Conception d'un système optique à zoom continu à double liaison infrarouge à ondes longues

Les systèmes d'imagerie thermique infrarouge sont des systèmes de détection passive et ne nécessitent pas d'éclairage auxiliaire actif. Par conséquent, ils ont été largement utilisés dans la navigation par vision nocturne, l’alerte entrante, la reconnaissance de cibles et dans d’autres domaines. Pour les cibles dotées de sources de rayonnement à haute température telles que les avions, le rayonnement thermique externe est concentré dans la bande infrarouge des ondes moyennes.

Le système d'imagerie thermique infrarouge à ondes moyennes présente des avantages dans la détection et l'identification de telles cibles ; en raison de la faible température de surface des cibles militaires au sol telles que les bâtiments, leur rayonnement thermique est concentré dans la bande infrarouge à ondes longues, et le système infrarouge à ondes longues peut supprimer l'effet néfaste de l'étincellement de la surface de la mer sur l'imagerie de la cible.

Par conséquent, le système infrarouge à ondes longues présente davantage d'avantages dans la détection de cibles dans des conditions météorologiques défavorables telles qu'une faible visibilité et la brume, ainsi que dans la détection et l'identification de cibles de navires de surface.

En raison des effets de diffraction, le diamètre du disque d'Airy d'un système optique est proportionnel à la longueur d'onde et au nombre F. Pour le système d'imagerie thermique infrarouge à ondes longues, afin d'améliorer sa résolution, il est nécessaire de concevoir un système optique avec une grande ouverture relative. Il est donc très important d’étudier les systèmes optiques dotés de petits nombres F et de grandes ouvertures relatives.

Le système de zoom continu infrarouge est réalisé par le mouvement axial du groupe zoom et du groupe de compensation. Selon différentes méthodes de compensation, elle se divise en deux formes : compensation optique et compensation mécanique.

Dans le système de zoom à compensation optique, étant donné que le groupe mobile est responsable à la fois des fonctions de zoom et de compensation, il est difficile d'obtenir un rapport de zoom important ; pour le système de zoom à compensation mécanique, l'intervalle de changement entre le groupe de zoom, le groupe de compensation et le groupe fixe est petit. Le système n'est pas facile à obtenir une grande ouverture relative et une conception miniaturisée.

Dans cet article, basé sur le détecteur infrarouge refroidi à ondes longues 640 × 512, qui a été appliqué avec maturité, un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues à liaison double groupe est conçu. Le groupe de zoom du système utilise deux groupes de lentilles fixes pour effectuer un mouvement linéaire ou non linéaire afin d'obtenir un changement de distance focale, et le groupe de compensation effectue un mouvement non linéaire pour compenser la défocalisation du plan d'image du système provoquée par le mouvement du groupe de zoom. . Assurez-vous que l’image peut toujours être claire pendant le processus de zoom.

Sans augmenter la difficulté de déplacement du système de commande de composants, l'angle de pression de la courbe de came du système de zoom peut être réduit, le nombre d'objectifs du système peut être réduit et le rapport de zoom du système peut être amélioré tout en réalisant un grand rapport relatif. ouverture et miniaturisation.

1. Principe du zoom de liaison double groupe et calcul de la structure initiale

La figure 1 montre le schéma de principe optique du système de zoom à liaison double. Sur la figure, 1 est le groupe fixe avant ; 2 et 4 sont des groupes de zoom, qui sont fixés ensemble pour effectuer un mouvement linéaire (ou un mouvement non linéaire) dans la même direction ; 3 est un groupe de compensation, situé entre les deux groupes de zoom, effectue un mouvement non linéaire pour compenser la défocalisation du plan image du système provoquée par le mouvement du groupe zoom, de manière à garantir que le plan image du système reste stable pendant le processus de zoom ; 5 est le groupe fixe arrière.

