Progrès et perspectives du système optique d’imagerie infrarouge

Le système optique d'imagerie infrarougeconstitue un maillon important pour obtenir une imagerie infrarouge/thermique de haute qualité. Comparés aux systèmes optiques d’imagerie à lumière visible, les systèmes optiques d’imagerie infrarouge sont plus complexes et plus difficiles. La longueur d'onde du rayonnement infrarouge est d'un ordre de grandeur supérieure à celle de la lumière visible et est sujette à la diffraction ; l'indice de réfraction des matériaux optiques infrarouges est grand et il existe peu de types, et la plage de sélection de correction d'aberration optique avec différentes combinaisons de matériaux est petite ; Par conséquent, les exigences de conception et de traitement du système optique d’imagerie infrarouge et de la forme de la surface des éléments sont plus élevées.

L’énergie rayonnante dans la bande infrarouge diffère de celle de la bande lumineuse visible de plusieurs ordres de grandeur. Afin d'obtenir suffisamment d'énergie rayonnante infrarouge, le système d'imagerie infrarouge/thermique doit utiliser un système optique d'imagerie à grande ouverture. Pour les scènes à distance (par exemple 5 000 m), un système optique avec une longue focale (par exemple 200 mm) est nécessaire. Afin de contrôler la diffraction du rayonnement infrarouge, l'ouverture relative du système optique d'imagerie infrarouge doit prendre une valeur plus grande (par exemple, le nombre F est de 1 à 4), le nombre F d'un objectif de caméra à lumière visible typique. varie de 1 à 22.

Le développement de la première génération de technologie d'imagerie thermique a produit des systèmes optiques infrarouges basés sur l'imagerie à balayage optique-mécanique, en particulier des systèmes optiques infrarouges à ondes longues basés sur des éléments optiques en germanium.

Le développement de la technologie d'imagerie infrarouge/thermique de deuxième génération a non seulement créé de nouvelles demandes pour les systèmes optiques d'imagerie infrarouge à partir d'imageurs infrarouges à ondes moyennes et infrarouges à ondes courtes, mais a également créé de nouvelles demandes pour les systèmes optiques d'imagerie infrarouge à partir d'imageurs thermiques non refroidis. De nouveaux matériaux optiques infrarouges, ainsi que des méthodes de conception et de traitement de composants optiques infrarouges sont développés, ce qui enrichit le contenu des systèmes optiques d'imagerie infrarouge.

Actuellement, les détecteurs infrarouges évoluent vers la troisième génération de détecteurs infrarouges à plan focal. La taille du pixel dépasse le million de pixels ; la taille de l'élément de détection est réduite à 8um voire 5um ; la sensibilité thermique est augmentée jusqu'au niveau mK, et la dimension d'information acquise augmente la dimension spectrale. (double/multi-bande), dimension de polarisation (4 états de polarisation), etc.

Les nouvelles fonctionnalités de la technologie du détecteur de plan focal infrarouge de troisième génération font que la technologie du système optique d'imagerie infrarouge de deuxième génération ne peut pas répondre correctement, voire ne parvient pas à répondre, aux exigences d'imagerie de l'imagerie infrarouge/thermique de troisième génération. système. En d’autres termes, les détecteurs de plan focal infrarouge de troisième génération imposent de nouvelles exigences au système optique infrarouge utilisé dans le système d’imagerie infrarouge/thermique de troisième génération.

Dans cet article, les systèmes optiques d’imagerie infrarouge de première et deuxième générations sont brièvement passés en revue. Sur cette base, les nouveaux problèmes à résoudre par le système optique d'imagerie infrarouge de troisième génération sont triés, et les approches techniques et les progrès du système optique d'imagerie infrarouge de troisième génération pour résoudre ces nouveaux problèmes sont passés en revue. Enfin, la tendance de développement des perspectives du système optique d’imagerie infrarouge de troisième génération.

