Une nouvelle conception de système optique à double champ de vision LWIR à zoom progressif

Le système optique infrarouge est une partie importante de l'imageur infrarouge, qui est utilisé pour concentrer l'énergie du rayonnement infrarouge, zoomer, dissiper la chaleur, contrôler la qualité de l'image et concentrer l'énergie du rayonnement infrarouge sur le plan focal. En raison de la fonction unique du système optique infrarouge à champ unique, son utilisation pratique est limitée et il est difficile de répondre aux besoins de développement des systèmes optiques infrarouges modernes.

Le système optique infrarouge à double champ possède deux champs de vision de tailles différentes. Le grand champ de vision peut être utilisé pour rechercher des cibles suspectes dans une large plage, et le petit champ de vision peut être utilisé pour identifier et suivre les cibles suspectes. Il a une structure simple, un temps de commutation de champ de vision court et une imagerie. Il présente les avantages de haute qualité, de simplicité et de praticité, c'est pourquoi il a été largement utilisé dans les systèmes optiques infrarouges modernes.

Le système optique infrarouge à zoom utilisé pour le détecteur de refroidissement adopte principalement la méthode d'imagerie secondaire pour faire correspondre la pupille de sortie du système optique avec l'écran froid du détecteur, et peut contrôler efficacement l'ouverture de l'objectif, ce qui ne provoque généralement pas le variété de plans d'image intermédiaires pendant le processus de zoom.

Dans cet article, un nouveau système optique infrarouge à double champ avec forme de zoom est présenté, qui utilise le groupe de zoom pour se déplacer axialement devant et derrière l'image principale afin d'obtenir un zoom, une mise au point et une compensation de température, ce qui non seulement modifie la focale. longueur du système mais modifie également l'image intermédiaire. La position de la surface présente les avantages d'un nombre réduit de composants du système et d'une structure très compacte.

Dans cet article, pour le détecteur de plan focal à ondes longues 320 × 256, une nouvelle forme de zoom est utilisée et un système optique d'imagerie secondaire à double champ est conçu avec seulement 5 lentilles. Les champs de vision larges et étroits sont à la fréquence de Nyquist (17 lp/mm). Les MTF sont proches de la limite de diffraction et la qualité d'imagerie est excellente.

Il existe plusieurs types de modes de zoom du système optique infrarouge à double champ. À l'heure actuelle, le mode de commutation ou le mode de zoom à compensation optique à deux composants sont généralement adoptés. Ces deux modes de zoom n'entraînent pas de modifications du plan image et présentent chacun des avantages et des inconvénients. Le type de commutation modifie principalement la distance focale du système optique en coupant/découpant le groupe de zoom dans le système.

Lorsque le groupe de zoom coupe le chemin optique, la distance focale du système devient plus courte, formant un mode de champ de vision large ; lorsque le groupe zoom coupe le chemin optique, la distance focale du système change. long, formant un mode de champ de vision étroit, comme le montre la figure 1.

Fig.1 Système optique rotatif-zoom

Le mode zoom à compensation optique à deux composants modifie principalement la distance focale du système optique en déplaçant axialement le groupe zoom dans le système. Le groupe zoom utilise généralement un groupe d’objectifs négatifs. En avançant, la distance focale du système devient plus courte, formant un mode de champ de vision large ; lorsque le groupe de zoom recule, la distance focale s'allonge, formant un mode de champ de vision étroit, comme le montre la figure 2.

Fig.2 Système optique Step-Zoom

Cet article présente une autre nouvelle méthode de zoom, qui est également obtenue en déplaçant axialement le groupe de zoom pour obtenir un zoom système. Différente de la méthode de zoom à compensation optique à deux composantes, cette méthode de zoom est ingénieusement combinée avec le deuxième système d'imagerie.

Le groupe de zoom se déplace d'avant en arrière dans la position du plan image principal, ce qui modifie non seulement la distance focale du système mais également la position du plan image intermédiaire. Assurez-vous que le plan d’image final du système est stable et que la qualité de l’image est bonne.

