Conception d'un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues haute résolution

Une caméra thermique infrarouge est un instrument photoélectrique permettant de surveiller, suivre et identifier des cibles à longue distance la nuit et par mauvais temps. Il a été largement utilisé ces dernières années dans les domaines de la surveillance tous temps tels que la défense nationale, la prévention des incendies et les secours en cas de catastrophe, ainsi que l'exploration géologique. Cela présente des avantages économiques et sociaux importants. Les caméras thermiques infrarouges se présentent sous trois formes principales : un champ de vision unique, un champ de vision double et un zoom continu.

La caméra thermique infrarouge à champ unique a une seule distance focale fixe et le champ de vision est petit, ce qui ne peut pas répondre simultanément aux besoins de recherche et d'identification de cibles ; la caméra d'imagerie thermique à double champ a deux distances focales différentes, formant deux grands et petits champs de vision, qui peuvent être utilisés pour la recherche d'un grand champ de vision, un petit champ de vision pour identifier des cibles.

Il y a eu plusieurs résultats de recherches nationales sur les systèmes de zoom continu infrarouge à ondes longues et à zoom élevé. Des détecteurs refroidis sont utilisés, tels que dix fois conçus par Zhang Liang et al., 20 fois conçus par Chen Luji et al., et un système de zoom continu infrarouge à ondes longues 25 fois conçu par Jia Xingrui. Système optique zoom; en utilisant des détecteurs non refroidis, tels que le 10x conçu par Liu Feng et le système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues 4× conçu par Bai Yu.

Les résultats de recherches étrangères incluent le Mark C américain de 2010. Un système optique à zoom infrarouge avec un rapport de zoom de 30 × rapporté par Sanson et al. Cependant, en raison du développement des détecteurs, il existe peu de publications sur les systèmes de zoom infrarouge haute résolution. Cet article fait une nouvelle tentative de conception à ce stade.

La conception du système optique à zoom continu infrarouge nécessite que la distance focale change dans une certaine plage et que la position du plan image soit fixe, que l'ouverture relative du système soit grande et reste presque inchangée pendant le zoom, et nécessite une bonne qualité d'image pour chaque distance focale et champ de vision. Il existe donc une certaine complexité technique dans la conception, la fabrication et l’assemblage.

Sur la base des exigences de conception des produits réels, cet article conçoit un système optique infrarouge à zoom continu 6× avec une distance focale de 20 à 120 mm, basé sur la théorie de conception d'un système optique à zoom continu. Lorsque la distance focale du système est de 20 à 90 mm, le nombre F est de 1, et lorsque la distance focale est de 90 à 120 mm, le nombre F est de 1,1.

Par rapport aux conceptions précédentes, ce système a une résolution optique plus élevée et convient aux détecteurs non refroidis à éléments d'oxyde de vanadium 640 × 512. La taille des pixels n'est que de 17 μm × 17 μm. Il adopte une structure de zoom compensée mécaniquement et utilise cinq morceaux de lentille monocristalline en germanium et un morceau de lentille en verre chalcogénure.

Dans le but d'assurer un rapport de zoom plus élevé et une grande ouverture, la résolution du système est améliorée et des détecteurs et des matériaux optiques moins chers sont utilisés, ce qui permet de contrôler efficacement le coût global tout en répondant aux exigences d'utilisation, et a de bonnes performances. performance pratique.

Cette conception adopte une structure de compensation mécanique de groupe positif (c'est-à-dire que le groupe de compensation a une puissance optique positive). Le diamètre de la lentille est petit, la distance focale du groupe fixe avant est plus longue et le spectre secondaire est petit.

Des mouvements à deux composants sont utilisés pour obtenir un zoom et une compensation, et le nombre de composants de mouvement est faible, ce qui est pratique pour la conception et l'optimisation de la structure. Le système de zoom optique peut être divisé en groupe fixe à 1 façade ; Groupe de grossissement à 2 variables ; 3-groupe de rémunération ; Groupe fixe à 4 arrières ; les contributions à la puissance optique globale sont 1-positives ; 2-négatif ; 3 -Positif ; 4-Positif.

Lorsque le groupe zoom se déplace linéairement pour changer de position, la distance focale du système et la position du plan image changent également en conséquence. Pour assurer la stabilité du plan image, le mécanisme à came doit entraîner le groupe de compensation pour effectuer le mouvement non linéaire afin de compenser la position du plan image. Le principe du zoom est illustré à la figure 1.

