Guide sur l’intégration économique des lentilles thermiques : Ce qu’il faut savoir pour les applications de défense et de véhicules autonomes

Dans l’obscurité totale, à travers la fumée, l’éblouissement et le brouillard, l’imagerie infrarouge thermique (IR) est indispensable pour la défense moderne et les systèmes autonomes. En permettant aux véhicules autonomes (VA) de détecter les piétons ou les menaces la nuit ou en fournissant des capacités de détection critiques pour les véhicules aériens sans pilote et les opérations contre-UAS, l’imagerie thermique est devenue l’œil essentiel lorsque les systèmes de caméra visibles tombent en panne.

Lors de l’alignement d’un système de caméra IR sur une application, la conception soignée et appropriée de l’objectif est cruciale. Comme les caméras visibles, les capacités d’imagerie d’une caméra thermique reposent en grande partie sur les attributs de l’assemblage d’objectifs : elles affectent le coût, le temps de production et, plus important encore, les performances.

Le rôle de l’optique dans la qualité de l’image IR

Les objectifs de caméra visibles sont composés de plusieurs éléments avec différentes lunettes pour atténuer les aberrations et fournir une image nette dans des conditions générales. Les lentilles thermiques utilisent des structures et des matériaux d’objectif uniques, mais diffèrent de ceux utilisés dans les caméras numériques visibles en raison des limitations du détecteur et des contraintes de matériau.

Les détecteurs IR à ondes moyennes (MWIR) et IR à ondes longues (LWIR) détectent des longueurs d’onde beaucoup plus longues émises par des objets chauds. Les pixels du détecteur IR sont importants et le coût de production même des matrices de plan focal à faible résolution est beaucoup plus élevé que ceux des caméras visibles. La conception de l’objectif thermique doit garantir une utilisation efficace de chaque pixel afin que la qualité de l’image ne soit pas compromise par l’objectif, en particulier dans les applications de défense et AV.

Les lunettes conventionnelles bloquent le rayonnement IR, les systèmes thermiques nécessitent donc des matériaux de lentille spécialisés, tels que le germanium, le silicium, le sélénide de zinc ou le verre chalcogénide. Ces matériaux transmettent les longueurs d’onde MWIR et LWIR avec une perte de signal minimale, tandis que les revêtements antireflets réduisent davantage les réflexions de surface pour maximiser la transmission IR.

Dans l’ensemble, les lentilles thermiques doivent être très efficaces pour recueillir la lumière et atténuer l’impact des facteurs environnementaux, tout en utilisant un ensemble limité de matériaux de lentille pour projeter une image à contraste élevé sur le réseau de détecteurs.

Tableau 1 : Bandes d’ondes et matériaux de lentille

Considérations optiques clés pour les caméras MWIR et LWIR

Voici les termes optiques clés pour les caméras thermiques, ainsi que les définitions des spécifications optiques ou des exigences essentielles à la bonne performance de dimensionnement pour l’application.

Longueur focale, FOV et IFOV : La longueur focale détermine le champ de vision (FOV), l’intégralité d’une scène qu’une caméra peut capturer sur la matrice du plan focal du capteur. Les focales plus courtes offrent des vues grand-angle, tandis que les focales plus longues offrent des vues étroites et zoomées. Le champ de vision instantané (IFOV) représente le plus petit détail détectable par pixel. La longueur focale équilibre la couverture de scène (FOV) et la résolution des détails fins (IFOV).

Figure 1. Visualisation du FOV et de la longueur focale (image : Teledyne FLIR OEM)

F/Nombre et transmission : Le nombre F (f/#) est le rapport entre la focale et le diamètre de l’ouverture, contrôlant la quantité de lumière recueillie. De plus, la diffraction de la lumière, qui floute l’image, est proportionnelle à la longueur d’onde multipliée par le f/#. Un f/# inférieur signifie une plus grande ouverture et une meilleure efficacité lumineuse, ainsi qu’une réduction du flou dû à la diffraction. La transmission mesure le rayonnement thermique atteignant le capteur. La transmission faible f/# et élevée garantit des signaux de capteur forts, bien que la transmission faible f/# augmente le poids, la complexité et le coût de l’objectif.