Dans le système d'imagerie thermique de première génération, en raison du grand angle de balayage du faisceau de balayage, le diaphragme d'ouverture du système optique est généralement placé avant le miroir/dispositif de balayage, et le diaphragme d'ouverture est relativement grand. Lorsque la densité de flux de rayonnement infrarouge de la cible (telle qu'une cible longue distance) est inférieure à la densité de flux de rayonnement infrarouge du système optique d'imagerie infrarouge (y compris les composants optiques infrarouges, les structures de support, etc.), le rayonnement infrarouge généré par le système optique d’imagerie infrarouge est considéré comme le principal bruit de fond. L'astigmatisme est reçu par le détecteur infrarouge pour former une image « effet jonquille » superposée à l'image thermique de la scène, ce qui est devenu un facteur important limitant la sensibilité thermique du système d'imagerie thermique de première génération et affectant la qualité de l'image thermique.

Problèmes avec la première génération de systèmes optiques d’imagerie infrarouge :

1) Le système optique d’imagerie infrarouge doit être personnalisé ; la structure est complexe ; la fonction de transfert est faible ; le nombre de composants optiques est grand et les exigences d'installation et de réglage du système sont élevées ;

2) Une intégration efficace avec les détecteurs infrarouges ne peut pas être réalisée, et la taille et le poids du système optique d'imagerie infrarouge sont relativement importants ;

3) L'effet « jonquille » du système optique d'imagerie infrarouge réfractif est plus grave.

Pour surmonter l'influence de « l'effet jonquille », le système optique d'imagerie infrarouge de deuxième génération renforce la conception de l'écran froid, augmente l'efficacité de l'écran froid à 100 % et minimise l'influence de la lumière parasite de fond ; le deuxième mode d'imagerie est adopté pour réduire l'effet du diamètre de la pupille d'entrée et du volume de l'objectif infrarouge. Le diaphragme froid est placé au niveau de la pupille de sortie pour minimiser l'ouverture du diaphragme et bloquer la majeure partie de la lumière parasite (Figure 1), ce qui améliore la qualité de l'image.

Dans l'application de subdivision du système d'imagerie infrarouge/thermique, le système optique d'imagerie infrarouge de deuxième génération présente les caractéristiques techniques suivantes :

1) La technologie de thermalisation a été développée pour réduire la défocalisation du système optique due aux changements de température.

2) Les éléments optiques hybrides et les éléments optiques asphériques sont développés pour le traitement de la surface de diffraction de l'élément réfractif, la surface de diffraction corrige la différence de couleur axiale et la différence de chromosphère, la surface asphérique et la lentille peuvent éliminer à la fois la différence sphérique et la différence de sagesse, améliorer la qualité de l'imagerie et simplifier le système optique.

3) L'application d'un système d'imagerie infrarouge/thermique à longue focale et à longue distance développe le système optique infrarouge à réflexion axiale, et la taille axiale du système est réduite en pliant le chemin optique, tel que le système optique Cassegrain à réflexion axiale. En raison de la grande occlusion du système de réflexion axial, le rayonnement incident effectif est réduit et un système de réflexion hors axe sans occlusion, tel qu'un système optique infrarouge à trois miroirs hors axe, a été développé. Pour éviter de nouvelles occultations causées par un trop grand nombre de miroirs, un système optique réfractif est généralement placé derrière les miroirs pour concentrer le rayonnement infrarouge sur le détecteur de plan focal infrarouge. En 2011, Min Wang et al. de l'Institut national d'optique du Canada a conçu un télescope infrarouge hors axe à réflexion totale à quatre canaux à ouverture commune, avec quatre bandes de 3,4 um ~ 4,0 um, 8,3 um ~ 9,3 um, 10,0 um ~ 11,0 um et 11,5 um -12,5 um , et le détecteur est un détecteur à plan focal infrarouge linéaire 256 × 1.

4) Une grande variété de systèmes optiques infrarouges non refroidis ont été développés pour l'application d'imageurs thermiques non refroidis légers et miniaturisés tels que des viseurs thermiques et des imageurs thermiques individuels.

