Structure du système optique infrarouge
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- 2024/9/19
Résumé
Les structures optiques infrarouges traditionnelles peuvent être divisées en trois types : réfractives, réfléchissantes et catadioptriques. Les nouvelles structures optiques infrarouges modernes peuvent être divisées en trois types : système hybride réfractif-diffractif, système à trois miroirs hors axe et système optique à double champ de vision.
Les structures optiques infrarouges traditionnelles peuvent être divisées en trois types : réfractives , réfléchissantes et catadioptriques . Les nouvelles structures optiques infrarouges modernes peuvent être divisées en trois types : les systèmes hybrides réfractifs-diffractifs , les systèmes à trois miroirs hors axe et les systèmes optiques à double champ de vision .
1、Système optique infrarouge traditionnel — réfraction
Le système optique réfractif peut être composé d'une seule lentille ou de plusieurs lentilles, les matériaux de la lentille comprenant principalement du germanium, du silicium, du séléniure de zinc et du verre chalcogénure. En utilisant l'imagerie en trois étapes dans les systèmes réfractifs, un système optique compact peut être conçu.
Avantages : qualité d'image stable, faible lumière parasite, grand champ de vision
Inconvénients : ouverture relativement petite, bande de travail étroite et aberrations
Applications : Convient aux systèmes de recherche et de suivi infrarouge pour la recherche panoramique et inclinable dans des espaces plus grands, aux tourelles optoélectroniques, aux nacelles infrarouges, aux chercheurs infrarouges et à d'autres systèmes.
2、Système optique infrarouge traditionnel——réfléchissant
Le système optique réfléchissant est composé d'un miroir primaire et d'un miroir secondaire. Le miroir secondaire est convexe, appelé système Cassegrain, le miroir secondaire est concave, appelé système grégorien. Par rapport aux structures réfractives, le système optique infrarouge réfléchissant nécessite moins d'éléments optiques et utilise le principe de réflexion du miroir pour replier le trajet lumineux.
Avantages : pas d'aberration chromatique, moins d'éléments, poids léger, large bande de travail, différence thermique facile à éliminer, etc.
Inconvénients : traitement et assemblage complexes, petit champ de vision, faible capacité de correction des aberrations, ne peut éliminer que deux aberrations en même temps (comme éliminer l'aberration sphérique et le coma en même temps)
Applications : radiomètres, imageurs infrarouges à vision frontale, lidar, télescopes à grande ouverture et systèmes de guidage de missiles, etc.
3、Système optique infrarouge traditionnel — catadioptrique
Le système optique catadioptrique est basé sur des miroirs sphériques combinés à des éléments réfractifs. Étant donné que les miroirs primaire et secondaire du système optique catadioptrique partagent la majeure partie de la puissance focale optique, il est propice à une conception athermalisée. De plus, le trajet optique replié réduit la taille et la masse de la lentille, ce qui rend la longueur du système plus courte que sa distance focale.
Avantages : structure compacte, ouverture relativement grande, longue distance focale, bonne qualité d'image, propice à l'athermalisation, etc.
Inconvénients : obstruction au centre, contrôle et réglage complexes
Application : peut être utilisé pour les systèmes optiques infrarouges à grande ouverture et à longue distance focale, tels que la conception anti-interférence des chercheurs infrarouges, le suivi des cibles de chars et les systèmes optiques infrarouges d'identification, etc.
4. Nouveau système optique infrarouge moderne — système hybride réfractif-diffractif
Le système hybride réfractif-diffractif est un système optique qui combine des éléments optiques diffractifs avec des éléments optiques réfractifs. Les éléments optiques diffractifs (DOE) sont fabriqués à l'aide de techniques de micro-nano gravure sur une surface de lentille pour graver un motif optique binaire, créant une distribution bidimensionnelle d'unités diffractives, formant une lentille diffractive-réfractive à double surface.
Avantages : petite taille, poids léger, grande liberté de conception, nombreuses variables d'optimisation, bonne élimination des aberrations thermiques et chromatiques
Application : Le système optique à zoom double bande est conçu pour réaliser un zoom dans différentes bandes, offrant une plus grande flexibilité et une plus grande plage d'applications, et convient à l'imagerie de numérisation et aux systèmes infrarouges prospectifs (FLIR).
