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

Fig.1 Croquis du système de zoom à double liaison

Le taux de zoom du système est :

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 :

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.

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.

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.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.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.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.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

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.