Conception du système optique d'une caméra aérienne panoramique double bande/double champ
Les caméras aériennes sont des instruments optiques de précision installés sur les avions pour prendre des photos du sol. Ils sont largement utilisés dans le contrôle des inondations, la planification urbaine, l’arpentage, la cartographie et d’autres domaines. Il existe trois principaux types de caméras aériennes : le type à cadre, le type à balai et le type panoramique. Par rapport aux deux précédentes, la caméra aérienne panoramique utilise l'objectif du champ de vision ordinaire pour balayer le réflecteur avant, c'est-à-dire qu'elle peut obtenir un champ de vision ultra-large et obtenir une plus grande quantité d'informations.
Étant donné que la cible présente différentes caractéristiques optiques dans différentes bandes d'ondes, afin d'augmenter la quantité d'informations sur la cible obtenue et d'améliorer la précision du traitement et de l'interprétation, les caméras aériennes multibandes sont de plus en plus largement utilisées. Le développement des systèmes optiques multibandes a été réalisé très tôt à l'étranger. À l’heure actuelle, les caméras aériennes à lumière visible/infrarouge dotées d’une capacité d’application par tous les temps sont largement utilisées. La recherche nationale sur la technologie d'imagerie bi-bande lumière visible/infrarouge a commencé tardivement et la recherche s'est principalement concentrée sur les caméras aériennes de type cadre. La structure du système adopte principalement le système d'ouverture commune optique primaire Cassegrain et utilise le séparateur de faisceau pour réaliser une séparation du faisceau double bande. Il existe peu de rapports sur les recherches sur les caméras aériennes panoramiques bi-bande. En outre, afin d'améliorer la flexibilité et la précision de la reconnaissance aérienne, la demande de caméras aériennes à double champ de vision augmente également. Il peut répondre aux besoins de différentes altitudes de vol en matière de couverture au sol et réaliser une recherche de cibles à grand champ et une observation précise de cibles à petit champ.
Dans cet article, un système optique d’imagerie à double champ double bande lumière visible/infrarouge pour caméras aériennes panoramiques est conçu. Le système optique présente les avantages d'une structure compacte, d'un petit volume, d'un poids léger et d'un faible coût.
1 Le principe optique du zoom à double champ de vision
Le zoom respecte le principe de l'échange d'images d'objets, qui modifie la distance focale de l'ensemble du système par le mouvement d'un groupe de lentilles dans le système optique, garantissant une bonne qualité d'image dans les grands et petits champs de vision et la position inchangée du plan image. . Comme le montre la figure 1, pour toute lentille ou groupe de lentilles du système optique, lorsqu'il se déplace de la position A à la position B, il peut garantir que la distance conjuguée reste inchangée et que le grossissement change. Le zoom du système à double champ respecte le principe de l'échange d'images d'objets.
Figure 1:
Le grossissement du système de la figure 1 (a) est :
Conception du système optique de 2 caméras
2.1 Indice de conception optique
Les principaux indicateurs de conception optique sont présentés dans le tableau 1.
Paramètre | Système infrarouge | Système de lumière visible | ||
Petit champ de vision | Grand champ de vision | Petit champ de vision | Grand champ de vision | |
Longueur d'onde/μm | 3~5 | 3~5 | 0,4 ~ 0,7 | 0,4 ~ 0,7 |
Champ de vision/（°） | 4,7*3,7 | 9,4*7,5 | 4,7*3,5 | 9,4*7,0 |
Ouverture relative | 1:4 | 1:4 | 1:8,8 | 1:8,8 |
Distance focale/mm | 234 | 117 | 400 | 200 |
Nombre de pixels de l'appareil | 1280*1024 | 1280*1024 | 5120*3840 | 5120*3840 |
Taille des cellules/μm | 15 | 15 | 6.4 | 6.4 |
Angle de balayage du miroir de l'objet (°) | ±5 | ±5 | ±5 | ±5 |
2.2 Sélection et disposition du système optique
Il existe trois types de structures de systèmes optiques : réfractive, catadioptrique et réfléchissante. Concernant la conception de systèmes optiques d'imagerie à double champ lumière visible/infrarouge, le système optique catadioptrique Cassegrain et le système optique à réflexion totale sont principalement utilisés en Chine. Cependant, ces deux types de systèmes ne peuvent supporter qu'un angle de champ de vision réduit. Les systèmes à grand champ de vision infrarouge et lumière visible présentés dans cet article ont un grand angle de vue et ne sont donc pas pris en compte. Le système optique réfractif présente les avantages d’un large champ de vision et d’une qualité d’imagerie élevée. Par conséquent, la structure du système optique réfractif est adoptée dans cet article et le miroir plan est utilisé de manière appropriée pour plier le chemin optique et faciliter la miniaturisation.