Comme le montre la figure 3, le système se compose du groupe fixe avant 1, du groupe zoom 2 et du groupe fixe arrière 3. Lorsque le groupe zoom se déplace dans la direction du groupe fixe avant, il forme un groupe d'objectifs avec le un groupe fixe avant pour faire converger les rayons de rayonnement de la cible de scène et un plan d'image primaire est formé.

À ce stade, le groupe fixe arrière forme un groupe de relais pour effectuer une imagerie secondaire sur le plan d'image principal afin de former un mode de champ de vision étroit ; lorsque le groupe zoom se déplace vers le groupe fixe arrière, il forme un groupe relais avec le groupe fixe arrière. , effectuez une imagerie secondaire sur le plan d'image principal formé par le groupe fixe avant et déplacez la position du plan d'image principal vers l'avant pour former un mode de champ de vision large.

Le système à double champ de vision dispose d'une nouvelle méthode de zoom. Le groupe d'objectifs et le groupe de relais sont étroitement combinés via le groupe de zoom, ce qui raccourcit efficacement l'intervalle entre le groupe d'objectifs et le groupe de relais, rendant la structure de l'ensemble du système très compacte et raccourcissant considérablement la longueur totale du système. Par rapport au procédé de zoom à compensation optique à deux composants, le procédé de zoom comporte un groupe de lentilles en moins, moins de lentilles, une transmission plus élevée, un coût inférieur et une structure plus compacte.

Fig.3 Nouveau système optique Step-Zoom

Compte tenu de diverses contraintes telles que le volume, le poids et les performances, les principaux indicateurs techniques de conception du système optique infrarouge athermalisé à double champ à ondes longues sont présentés dans le tableau 1.

Tableau 1 Paramètres de conception optique

Pour le détecteur de plan focal infrarouge refroidi à ondes longues de 320 × 256 éléments, une structure initiale appropriée a été sélectionnée et le logiciel de conception assistée par optique ZEMAX a été utilisé pour optimiser la conception du système optique infrarouge à double champ. Le résultat de la conception est illustré à la figure 4. Le système optique infrarouge à double champ comporte un total de 5 lentilles. Il se compose d'un groupe de fixation antérieur (2 pièces), d'un groupe de zoom (1 pièce) et d'un groupe de fixation arrière (2 pièces), et adopte une structure de mise au point optique +, -, -, +, +.

Les matériaux infrarouges utilisent du Ge et du ZnSe, le matériau germanium présente les caractéristiques d'une faible dispersion et d'un indice de réfraction élevé, et présente de bonnes performances de dispersion à de longues longueurs d'onde, mais il est difficile de corriger l'aberration chromatique pour les systèmes de zoom complexes avec un seul matériau, tandis que le ZnSe est principalement utilisé pour l'achromatique. Afin de réduire le nombre de lentilles, d'améliorer la transmission du système, de contrôler efficacement l'aberration du système et d'améliorer la qualité de l'image, trois surfaces asphériques d'ordre élevé sont introduites.

Le groupe de zoom est entraîné par un moteur à courant continu pour avancer et reculer le long de l'axe optique afin de réaliser les fonctions de commutation du champ de vision, de mise au point et de compensation de température. Après une conception optimisée, le système dispose de plans d'image stables avec des champs de vision larges et étroits, et la qualité d'imagerie est proche de la limite de diffraction. Ses principales caractéristiques sont :

(1) La forme de zoom est nouvelle et la commutation du champ de vision est réalisée en déplaçant le groupe de zoom devant et derrière une image, ce qui réduit le nombre d'éléments du système ;

(2) La structure est plus compacte, la longueur totale du système est courte, la distance entre le premier miroir et le plan focal du détecteur infrarouge est inférieure à 130 mm et le rapport longueur totale/focale est d'environ 0,7 ;

(3) Le nombre de lentilles est faible, seulement 5 pièces, ce qui améliore la transmission du système, économise efficacement les matériaux infrarouges et réduit les coûts ;

(4) La méthode d'imagerie secondaire est adoptée, ce qui favorise la correspondance complète de la pupille de sortie du système optique et de l'écran froid du détecteur infrarouge, l'efficacité de l'écran froid peut être garantie à 100 % et l'ouverture de la lentille d'objectif peut être efficacement compressée ;

(5) Le groupe de zoom à déplacement axial peut réaliser les fonctions de zoom, de mise au point et de compensation de température, ce qui simplifie la structure et la conception électronique ;

(6) Petite taille, légèreté, qualité d'image élevée, faible coût et performances élevées.