5) Un système optique infrarouge à champ unique à focale fixe remplaçable standardisé, universalisé et sérialisé a été développé pour répondre aux exigences d'application de haute qualité, à grande échelle et à faible coût.

6) Le système optique infrarouge à zoom continu à double champ, à trois champs et à grand rapport de zoom intégré optique-mécanique a été développé pour les applications militaires de haute performance.

7) Face à des exigences d'application diversifiées, elle développe un système optique léger, performant et compact intégrant divers avantages techniques. Par exemple, en 2002, Hyun Sook Kim et al. a conçu un système optique infrarouge continu à ondes moyennes de 20 : avec 1 rapport variable et 22 micro-balayages. En plus de réduire la taille du système, deux miroirs peuvent également effectuer respectivement des balayages pendulaires supérieur, inférieur et gauche et droit, de manière à obtenir une imagerie de 22 micro-balayages. Le système est compact, avec une longueur de seulement 206,2 mm, une hauteur de 80 mm, un poids de 5,3 kg, une bande de travail de 3,7 um à 4,8 um, un nombre F de 2,5 et une plage de zoom de 12,75 mm à 275 mm. , comme le montre la figure 2.

Le détecteur de plan focal infrarouge de troisième génération propose de nouvelles exigences pour le système optique d'imagerie infrarouge. L’analyse spécifique est la suivante :

1) À condition que le volume du système optique infrarouge reste inchangé, la distance de fonctionnement et la sensibilité du système d'imagerie infrarouge/thermique sont optimisées en même temps.

Le nombre F d'écran froid fixe du détecteur de plan focal infrarouge refroidi de deuxième génération permet d'obtenir une efficacité d'écran froid de 100 % avec un seul nombre F de système optique. Les expressions mathématiques simplifiées pour la plage et la sensibilité (NETD) sont :

où D est le diamètre de la pupille d'entrée ; F# est le nombre F ; λ est la longueur d'onde ; M est le nombre de pixels requis pour confirmer la cible Δx ; C est le contraste de la scène ; d est la taille de l'élément détecteur ; η est l'efficacité de collecte du détecteur ; ΦB2π représente le flux radiant de fond pour un champ de vision de 2π ; τint est le temps d’intégration.

Il ressort de la formule (1) que garder le volume du système optique infrarouge inchangé signifie fixer le diamètre de la pupille d'entrée D, puis plus F# est grand, plus la distance de travail est grande, mais la sensibilité NETD diminue avec l'augmentation de F, ce qui indique que dans le système optique de deuxième génération, un seul F# dans le système ne peut pas répondre simultanément aux exigences de portée et de sensibilité. Par conséquent, le système optique infrarouge de troisième génération est d'abord conçu avec un nombre F variable, de manière à optimiser simultanément la distance de travail et la sensibilité du système d'imagerie infrarouge/thermique.

2) À condition de minimiser le nombre de lentilles et de maximiser la transmission du système optique, il peut obtenir une imagerie claire dans les bandes infrarouges à ondes moyennes et infrarouges à ondes longues et une imagerie de fusion bi-bande au niveau des pixels en même temps. .

La caractéristique du détecteur de plan focal infrarouge double bande utilisant la structure de pixels empilés est que la taille et l'échelle des pixels de la double bande sont les mêmes, et les circuits de lecture indépendants lisent respectivement les données double bande. Les problèmes à prendre en compte lors de la conception du système optique infrarouge du détecteur de plan focal infrarouge double bande sont les suivants :

Le rayonnement infrarouge double bande de la même scène doit être focalisé sur le même détecteur de plan focal sans refocalisation, et une qualité d'image suffisamment élevée doit être obtenue ;

La double bande atteint la limite de diffraction à chaque champ de vision

La distance focale des deux bandes doit être la même ;

La distorsion doit être la même pour les deux bandes ;

L'aberration chromatique causée par la différence de dispersion des matériaux optiques infrarouges dans les bandes infrarouges à ondes moyennes et longues doit être corrigée.

