Un guide sur l’intégration économique des objectifs 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 (AV) 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 un « œil » essentiel lorsque les systèmes de caméras visibles tombent en panne.

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

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

Les objectifs de la caméra visible sont composés de plusieurs éléments avec différentes lunettes pour atténuer les aberrations et fournir une image nette dans des conditions générales. Les objectifs 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 matérielles.

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 de matrices à plan focal à faible résolution est bien plus élevé que celui 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, de sorte que les systèmes thermiques nécessitent des matériaux de lentille spécialisés, tels que le germanium, le silicium, le sélénure de zinc ou le verre chalcogène. Ces matériaux transmettent les longueurs d’onde MWIR et LWIR avec une perte de signal minimale, tandis que les revêtements antireflet réduisent encore les réflexions de surface pour maximiser la transmission IR.

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

Tableau 1 : Bandes d’ondes et matériaux d’objectif

Principales considérations optiques pour les caméras MWIR et LWIR

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

Longueur focale, champ de vision et IFOV : La distance 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. Des focales plus courtes fournissent des vues grand-angle, tandis que des focales plus longues offrent des vues étroites et zoomées. Le champ de vision instantané (IFOV) représente le plus petit détail détectable par pixel. La distance focale équilibre la couverture de scène (FOV) et la résolution des détails fins (IFOV).

Figure 1. Visualisation du champ de vision 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, qui contrôle la quantité de lumière collectée. 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 : Teledyne FLIR OEM)

Fonction de transfert de modulation (MTF) : Quantifie la reproduction du contraste à différentes 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 un boîtier de guerre autour du plan focal. Par conséquent, la butée de l’objectif doit être positionnée près de la fenêtre du dewar. Cela nécessite généralement une configuration d’objectif 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 un objectif de réimagerie (image : Teledyne FLIR OEM)

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 associées à un objectif à 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 d’objectifs de l’imagerie thermique

Les systèmes thermiques sont confrontés à trois défis de conception principaux : 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, ce 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, l’objectif f/# nécessaire pour garantir le contraste d’image entre les pixels adjacents rétrécit. Les longueurs d'onde plus courtes de la 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 acceptable ou une FTM. Le flou de diffraction du 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 objectifs 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 objectifs conservent 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 réglage motorisé de la mise au point. Cela convient aux systèmes plus grands où la mise au point motorisée est utilisée pour la compensation de plage.

Les matériaux de l’objectif IR sont des cristaux industriels de haute pureté ou des lunettes chalcogènes, 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 lunettes en chalcogenide nécessitent du soufre, du sélénium, de l’arsenic et du tellurium plus largement banalisés, mais les opérations de fabrication du verre sont encore limitées géographiquement. 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 d’objectifs IR.

Critères de sélection de l’objectif : Zoom fixe ou continu

Le choix des objectifs à champ de vision fixe ou à zoom continu (CZ) constitue 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 : OEM Teledyne FLIR)

Les objectifs à champ de vision fixe offrent une focale unique simple, avec moins de pièces mobiles, ce qui les rend plus légers, plus abordables et plus fiables que les zooms. La plupart de ces objectifs sont athermalisés passivement, de sorte que la mise au point est définie en usine et n’a jamais besoin d’être ajustée par le client. Les configurations grand-angle (>60^o) capturent des scènes plus larges avec un niveau de détail réduit, tandis que les conceptions à focale moyenne (10^o-50^o) équilibrent la couverture et le grossissement. Les variantes de téléobjectif (< 8^o) offrent un grossissement plus élevé et un champ de vision horizontal 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 réglage dynamique du champ de vision grâce à des groupes d’objectifs mobiles sophistiqués qui maintiennent la mise au point tout en modifiant la distance 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 champ de vision large et un champ de vision interactif 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 une activation de la mise au point nécessitant des composants électroniques de contrôle.

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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. Des valeurs f/# plus faibles 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. Des objectifs de haute qualité avec des aberrations minimales garantissent une FTM élevée, tandis que la distance focale définit le grossissement et la plage de détection.

Perspectives futures et considérations d’intégration

Le développement d’objectifs thermiques continue d’évoluer vers des conceptions plus petites, plus légères et économiques tout en réduisant la dépendance aux matériaux rares comme le germanium pour la durabilité économique. Ces progrès étendront l’utilisation de l’imagerie thermique dans les applications AV et de défense pour voir dans l’obscurité ainsi que dans les obscurcissements 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, une conception optique optimale reste essentielle pour optimiser l'efficacité de l'imagerie thermique.

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