprimer la réflexion du froid, les méthodes couramment utilisées sont :

(1) Un revêtement antireflet est appliqué pour améliorer la transmission des éléments optiques et réduire la réflectivité afin de réduire l'énergie impliquée dans le faisceau d'imagerie réfléchi ;

(2) Contrôlez l'angle de la lumière d'imagerie réfléchie pour éviter autant que possible les incidents dans la direction normale de la surface. La lumière incidente le long de la surface normale reflète facilement la surface cible du détecteur.

Dans l'analyse par réflexion à froid, YNI et I/IBAR sont des paramètres importants pour l'investigation, où Y est la hauteur du rayon de bord, N est l'indice de réfraction de la surface, I est l'angle incident correspondant au rayon de bord Y et IBAR est l'angle incident. angle du rayon principal. Habituellement lorsque YNI≥1, cela indique que la contribution de cette face à la réflexion froide peut être ignorée. Lorsque la valeur YNI est faible et que I/IBAR<1, la surface peut produire une réflexion froide importante.

L'analyse montre que le système peut avoir de graves réflexions froides avec une mise au point courte. Le tableau 2 montre les résultats de l'analyse des positions de mise au point courtes du système. D'après le tableau, on peut voir que les réflexions froides sur les surfaces 3, 6 et 7 peuvent être plus graves. Puisque la valeur YNI et la valeur I/IBAR de la surface 6 sont les plus petites, concentrez-vous sur la sixième surface.

Retournez le système, utilisez le détecteur comme source de lumière, tracez la lumière vers l'arrière et définissez la 6ème surface du système comme surface réfléchissante pour le traçage de rayons. La figure 5 montre le résultat du lancer de rayons. On peut voir sur la figure que l'image formée par la lumière du plan image réfléchie par la surface 6 est éloignée du plan image, et l'effet de réflexion froide qu'il provoque peut être ignoré.

Fig.5 Diagramme schématique du lancer de rayons par réflexion froide

L'article présente en détail les caractéristiques du système optique à zoom à trois champs et utilise un détecteur infrarouge réfrigéré de résolution 320 × 240 pour concevoir un système optique à zoom infrarouge à trois champs à ondes moyennes avec trois distances focales de 30 mm, 100 mm et 500 mm. , le processus de conception et les résultats de conception sont donnés.

Dans la conception, deux matériaux sont utilisés pour corriger l'aberration chromatique du système, et l'aberration sphérique du système est corrigée par la surface asphérique, ce qui améliore la qualité d'image du système. La méthode d'imagerie secondaire est utilisée pour que le système atteigne une efficacité de diaphragme froid de 100 %. La longueur totale du chemin optique du système avant rotation est de 400 mm et le rapport téléobjectif atteint 0,8. Une fois que deux miroirs sont utilisés pour faire pivoter le chemin optique, la longueur totale est inférieure à 210 mm.

La courbe de fonction de transfert du système est proche de la limite de diffraction et la concentration d'énergie du cercle englobant est élevée, ce qui indique que le système a une bonne qualité d'imagerie. A la fin de l'article, la réflexion froide est analysée, et la méthode d'analyse de la réflexion froide ainsi que les résultats de l'analyse sont donnés. Les résultats de l'analyse montrent que l'influence de la réflexion du froid peut être ignorée. Le système est de petite taille, de structure compacte, répond aux exigences de miniaturisation et peut être largement utilisé dans les camps de recherche aéroportés et dans l'imagerie de sauvetage nocturne.

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Auteurs : Fan Zheyuan, Gao Limin, Zhang Zhi, Chen Weining, Yang Hongtao, Zhang Jian, Wu Li, Cao Jianzhong

Source du journal : Vol.43 No.2 Ingénierie infrarouge et laser février 2014

Manuscrit reçu : 2013-06-14 ; date de révision : 2013-07-19

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