En réponse à ces problèmes, le système optique infrarouge bi-bande de troisième génération simplifie grandement l'enregistrement du champ de vision des deux bandes en adoptant une conception d'ouverture commune. Dans le même temps, un système optique catadioptrique avec un large spectre, une petite aberration chromatique, une petite taille axiale et une conception flexible est adopté. De plus, un système optique infrarouge à double bande « image dans l’image » a été développé.

3) Réduire le volume, le poids, la consommation d'énergie et le coût des systèmes d'imagerie infrarouge/thermique est une exigence éternelle : « il n'y a pas de meilleur, seulement du mieux ».

En réponse à cette exigence, la troisième génération de systèmes optiques infrarouges a développé des systèmes micro-optiques, des systèmes optiques de forme libre, etc.

4) Systèmes optiques infrarouges pour l'imagerie informatique, le potentiel des systèmes optiques devrait être pleinement exploité grâce à l'informatique intelligente.

En réponse à cette exigence, l'imagerie optique multiplex a été développée. De brèves descriptions sont données ci-dessous.

Le système optique d'imagerie infrarouge à nombre F variable peut exploiter pleinement les avantages des détecteurs infrarouges de troisième génération avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale élevée (matrice à grande surface), et optimiser la résolution spatiale et la sensibilité du système tout en maintenant le volume. du système d'imagerie thermique d'origine, améliore le rapport signal/bruit lors de la recherche d'une cible avec un large champ de vision et maintient la capacité de pointer et de suivre la cible à une longue distance (c'est-à-dire lorsque le champ de vision est étroit). Pour le diamètre limité de la pupille d'entrée dans les applications pratiques, choisissez un grand nombre F dans un champ de vision étroit et concentrez-vous sur la distance d'action ; choisissez un petit nombre F dans un large champ de vision et concentrez-vous sur le champ de vision et la sensibilité. Pour les détecteurs multibandes, choisissez un grand nombre F pour la bande infrarouge des ondes moyennes et un petit nombre F pour la bande infrarouge des ondes longues.

Selon les caractéristiques du système optique infrarouge catadioptrique avec un large spectre, une petite aberration chromatique, une petite taille axiale et une conception flexible, l'imagerie infrarouge avec ouverture commune, double nombre F, double/multi-bande, multi-champ/grande Le zoom continu à taux de zoom a été développé. Le système optique répond aux exigences de recherche, de confirmation et de suivi de cibles intégrées et automatisées des plates-formes d'armes avec un espace d'installation limité.

Un système optique d'imagerie infrarouge « image dans l'image » à double bande est développé pour rechercher et identifier simultanément des cibles grâce à des informations spatiales et des informations spectrales de différents grossissements optiques sur un seul écran.

Pour les scènes d'objets terrestres communs, les images infrarouges à ondes moyennes et longues émises par le détecteur de plan focal double bande infrarouge à ondes moyennes/longues ont un degré élevé de corrélation (c'est-à-dire qu'il n'y a pas de différence évidente entre les images), et l'opérateur doit zoomer à plusieurs reprises entre le champ de vision large et le champ de vision étroit pour rechercher et identifier les objets d'intérêt. Afin d'exploiter pleinement la capacité des détecteurs à plan focal à double bande d'obtenir des informations de manière synchrone dans des bandes séparées et de tirer parti du fait que la longueur d'onde maximale du rayonnement des objets au sol est située dans la bande infrarouge à ondes longues et que Le contraste des images infrarouges à ondes moyennes est élevé, le système optique d'imagerie infrarouge à double bande « image dans l'image » a été développé ces dernières années. Il utilise des images infrarouges à ondes longues à grand champ pour percevoir la situation des objets et des scènes au sol, et des images infrarouges à ondes moyennes à champ étroit pour obtenir des images cibles à contraste élevé.