Fig.1 Croquis du système optique zoom

Le processus de conception du système est divisé en deux étapes : l'obtention d'une solution gaussienne et la conception des aberrations. Tout d'abord, déterminez la distance focale, l'intervalle d'objectif, la plage de déplacement du groupe de zoom et le groupe de compensation de chaque objectif du système en fonction des paramètres tels que la plage de distance focale, l'ouverture relative, la taille de l'image et la taille de forme requis par le système ; puis calculez-la en fonction des données de la solution gaussienne. Le logiciel ZEMAX est utilisé pour calculer l'aberration et optimiser la conception des paramètres de structure initiaux de la lentille.

Dans la conception, il est nécessaire de sélectionner plusieurs positions de distance focale différentes en fonction de la même proportion de toute la plage de changement de distance focale. Lorsque le système est à la position de distance focale ci-dessus, utilisez le groupe fixe avant, le groupe de zoom et le groupe de compensation pour optimiser l'aberration au minimum, puis utilisez le groupe fixe arrière pour corriger l'image résiduelle.

Cette conception utilise un détecteur infrarouge à ondes longues non refroidi à l'oxyde de vanadium de 640 × 512 éléments avec une taille de pixel de 17 μm × 17 μm. Selon les exigences réelles de l'application, les principaux indicateurs de conception du système optique à zoom continu infrarouge sont présentés dans le tableau 1.

La forme et la structure du système optique à zoom continu infrarouge conçu selon l'indice sont illustrées à la figure 2. La figure 2 (a), la figure 2 (b) et la figure 2 (c) montrent l'apparence et la structure du système lorsque le la distance focale courte est de 20 mm, la distance focale moyenne est de 60 mm et la distance focale longue est de 120 mm. La longueur totale du système est de 264 mm.

Fig.2 Disposition du système optique à zoom continu LWIR

Le rapport de zoom du système est de 6× et la conception optimisée est réalisée à l'aide du logiciel de conception assistée par optique ZEMAX. Il adopte la structure de 4 groupes de 6 éléments, le groupe fixe avant est une lentille unique à puissance positive, ce qui réduit le poids du système. La deuxième lentille est une lentille négative du groupe à grossissement variable, la troisième est une lentille positive du groupe de compensation et le groupe fixe arrière utilise 3 lentilles distinctes, ce qui peut optimiser efficacement l'aberration restante de la structure précédente.

En termes de matériaux, étant donné que les monocristaux de germanium ont un indice de réfraction élevé et une faible dispersion pour les ondes lumineuses infrarouges à ondes longues de 8 à 12 μm, 5 lentilles monocristallines de germanium et 1 lentille en verre de chalcogénure sont utilisées pour éliminer l'aberration chromatique. Le nombre de lentilles est faible et le prix est relativement bas (le prix du verre au chalcogénure ne représente qu'un tiers de celui du séléniure de zinc), ce qui réduit efficacement le coût en partant du principe que le système peut corriger les aberrations.

Cet article utilise principalement le MTF et le diagramme spot pour évaluer le système optique à zoom continu infrarouge. Ce qui suit donnera la carte MTF et les points du système de zoom continu infrarouge dans les trois cas de mise au point courte, de mise au point moyenne et de mise au point longue.

La courbe MTF de la fonction de transfert de modulation de ce système dans toute la plage de focales est représentée sur la figure 3. Les figures 3 (a), 3 (b) et 3 (c) sont les courbes MTF de 6 champs de vision lorsque le court la distance focale est de 20 mm, la distance focale moyenne est de 60 mm et la distance focale longue est de 120 mm.

À la fréquence de coupure spatiale du détecteur de 30 lp/mm, on peut voir que la FTM de toute la plage focale est supérieure à 0,45, ce qui est proche de la limite de diffraction, ce qui indique que le système a une bonne qualité d'imagerie dans chaque champ de vision dans toute la plage de focales. Par conséquent, le système peut être utilisé avec une variété de détecteurs à réseau infrarouge avec une taille de pixel supérieure ou égale à 17 μm.

Fig.3 Courbes MTF du système optique à zoom continu LWIR

La figure 4 montre les diagrammes de points de 6 champs de vision différents lorsque la distance focale de ce système de conception est de 20 mm, 60 mm et 120 mm. On peut voir sur la figure que les points diffus dans chaque champ de vision du système sont proches de la limite de diffraction (le cercle noir sur la figure est la plage du disque aéré) et que son rayon quadratique moyen ne dépasse pas 6,3 μm. au maximum, ce qui est plus petit que la taille des pixels de 17 μm × 17 μm. Cette conception permet d'obtenir une résolution plus élevée et peut répondre aux exigences correspondantes du détecteur haute définition non refroidi de ce système.