Fig.1 Croquis du système de zoom à double liaison

Le taux de zoom du système est :

Dans la formule : β2, β3, β4 sont respectivement le grossissement initial des 2e, 3e et 4e composantes, β*2, β*3, β*4 sont les 2e, 3e et 4e composantes après le grossissement du mouvement de zoom. . Les grossissements initiaux du groupe zoom et du groupe compensation sont :

Dans la formule : f1, f2, f3, f4 sont respectivement les distances focales des 1ère, 2ème, 3ème et 4ème composantes, d12 est l'intervalle initial entre la 1ère et la 2ème composante, et d23 est la distance entre la 2ème et la 3ème composante . L'intervalle initial entre d34 est l'intervalle initial entre les 3ème et 4ème composantes.

Les grossissements du groupe zoom et du groupe compensation sont :

La quantité de mouvement du groupe de zoom :

L'ampleur du mouvement du groupe de rémunération :

L'intervalle entre les composants est :

Tout d’abord, donnons des valeurs initiales normalisées : f3, d23, d34, prenons β3=-1, β2, β4=1 ou β2=-1, β3=1, β4=1 pour calculer la structure initiale du système.

2. Indicateurs de conception et résultats de conception

2.1 Indicateurs de conception

Détecteur : 640×512 réfrigération ;

Taille des pixels : 15 μm ;

Bande de travail : 7,7 μm ~ 9,5 μm ;

Nombre F : 2,24 ;

Distance focale : 30 mm ~ 360 mm ;

Diamètre du système : ≤180 mm ;

La longueur totale du système : ≤320 mm.

2.2 Résultats de conception et analyse de la qualité de l'image

Réglez le téléobjectif comme position de départ, prenez la valeur normalisée : f3=1, d23 est le plus court au téléobjectif, et il suffit de s'assurer que les objectifs ne se touchent pas, prenez 0,05, réglez le téléobjectif sur d34=1,5 , prenons β3 =-1, β2β4=1 Effectuer le calcul de la structure initiale du système. Remplacez par les formules (1) à (9) pour obtenir le système dans l'état de mise au point courte : d12*=0,2, d23*=1,5, d34*=0,02, d45*=0,9 ; dans l'état de mise au point longue : d12=0,9, d23=0,3, d34=1,5, d45=0,2, la distance focale de chaque composant est : f2=-0,35, f1=1,5, f4=-6.

Après avoir mis à l’échelle la structure initiale obtenue, le logiciel de conception optique a été utilisé pour l’ajustement et l’optimisation. Enfin, un système optique de liaison à double groupe adapté à un détecteur refroidi à ondes longues de 640 × 512 a été conçu comme le montre la figure 2.

Le nombre F du système était de 2,24 et la bande de travail était de 7,7 μm ~ 9,5 μm, composée de 8 lentilles, le diamètre maximum est de 166 mm. La troisième lentille est constituée d'un matériau ZnSe, et les autres sont tous constitués d'un matériau Ge, dont la surface arrière de la première lentille et la surface arrière de la troisième lentille sont asphériques. Un diagramme schématique du processus de zoom du système optique à zoom continu est présenté à la figure 3.

Fig.2 Structure du système optique

Fig.3 Diagramme du processus de zoom du système optique

Les figures 4, 5 et 6 sont les courbes de fonction de transfert de modulation du système aux focales courtes, moyennes et longues. La taille des pixels du détecteur infrarouge refroidi à ondes longues 640 × 512 est de 15 μm et la fréquence caractéristique correspondante est de 33 lp/mm, la fonction de transfert du système optique dans le champ de vision de 0,7 est proche de la limite de diffraction et la valeur de la fonction de transfert dans le champ de vision périphérique est supérieure à 0,15, ce qui répond aux exigences de l'application.

Fig.4 Courbes MTF de courte focale

Fig.5 Courbes MTF de focale moyenne

Fig.6 Courbes MTF de longue focale

Les figures 7, 8 et 9 sont les diagrammes ponctuels du système aux focales courtes, moyennes et longues. Il ressort des figures que le diamètre du point de dispersion du système à différentes focales est inférieur au diamètre théorique du disque d'Airy du système, pour répondre aux exigences de l'application.

