Conception du système optique zoom LWIR avec plage de zoom 20:1

Un système optique à zoom infrarouge avec une plage de zoom de 20:1 est conçu sur la base d'un détecteur QWIP 384×288 à ondes longues. La plage de longueurs d'onde de fonctionnement est de 8 à 9 µm, le nombre F est de 3 et la distance focale est modifiable en continu de 18,5 à 367 mm.

Le système se compose d'un objet zoom à compensation mécanique et d'un deuxième système d'imagerie, comprenant 6 lentilles et 2 réflecteurs, et présente les avantages d'un grand rapport de zoom, d'une haute résolution, d'une petite taille et d'une excellente qualité d'image. La qualité d'image du système optique zoom est évaluée avec le logiciel de conception optique ZEMAX, et les résultats montrent que la FTM dans toute l'approche focale a une limite de diffraction à la fréquence de Nyquist de 20 lp/mm.

Un système de zoom continu infrarouge est un système dans lequel la distance focale peut être modifiée en continu, la surface de l'image reste stable et la qualité de l'image est maintenue pendant le processus de zoom. Il peut obtenir différentes tailles d'angles de champ, différentes tailles d'images et différentes plages de scènes. La continuité de l'image peut être maintenue pendant le processus de conversion et elle est largement utilisée dans de nombreux domaines de l'économie nationale et de l'industrie de défense.

Le système d’imagerie thermique à zoom continu haute résolution et à fort grossissement présente une large gamme d’applications dans le domaine militaire. Haute résolution signifie longue distance focale, qui peut réaliser l'observation et la reconnaissance de cibles à très longue distance ; un grossissement élevé signifie un rapport de zoom élevé, qui peut être réalisé avec un grossissement important pour les petites cibles suspectées ; le zoom continu signifie que la détection, le suivi, la reconnaissance et la visée continues des cibles peuvent être obtenus sans perdre les cibles lors du changement de grossissement, ce qui est particulièrement bénéfique pour la recherche et le suivi de cibles mobiles à grande vitesse.

Les détecteurs à puits quantiques ont fait l'objet d'une attention considérable et d'un développement rapide en raison de leurs avantages tels qu'une bonne uniformité, un faible coût, des performances élevées, une production multicolore et un large réseau. À l'heure actuelle, dans les pays avancés comme les États-Unis et l'Europe, le plan focal à puits quantiques est devenu l'une des deux principales branches des dispositifs à plan focal réfrigéré à ondes longues. De nombreux pays ont développé des imageurs thermiques basés sur des détecteurs à puits quantiques de différentes tailles.

Cet article discutera du système optique infrarouge à zoom continu à compensation mécanique, et pour le détecteur de plan focal à puits quantique à ondes longues 384 × 288, un système optique à zoom continu infrarouge à ondes longues 20x est conçu avec seulement 6 lentilles, qui ont une transmission élevée et résolution. Les avantages d'un taux de zoom élevé, d'un rapport de zoom élevé, d'une structure compacte, d'un poids léger et d'une qualité d'image élevée sont conformes à l'orientation actuelle de la recherche sur le système de zoom continu infrarouge.

Le principe de base du système optique de zoom à compensation mécanique est d'utiliser les deux composants du groupe de zoom et du groupe de compensation pour se déplacer en même temps afin d'obtenir des changements continus de la distance focale tout en conservant une surface d'image stable et en conservant une bonne qualité d'image. pendant le zoom.

Habituellement, les paramètres initiaux du système sont déterminés par des calculs optiques gaussiens en fonction des exigences auxquelles le système doit répondre.

La figure 1 montre le principe optique du système de zoom à compensation de groupe négatif. Sur la figure, 1 est le groupe fixe avant ; 2 est le groupe de zoom ; 3 est le groupe de rémunération ; 4 est le groupe fixe arrière. Afin d'obtenir un zoom, le groupe de zoom 2 se déplace linéairement le long de l'axe optique et son grossissement sur l'axe vertical passe de β2 à β2*.

A ce moment, le point image se déplace également en conséquence. Pour garantir que le point image reste inchangé, le groupe de compensation 3 doit être l'axe correspondant à déplacer. Modifiez le grossissement du groupe de compensation de β3 à β3*. Le taux de zoom du système est alors :

L'ampleur du mouvement du groupe de rémunération :

Fig.1 Principe du système optique à zoom à compensation mécanique

Pour le détecteur de plan focal à puits quantique à ondes longues, la taille du réseau est de 384 × 288 et la taille des pixels est de 25 μm × 25 μm. Compte tenu des exigences de volume, de poids, de performances et de coût, l'indice de conception du système optique infrarouge à zoom continu 20 × est le suivant dans le tableau 1.

Pour le détecteur de plan focal à regard de puits quantiques à ondes longues, selon les exigences techniques du système de zoom, les paramètres initiaux du système sont déterminés selon les méthodes et les étapes présentées dans la section 2, puis le logiciel de conception assistée par optique ZEMAX est développé. par la société américaine Focus est utilisé pour optimiser la conception et le design. Il faut prendre en compte l'adaptation du diaphragme froid, le phénomène de réflexion froide, la précision du traitement, le volume et le poids du système, ainsi que d'autres problèmes.

Le système de zoom adopte une forme de compensation mécanique composée d'un groupe fixe avant, d'un groupe à grossissement variable, d'un groupe de compensation et d'un groupe fixe arrière. Chaque groupe de lentilles est composé d'une lentille en germanium et sa contribution à la puissance optique du système est positive, négative et positive. Afin de corriger les aberrations, d'améliorer la qualité de l'image, de réduire autant que possible le nombre de lentilles et d'augmenter la transmission, une surface diffractive binaire et deux surfaces asphériques d'ordre élevé sont introduites.