Figure 2. Représentation F/# (Image : équipementier Teledyne FLIR)

Fonction de transfert de modulation (MTF) : Quantifie la reproduction du contraste à diverses fréquences spatiales. Une FTM plus élevée produit des images plus nettes et une meilleure détection des différences de température mineures entre les pixels adjacents.

Configuration standard ou de réimagerie : Certains plans focaux LWIR et presque tous les plans focaux MWIR sont refroidis à des températures basses pendant le fonctionnement, ce qui nécessite une enceinte dewar autour du plan focal. Par conséquent, la butée de la lentille doit être positionnée près de la fenêtre de Dewar. Cela nécessite généralement une configuration de lentille de réimagerie.

Figure 3. Les détecteurs non refroidis (à gauche) utilisent généralement des systèmes d’objectif standard et des détecteurs refroidis (à droite) nécessitent généralement une lentille de réimagerie (image : équipementier Teledyne FLIR)

Bande d’ondes : Alors que les deux bandes détectent le rayonnement thermique, l’émission de chaleur corporelle atteint des pics dans le LWIR. De plus, les caméras LWIR fonctionnent souvent à température ambiante lorsqu’elles sont couplées à un objectif faible f/#. Les caméras MWIR nécessitent des plans focaux refroidis et sont supérieures pour détecter les sources de chaleur telles que les moteurs ou les machines. Leur sensibilité supérieure s’accompagne d’une complexité et d’un coût élevés, y compris la réimagerie des configurations d’objectif. Cela dit, les exigences f/# sont assouplies et davantage de matériaux optiques sont disponibles dans MWIR.

Trois principaux défis de conception de lentille de l’imagerie thermique

Les systèmes thermiques sont confrontés à trois principaux défis de conception : les effets de longueur d’onde, les exigences de gestion thermique et les contraintes de la chaîne d’approvisionnement.

La diffraction est la propagation des ondes à l’entrée de l’objectif, qui a un impact sur la netteté de l’image au niveau de la matrice du plan focal. À mesure que les pixels du détecteur diminuent, le f/# de l’objectif requis pour assurer le contraste de l’image entre les pixels adjacents rétrécit. Les longueurs d’onde plus courtes de MWIR présentent moins de diffraction, de sorte que les ouvertures F/3-F/5 qui complètent la sensibilité plus élevée des détecteurs refroidis produisent un contraste de pixels ou une FTM acceptable. Le flou de diffraction de la LWIR nécessite des ouvertures F/1-F/2 plus larges pour fournir un contraste de pixels ; les plus grandes ouvertures de collecte compensent également la sensibilité plus faible des photons des capteurs non refroidis.

Les matériaux des lentilles IR sont sensibles à la température. À moins qu’elle ne soit contrôlée, la meilleure position de mise au point peut changer avec de petits changements de température. Mais les caméras thermiques doivent fournir une image nette sur une très large plage de températures. Les lentilles maintiennent la mise au point grâce à deux approches de conception. L’athermalisation passive utilise des matériaux optiques et mécaniques avec une expansion thermique compensatrice pour stabiliser la mise au point, idéale pour les systèmes compacts et légers. L’athermalisation active utilise des capteurs de température qui contrôlent un ajustement motorisé de la mise au point. Cela convient aux systèmes plus grands où la mise au point motorisée est utilisée pour la compensation de portée.

Les matériaux des verres IR sont soit des cristaux industriels de haute pureté, soit des verres chalcogénides, tous dotés de chaînes d’approvisionnement internationales complexes. Les vulnérabilités de la chaîne d’approvisionnement compliquent tous les défis techniques décrits ci-dessus. L’approvisionnement en germanium repose sur les opérations de raffinage dans des pays spécifiques. Les verres à chalcogénide nécessitent plus largement du soufre, du sélénium, de l’arsenic et du tellurium banalisés, mais les opérations de fabrication du verre sont encore géographiquement limitées. La plupart des matériaux IR étant soumis à des contraintes d’approvisionnement avec des risques géopolitiques, la diversification des sources et le développement de stratégies d’atténuation sont essentiels pour une production durable de lentilles IR.