Fig.7 Diagramme ponctuel de courte focale

Fig.8 Diagramme ponctuel de la focale moyenne

Fig.9 Diagramme ponctuel de la longue focale

Les figures 10, 11 et 12 sont les courbes de courbure de champ et de distorsion du système aux focales courtes, moyennes et longues. Il ressort des figures que la distorsion du système sous différentes focales est inférieure à 2,5 %, ce qui répond aux exigences de l'application.

La figure 13 est le diagramme de courbe de zoom du système optique à zoom continu, l'abscisse est la distance focale du système optique à zoom continu, et l'ordonnée est la distance axiale du groupe zoom et du groupe de compensation par rapport au groupe fixe avant. On peut voir sur la figure que la courbe de zoom du système est lisse et continue, et qu'il n'y a pas de changement soudain, ce qui peut efficacement éviter que le système ne reste bloqué dans le processus de zoom.

Fig.10 Courbes de champ astigmatique et distorsion de courte focale

Puisque le groupe zoom est composé de deux groupes de lentilles, qui partagent la puissance optique du groupe zoom, l'angle de pression de la courbe de came du groupe zoom peut être réduit. Avant l'analyse de simulation de la structure de came, il est nécessaire d'optimiser la courbe de came.

Lors de l'optimisation de la courbe de came, il est nécessaire de s'assurer que le processus de zoom est uniforme et stable. Dans le même temps, pour faciliter le traitement, l'angle de pression de la courbe de came ne peut pas être trop grand et le maximum ne peut pas dépasser 45°.

La figure 14 est un graphique de l'angle de pression de la came de zoom du système optique à zoom continu. Le système adopte le mouvement non linéaire du groupe de zoom et du groupe de compensation. Après optimisation, l'angle de pression maximum de la courbe de zoom est de 41,31°, l'angle de pression maximum de la courbe de compensation est de 34,29° et l'angle de circonférence de la came est de 172,45°.

Fig.11 Courbes de champ astigmatique et distorsion de la focale moyenne

Fig.12 Courbes de champ astigmatique et distorsion de la longue focale

Fig.13 Courbes de zoom du système optique à zoom continu

Fig.14 Angle de pression de la came de zoom du système optique à zoom continu

3. Conclusion

Dans cet article, la conception d'un système optique infrarouge à liaison double est étudiée. Basé sur un détecteur infrarouge refroidi à ondes longues de 640 × 512 et 15 μm, un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues à liaison double groupe avec une distance focale de 30 mm à 360 mm et un nombre F de 2,24 est conçu.

Le groupe zoom du système est constitué de deux groupes de lentilles fixes pour effectuer le mouvement linéaire ou non linéaire, et le groupe de compensation effectue un mouvement non linéaire pour compenser la défocalisation du plan image du système provoquée par le mouvement du groupe zoom, garantissant que pendant le processus de zoom, vous puissiez obtenir une image nette à tout moment. Les résultats montrent que l'angle de pression de la courbe de came peut être réduit, et que la conception d'une grande ouverture relative et la miniaturisation peuvent être obtenues sans augmenter la difficulté du système de contrôle des composants mobiles.

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Auteurs : Wu Haiqing, Zhao Xinliang, Li Tonghai, Tian Haixia, Cui Li

Source du journal : Technologie infrarouge Vol.41 No.7 juillet 2019

Date de réception : 2018-12-18 ; Date de révision : 2019-06-26.

Les références:

[1] LUO Shoujun, XIA Yinhui, YANG Ningning et al. Système optique de balayage à zoom continu infrarouge à grande longueur d'onde [J]. Optique chinoise, 2015, 8(1) : 107-113.

[2]LI Ruiyao, FU Yuegang, LIU Zhiying. Conception d'athermalisation d'un système d'imagerie infrarouge compact à ondes moyennes [J]. Technologie infrarouge, 2018, 40(2) : 119-124.

[3] HE Wubin, HAO Junming, WU Wei et al. Conception d'un système optique infrarouge à zoom continu à faible F/# et à longue longueur d'onde [J]. Laser et infrarouge, 2013, 43(7) : 757-760.

[4] WANG Zhijiang. Manuel pratique de technologie optique [M]. Pékin : China Machine Press, 2007 : 429-430.