Les procédés de zoom du système optique comprennent un zoom à mouvement axial et un zoom avec entrée et découpe. Étant donné que la méthode de zoom coupé et découpé nécessite un grand espace structurel, la méthode de zoom à mouvement axial est adoptée. Le diaphragme froid du détecteur infrarouge refroidi est réglé pour éliminer les interférences de la lumière parasite en dehors du champ de vision. L'adaptation de la pupille de sortie et du diaphragme froid doit être prise en compte dans la conception optique pour garantir une efficacité de 100 % du diaphragme froid, qui est réalisée en utilisant directement le diaphragme froid comme diaphragme d'ouverture ou en plaçant la pupille de sortie du système optique sur le côté froid. diaphragme tout en gardant sa taille cohérente avec le diaphragme froid. De plus, pour éviter une ouverture trop grande des parties optiques lors d'une focale longue, l'ouverture des parties optiques est compressée au moyen d'une imagerie secondaire, et un diaphragme de champ est réglé sur le plan d'image principal pour supprimer la lumière parasite.
2.3 Schéma d'optimisation du système optique
La théorie de l'optique gaussienne est utilisée pour répartir raisonnablement la puissance optique. Après avoir calculé la structure initiale, le logiciel de conception optique Zemax est utilisé pour définir les conditions aux limites et optimiser la structure initiale. Pour créer un système optique compact, les systèmes infrarouge et visible adoptent la structure focale optique « positif-négatif-positif ». Le groupe fixe avant et le groupe fixe arrière sont des groupes de lentilles positives, et le groupe zoom est un groupe de lentilles négatives. Dans le chemin optique du système, pour réduire le volume, le système infrarouge utilise trois miroirs pour plier le chemin optique, et le système de lumière visible utilise deux miroirs pour plier le chemin optique.
Afin de faciliter la correction des aberrations hors axe et de conserver la taille du diaphragme d'ouverture inchangée sur les grands et petits champs de vision, tout en tenant compte des dimensions avant et arrière du système optique, des diaphragmes d'ouverture du système infrarouge et de la lumière visible. Le système est placé près du milieu du chemin optique et avant le groupe de fixation arrière. Les aberrations sur l'axe sont corrigées en utilisant un objectif proche de la position du diaphragme incurvé, tandis que la surface de l'objectif avec un grand angle d'incidence de la lumière est courbée vers le stop pour réduire les aberrations avancées. Afin de réduire le nombre de lentilles dans le système infrarouge, d'améliorer la transmission et d'obtenir une qualité d'image satisfaisante, le système infrarouge introduit trois surfaces asphériques d'ordre élevé sur la surface arrière de la lentille 2, la surface avant de la lentille 3 et la surface arrière. surface de la lentille 4 pour équilibrer l'aberration sphérique sur l'axe et la courbure de champ.
Pour assurer le canal d'approvisionnement en matériaux, les matériaux de lentille du système infrarouge sont couramment utilisés comme du germanium monocristallin, du silicium et du séléniure de zinc, et les matériaux de lentille du système de lumière visible sont sélectionnés parmi les matériaux à haute fréquence et d'excellentes performances produits par Chengdu Guangming.
3 Conclusion
Dans cet article, un système optique d'imagerie à double champ lumière visible/infrarouge pour caméras panoramiques de reconnaissance aérienne est conçu, les indicateurs de conception optique détaillés sont donnés et la structure du système optique conçu est analysée. Les systèmes optiques à double champ de lumière visible et infrarouge peuvent être intégrés à l'aide du miroir de balayage d'objets au sol et du spectroscope. Les résultats de conception montrent que la qualité d'imagerie du système optique est proche de la limite de diffraction, ce qui peut répondre aux besoins pratiques de l'ingénierie.
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