Fig.4 Système optique infrarouge à double FOV

La fonction de transfert est une méthode d'évaluation importante pour un système optique. Grâce à la conception optimisée, le système est stable dans le champ de vision étroit et large et la qualité d'image est excellente. Les figures 5 et 6 montrent respectivement les diagrammes de fonction de transfert de modulation optique de champs de vision étroits et larges à température ambiante. On peut voir sur les figures que la FTM à la fréquence de Nyquist (17 lp/mm) est proche de la limite de diffraction (la ligne continue noire la plus haute est la limite de diffraction), ce qui est suffisant pour garantir l'excellente qualité d'imagerie du système optique. .

Fig.6 La courbe MTF de WFOV

Le diagramme de points est le point d'image géométrique formé par le système optique imageant la cible ponctuelle. Les figures 7 et 8 montrent le carré moyen (RMS) du diamètre de la tache diffusée dans les champs de vision étroit et large à température ambiante, qui est inférieur à la taille d'un élément de détection (30 μm × 30 μm), ce qui répond bien aux exigences du système.

Fig.8 Le diagramme ponctuel de WFOV

Étant donné que l'indice de réfraction des matériaux optiques infrarouges change de manière significative avec la température, qui est environ deux ordres de grandeur supérieure à celui des matériaux optiques de lumière visible, les changements de température entraîneront une défocalisation du système optique infrarouge, entraînant une détérioration de la qualité de l'image. Afin de garantir les performances stables du système optique infrarouge dans une large plage de températures. La conception de la différence de dissipation thermique doit être prise en compte dans la conception.

Afin de convenir à la structure de zoom à double champ de vision à déplacement axial et de réduire la difficulté de conception de la lumière et de la machine. Dans cet article, la méthode électromécanique de dissipation thermique active est adoptée, c'est-à-dire qu'à différentes températures, la lentille à grossissement variable est amenée à se déplacer légèrement dans la direction axiale en contrôlant le moteur à courant continu pour compenser la dérive de la surface de l'image. Les figures 9 à 12 montrent les fonctions de transfert optique de champs de vision étroits et larges à haute et basse température, respectivement.

Fig.12 La courbe MTF du WFOV à +60℃

Le système optique infrarouge à double champ et ondes longues joue un rôle irremplaçable dans le domaine militaire moderne. Il a été largement utilisé dans divers domaines tels que la reconnaissance, la détection, la recherche et le suivi de cibles et est devenu un moyen important pour obtenir des informations sur le champ de bataille.

Visant le détecteur de plan focal infrarouge à ondes longues 320 × 256 CMT, cet article conçoit un système optique infrarouge à double champ en attribuant raisonnablement la puissance optique et en faisant raisonnablement correspondre deux matériaux infrarouges courants, Ge et Znse, et réalise 183 mm/61 mm deux- zoom rapide, les champs de vision larges et étroits ont une bonne qualité d'image.

La méthode de zoom du système est nouvelle et le groupe de zoom combine intelligemment le groupe d'objectifs et le groupe de relais, ce qui comprime efficacement la longueur totale du système et réduit le nombre de composants dans le système, ce qui est particulièrement adapté au refroidissement des focales. détecteurs d'avions.

Il présente les avantages d'un petit nombre de lentilles, d'une transmission élevée, d'une structure compacte et raisonnable, d'un réglage facile, d'un poids léger, d'un petit volume, d'une économie de matériau, de performances coûteuses et la qualité d'imagerie répond pleinement aux exigences de l'application et répond aux hautes performances. , la miniaturisation et le faible coût des caméras thermiques.

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Auteurs : Chen Luji, Chen Jinjin, Li Ping

Source du journal : Infrared Technology Vol.33 No.7 juillet 2011

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