Fig.4 Diagrammes ponctuels du système optique à zoom continu LWIR

La conception du système optique de zoom doit garantir la stabilité de la surface de l'image, et la conception de la courbe de zoom a une influence décisive sur la stabilité de la surface de l'image du produit, la qualité de l'image et la complexité du processus de traitement et d'assemblage pendant le processus de zoom.

Dans les applications pratiques, si la conception de la courbe de la came de zoom n'est pas suffisamment lisse et qu'il y a des courbures de saut ou des points extrêmes dans certaines positions, cela augmentera la difficulté de traitement du mécanisme de came, ce qui rendra le système irrégulier et fluide lors du zoom. , et facile à confiture.

Cette conception utilise un système électromécanique pour amener le groupe de zoom et le groupe de compensation à se déplacer de manière non linéaire pour obtenir un zoom optique continu 6 × et optimiser la conception pour sa douceur.

La figure 5 montre la courbe de zoom continu du système : l'ordonnée est la distance focale du système de zoom, et l'abscisse est la distance de déplacement du groupe de zoom et du groupe de compensation par rapport à l'origine du système. La figure 5 (a) est la courbe de zoom avant la conception d'optimisation, il y a un saut de courbure local ; La figure 5 (b) est la courbe de zoom après la conception d'optimisation, la courbe de zoom après optimisation est lisse et continue, ce qui est bénéfique pour le traitement du mécanisme à came]. La gigue de l'axe optique du système est inférieure à 3 pixels dans la course de zoom de 20 à 120 mm.

(a) Zoom sur les courbes des lieux avant l'optimisation (b) Zoom sur les courbes des lieux après optimisation

Fig.5 Courbes des lieux de zoom du système optique à zoom continu LWIR

Dans cet article, un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues haute résolution est conçu en conséquence sur la base du détecteur non refroidi de 640 × 512 éléments utilisé. La figure 6 est l'image originale de l'image correspondant à différentes distances focales lors de l'utilisation de ce système optique pour photographier un bâtiment situé à environ 2 à 3 km.

(a), (b), (c), (d) et (e) sur la figure correspondent respectivement à des distances focales de 20 mm, 40 mm, 60 mm, 90 mm et 120 mm. Il ressort de la figure 6 que pendant le processus de zoom, l'image obtenue par le système présente une qualité d'image stable, une haute résolution, des détails clairs, une transmission élevée et de bonnes perspectives d'application.

(d) Image lorsque EFL = 90 mm (e) Image lorsque EFL = 120 mm

Basé sur la théorie de conception du système optique à zoom continu et les exigences des applications d'ingénierie pratiques, cet article conçoit un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues haute résolution adapté aux détecteurs non refroidis de 640 × 512 éléments. Le système utilise 5 lentilles monocristallines en germanium et 1 lentille en verre chalcogénure, avec un coût relativement faible, une petite taille et un poids léger, et est facile à installer et à transporter.

Le système utilise également une méthode de zoom à compensation mécanique pour obtenir un zoom continu et fluide dans la plage de 20 à 120 mm, et la distance de travail peut atteindre 5 m à 5 km. Le champ de vision peut atteindre 33,8° × 25,7° (à une distance focale de 20 mm) à 4,6° × 3,4° (à une distance focale de 120 mm), un suivi en temps réel peut être obtenu lorsque le champ de vision est modifié, et il convient pour suivre des cibles mobiles à grande vitesse.

La qualité d'image du système est excellente, les données MTF et le diagramme ponctuel sont proches de la limite de diffraction et l'effet de prise de vue réel est bon. La courbe de la caméra zoom a été optimisée par la conception et le zoom est fluide ; la surface de l'image est stable et l'axe de l'axe optique est inférieur à 3 pixels pour un zoom continu.

Il a été prouvé que la conception répondait aux exigences de divers indicateurs grâce à des tests réels. En tant que système infrarouge à haute résolution qui remplace les produits réfrigérés, il se caractérise par la combinaison d'un zoom continu, d'une haute résolution et d'un coût réduit, et le réalise.

En garantissant des performances système élevées et des qualités de produits élevées, nous économisons autant que possible les coûts de conception, de traitement, de test et d'assemblage, et nous nous efforçons de trouver la meilleure combinaison de performances et de coûts. Cette conception est utilisée dans les domaines de la sécurité, du suivi, de la détection et dans d’autres domaines ayant une grande valeur pratique.

Auteurs : Bao Jiaqi, Ji Zijuan, Ge Zhenjie, Li Nan, Yu Kan, Yin Juanjuan

Source du journal : Ingénierie opto-électronique, février 2014

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