Afin d'aider à comprimer l'ouverture du premier objectif et de maintenir le détecteur avec une efficacité d'écran froid de 100 %, une conception d'imagerie secondaire est adoptée. Le groupe relais est composé de Ge et de ZnSe.

Le matériau en germanium présente les caractéristiques d'une faible dispersion et d'un indice de réfraction élevé et présente de bonnes performances de dispersion à 8-12 μm. Cependant, il est difficile de corriger l’aberration chromatique pour des systèmes de zoom complexes utilisant un seul matériau. ZnSe Joue principalement le rôle d'aberration achromatique.

La longueur totale du système optique est inférieure à 390 mm. Afin de faciliter la réalisation d'une structure compacte et d'une technologie de micro-balayage [8], deux réflecteurs placés à 45° sont utilisés pour plier le chemin optique en deux. La taille globale est inférieure à 230 mm × 175 mm × 128 mm (longueur × largeur × hauteur), le résultat de la conception est illustré à la figure 2.

Fig.2 Schéma de l'optique zoom

La plage de zoom continu du système est de 18,5～367 mm, correspondant à un champ de vision de 1,5°×1,1°～30°×22,5°, et tout champ de vision peut garantir la qualité de l'image pendant le processus de zoom. La fonction zoom est complétée par le groupe de grossissement variable et le groupe de compensation.

Le groupe à grossissement variable est utilisé pour un grossissement variable avec une course de 74 mm ; le groupe de compensation est utilisé pour la compensation du déplacement du plan image, de la mise au point et de la compensation de température, avec une course de 48 mm. Le parcours du groupe de zoom et du groupe de compensation est fluide, et le processus de zoom et la courbe de compensation sont illustrés aux figures 3 et 4.

Fig.3 Conceptuel du système optique zoom

Fig.4 Les courbes de zoom et de compensation

La fonction de transfert de modulation (MTF) est le critère le plus complet parmi les critères de performances des systèmes entièrement optiques. Surtout pour les systèmes d'imagerie, il est actuellement reconnu comme un indice d'évaluation qui peut refléter pleinement la qualité d'imagerie réelle du système dans la conception optique moderne. Après la conception optimisée, la surface d'image du système est stable et la qualité d'image est excellente pendant le processus de zoom.

La figure 5 montre les diagrammes de fonction de transfert de modulation optique pour différentes distances focales. On peut voir sur le diagramme que la FTM à la fréquence de Nyquist (20 lp/mm) est proche de la limite de diffraction (la ligne continue noire supérieure est la limite de diffraction). ), indiquant que la qualité d'imagerie du système de zoom est excellente, ce qui est suffisant pour répondre à la qualité d'imagerie du système optique dans toute la plage de changement de distance focale.

Fig.6 Diagrammes ponctuels du système optique zoom

Le diagramme de points est le point d'image géométrique formé par le système optique lors de l'imagerie d'une cible ponctuelle. C'est un indicateur important pour évaluer la qualité d'imagerie du système optique. La racine signifie que la valeur du diamètre carré reflète la concentration d’énergie lumineuse, qui est plus réfléchissante que la valeur géométrique maximale du diamètre. La qualité d'imagerie du système. Dans la conception optique, la racine signifie que le diamètre carré de la cible ponctuelle devrait être inférieur à la taille d'un pixel.

La figure 6 montre les tracés de différentes distances focales. On peut voir que le rayon carré moyen (RMS) maximum du système est de 5,7 mm, ce qui se situe à moins d'un pixel du détecteur (la boîte noire sur la figure, 25 μm × 25 μm), ce qui montre que le zoom optique Le système et le détecteur infrarouge ont une bonne correspondance, ce qui satisfait aux exigences du système.

Dans cet article, visant le détecteur de plan focal à puits quantiques à ondes longues de 384 × 288, la méthode de compensation mécanique est utilisée pour obtenir un zoom continu dans la plage de 18,5 à 367 mm avec seulement 6 lentilles. L'ouverture relative reste inchangée pendant le processus de zoom et le nombre F est constant à 3.

Le logiciel de conception optique ZEMAX a été utilisé pour évaluer la qualité de l'image. Les résultats montrent qu'à la fréquence centrale (20 lp/mm), la FTM de chaque champ de vision à chaque position de zoom est proche de la limite de diffraction et que la qualité de l'image est bonne. Et l’utilisation de miroirs pour plier le trajet lumineux, afin d’obtenir une structure compacte.

Ceci est conforme à la tendance de développement des systèmes de zoom continu infrarouge avec une qualité d'image élevée, un rapport de zoom élevé, une haute résolution, une petite taille et un poids léger. Il répond aux besoins des applications pratiques et peut être largement utilisé dans les systèmes aéroportés de visée stable ou d'alerte précoce, les systèmes d'alerte de défense aérienne au sol, les systèmes de reconnaissance et de suivi embarqués, les systèmes de recherche et de surveillance de reconnaissance sur le champ de bataille, les systèmes de visée et de suivi de plates-formes d'armes, etc.

Le objectif à zoom continu infrarouge à ondes longues conçu et fabriqué par Quanhom prend en compte la légèreté de l'ouverture et le coût, ce qui est très adapté à la surveillance à distance et à la sécurité intérieure et prend en charge le format SXGA (1280x1024 12μm). Si vous avez une demande à ce sujet, vous pouvez nous envoyer votre demande et nous vous donnerons une réponse satisfaisante dans les plus brefs délais.

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Auteurs : Chen Luji, Li Ping, Sun Qiyan

Source du journal : Technologie infrarouge Vol.34 No.8 Août 2012

Date de réception : 2012-03-04

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