※ Le DOE peut généralement être divisé en mise en forme de faisceau, division de faisceau, lumière structurée, multifocalisation et autres types spéciaux de génération de faisceaux.
5. Nouveau système optique infrarouge moderne — système à trois miroirs hors axe
La conception des systèmes optiques à trois miroirs hors axe repose sur la théorie optique gaussienne. La conception commence par un système coaxial à trois miroirs et permet d'obtenir un système central sans obstruction en décalant l'ouverture ou le champ de vision, ou une combinaison des deux.
Il existe deux méthodes principales pour résoudre le blocage central : placer l'ouverture sur le miroir secondaire et incliner le champ pour éviter l'obstruction, où l'ouverture reste sur l'axe ; ou placer l'ouverture sur le miroir primaire, où l'ouverture est hors axe.
Avantages : pas d'aberration chromatique, pas de spectre secondaire, large bande de travail, grande ouverture facile à obtenir, grand champ de vision, bonnes performances de résistance thermique, structure simple, poids léger, résout efficacement le problème de l'obstruction centrale et offre de nombreuses variables d'optimisation, améliorant à la fois le champ de vision et la qualité de l'image
Applications : exploration spatiale, télédétection terrestre, aviation, aérospatiale, éclairage, affichage et autres domaines
6. Nouveau système optique infrarouge moderne — système à double champ de vision
Il existe deux méthodes de conception principales pour les systèmes d'imagerie infrarouge à double champ de vision : le type commutable (insérable) et le mouvement axial.
(1) Système optique de type commutable (insérable) : différents systèmes de champ de vision commuteront différents groupes de lentilles de zoom pour modifier la distance focale du système optique. Avec l'application croissante des éléments de diffraction, des éléments de diffraction peuvent être introduits dans les systèmes optiques infrarouges à double champ de vision pour simplifier la structure du système, réduire le poids et rendre l'ensemble du système plus compact. Les systèmes de zoom légers de type commutable offrent diverses configurations, notamment des composants transmissifs, coaxiaux réfléchissants et réfléchissants hors axe. Pour répondre aux exigences de zoom de haute précision et à grande vitesse, des moteurs rotatifs à grande vitesse et des limiteurs mécaniques sont utilisés pour réaliser l'insertion et le retrait des groupes de lentilles optiques.
Avantages : Commutation rapide du champ de vision, précision de l'axe optique supérieure et meilleure transmission
Inconvénients : Dimensions latérales plus grandes, conduisant à une structure globale moins compacte et à une cohérence de l'axe optique plus faible
（2） Système optique à mouvement axial : le système modifie sa distance focale en ajustant l'espacement axial des groupes de lentilles. Lorsque le mouvement du composant est en position continue, le système est en mode champ de vision large avec une courte distance focale effective. Inversement, lorsqu'il est en position pointillée, le système est en mode champ de vision étroit avec une longue distance focale effective.
Avantages : système optique compact et simple, cohérence stable de l'axe optique
Inconvénients : flou du plan de l'image lors du zoom, facile à perdre le suivi de l'objet
Le système à double champ de vision est en fait un système de zoom à deux vitesses avec une commutation rapide du champ de vision. En position de mise au point courte, le grand champ de vision peut rechercher des cibles dans la scène ; en position de mise au point longue, le petit champ de vision peut capturer et observer des cibles.
Applications : Convient pour la surveillance à double bande, les systèmes infrarouges à vision frontale (FLIR), la détection de cibles et le suivi. Dans les applications pratiques, le système à double champ de vision à mouvement axial est largement adopté en raison de sa bonne qualité d'image et de son applicabilité.
Les systèmes optiques infrarouges traditionnels ont en commun la caractéristique d'être des structures simples. Avec le développement continu des systèmes infrarouges, de nouvelles exigences plus strictes telles qu'une grande ouverture, une longue distance focale, une résolution spatiale élevée et l'athermalisation ont été introduites, révélant les limites des systèmes traditionnels.
Les nouveaux systèmes optiques infrarouges modernes intègrent de nouvelles technologies telles que l'optique binaire, l'optique adaptative, l'utilisation rationnelle de surfaces asphériques ou diffractives ou la modification de la structure du système existant. Il est très important de sélectionner la structure appropriée du nouveau système optique infrarouge en fonction des différentes exigences techniques à l'avenir.