Critères de sélection de la lentille : Zoom fixe par rapport au zoom continu

Le choix d’objectifs à champ de vision fixe ou à zoom continu (ZC) représente une décision de conception fondamentale qui affecte le coût, la complexité et la capacité opérationnelle.

Figure 4. Modules de caméra LWIR à objectif fixe (gauche) et MWIR refroidi par objectif CZ (droite) (image : équipementier Teledyne FLIR)

Les objectifs à champ de vision fixe offrent une simplicité de focale unique, avec moins de pièces mobiles, ce qui les rend plus légers, plus abordables et plus fiables que les zooms. Beaucoup de ces objectifs sont athermalisés passivement, donc la mise au point est réglée en usine et ne doit jamais être ajustée par le client. Les configurations grand-angle (>60^o) capturent des scènes plus larges avec des détails réduits, tandis que les conceptions à focale moyenne (10^o-50^o) trouvent un équilibre entre couverture et grossissement. Les variantes de téléobjectif (< 8^o) offrent un grossissement plus élevé et un IFOV capable de s’identifier à longue portée, mais nécessitent une stabilisation plus importante en raison de la sensibilité accrue aux mouvements.

Les objectifs CZ permettent un ajustement dynamique du champ de vision grâce à des groupes d’objectifs mobiles sophistiqués qui maintiennent la mise au point tout en modifiant la focale sur des plages telles que 14-75 mm ou 50-1 000 mm, ce qui est idéal pour un environnement dynamique qui nécessite un grand champ de vision et un IFOV minute. Cette flexibilité opérationnelle entraîne une complexité et un coût considérablement accrus. Les objectifs IR CZ ont un nombre significativement plus élevé de composants, ainsi qu’un zoom motorisé et un actionnement de la mise au point nécessitant une électronique de commande.

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Figure 5. Objectif MWIR 25-250 CZ plié (gauche) et objectif MWIR 15-300 CZ (droite) (image : Teledyne FLIR OEM)

En résumé, les ingénieurs système doivent évaluer l’application et équilibrer la qualité d’image, les contraintes de coût et les exigences de flexibilité pour déterminer la configuration d’objectif la plus appropriée pour une application de caméra IR.

Optimisation des performances et de la sensibilité

L’efficacité de collecte de la lumière de l’objectif a un impact direct sur la différence de température équivalente au bruit (NEdT), la mesure de sensibilité clé pour les caméras MWIR et LWIR. Le NEdT mesure la plus petite différence de température détectable en milli-Kelvin. Par exemple, une caméra LWIR f/1.0 avec NEdT de 20 mK est 2,5 fois plus sensible qu’une caméra f/1.55 à 50 mK, bien que la sensibilité ne soit pas strictement linéaire avec NEdT.

La conception optique a un impact fondamental sur les performances de la caméra. Les valeurs f/# inférieures permettent une plus grande transmission d’énergie, améliorant la clarté et la sensibilité de l’image. Les matériaux des éléments et les revêtements AR doivent maximiser le rayonnement infrarouge atteignant le détecteur. Les objectifs de haute qualité avec des aberrations minimales garantissent une FTM élevée, tandis que la focale définit le grossissement et la plage de détection.

Perspectives futures et considérations d’intégration

Le développement de lentilles thermiques continue d’évoluer vers des conceptions plus petites, plus légères et rentables tout en réduisant la dépendance aux matériaux rares comme le germanium pour la durabilité économique. Ces progrès élargiront l’utilisation de l’imagerie thermique dans les applications AV et de défense pour voir à travers l’obscurité ainsi que les obscurcissants tels que le brouillard ou la fumée.

Une intégration réussie nécessite de comprendre les relations fondamentales entre les choix de conception optique et les performances du système. Les contraintes matérielles, les effets spécifiques à la longueur d’onde et les exigences de gestion thermique créent des interdépendances qui ont un impact sur chaque aspect de la capacité du système. Qu’il s’agisse de développer des systèmes de défense, des véhicules autonomes ou des solutions de surveillance industrielle, la conception optique optimale reste cruciale pour maximiser l’efficacité de l’imagerie thermique.

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