Grâce à l'avantage de la grande échelle des pixels de détection du plan focal infrarouge de troisième génération, un système optique d'imagerie infrarouge circulaire catadioptrique basé sur des miroirs de surface quadratiques a été développé, et un seul détecteur de plan focal infrarouge a été utilisé pour enregistrer un large champ de vision. et même une vue de circonférence à 360 ° Informations sur le terrain pour répondre aux besoins d'avertissement et d'alarme infrarouge.

Avec le soutien d'une technologie avancée de fabrication et de mesure optique, des systèmes optiques d'imagerie infrarouge de surface de forme libre sont développés pour surmonter les difficultés telles que l'élargissement du champ de vision, la correction des aberrations, la simplification de la structure des systèmes optiques, le contrôle du volume et la réduction du poids.

Les surfaces de forme libre offrent des géométries complexes qui ne sont pas symétriques en rotation, permettant une acquisition d'images et une correction des aberrations non conventionnelles. En 2014, Kyle Fuerschbach de l'Université de Rochester, Jannick P. Rolland et Kevin P. Thompson ont souligné que la surface de forme libre peut être complètement décrite à l'aide de la théorie des aberrations existante. Cette étude a révélé que les concepteurs optiques peuvent briser les limites de la symétrie de rotation et concevoir des surfaces libres de n'importe quelle forme selon les modèles mathématiques actuels, pour obtenir un système optique infrarouge totalement dégagé, entièrement composé d'éléments optiques réfléchissants. Les trois chercheurs ont également conçu et vérifié un système optique infrarouge entièrement réfléchissant utilisant seulement trois surfaces libres, avec une limite de diffraction aussi basse que 5 um, un nombre F 1,9, une compacité élevée, une stabilité thermique élevée et un champ de vision diagonal léger de 10, qui peut être installé dans un espace tridimensionnel complexe sans miroir pliant.

Des systèmes optiques d'imagerie infrarouge ultra-minces et miniatures non refroidis ont été développés pour répondre aux exigences d'imagerie infrarouge haute performance sous les contraintes de volume, de poids et de consommation d'énergie (SWaP).

Avec la réduction substantielle du volume et du poids des composants du détecteur à plan focal infrarouge non refroidis, la demande de systèmes optiques d'imagerie infrarouge miniatures avec des longueurs de trajet optique inférieures à la moitié de la distance focale augmente. Des réflecteurs sphériques simples et peu coûteux sont largement utilisés pour plier les chemins optiques, des éléments optiques réfractifs sont également utilisés pour réduire l'occlusion de la surface de réflexion du chemin optique.

Le système optique d'imagerie infrarouge s'étend de la lentille d'objectif à la puce du détecteur de plan focal infrarouge et à son circuit de traitement du signal en réduisant sa taille. Lorsque la taille de l'unité d'élément optique est réduite à la même taille que celle du détecteur, des opérations telles que le spectre, la polarisation et le codage de phase au niveau du pixel peuvent être réalisées. Par exemple, la « rétine infrarouge » proposée par Sanjay Krishna en 2009 considère chaque pixel du détecteur infrarouge comme une cellule conique dans la rétine et couple les interactions entre ces cellules grâce à une technologie de traitement de l'information ultérieure, imitant ainsi la fonction de perception de l'œil humain. des informations sur la scène et la reconnaissance de la situation de la scène ; lorsque l'unité d'élément optique est encore réduite à l'échelle micrométrique ou nanométrique, en raison de l'effet de surface, de l'effet de volume et de l'effet de taille quantique, ses performances optiques présenteront des caractéristiques significativement différentes de celles de l'unité d'élément optique macroscopique, telles qu'une absorption supérieure, une antireflet ou propriétés de convergence. On peut dire que la tendance au développement des systèmes optiques infrarouges est de s'intégrer aux détecteurs infrarouges, et la nanophotonique est devenue le moteur du développement de la quatrième génération de détecteurs infrarouges à plan focal.

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