Atténuer les effets préjudiciables de la dilatation thermique sur les performances de l'imagerie

La matière se dilate lorsque sa température augmente et se rétracte lorsque sa température diminue. La variation des dimensions d'un matériau est liée à son coefficient de dilatation thermique (CTE) et à la nature isotrope ou anisotrope du matériau. La température modifie également l'indice de réfraction des matériaux transparents. Ces phénomènes thermiques constituent un défi pour les fabricants et les intégrateurs de systèmes d'imagerie qui ont besoin de systèmes de vision industrielle robustes et thermodynamiques pour des applications dans des environnements présentant des variations de température importantes. Les matériaux se dilatant et se contractant à des rythmes différents, un système comprenant à la fois du métal et du verre présente encore plus de difficultés. Les matériaux tels que les métaux et les plastiques ont des valeurs CTE 10 à 100 fois supérieures aux valeurs CTE des matériaux en verre optique emballés dans les systèmes optiques.

Figure 1 : La longueur d'un matériau varie avec la température en fonction du CTE spécifique du matériau.

La différence de CTE peut ne pas avoir beaucoup d'importance si les composants sont de petite taille, ou si la variation de température opérationnelle est faible. Les éléments optiques de 25 mm de diamètre ou plus, logés dans des tubes de lentilles avec des ajustements serrés de 10 à 15 µm de jeu total, peuvent restreindre l'optique de manière significative à basse température. Le diamètre réduit du tube de lentilles contracté peut alors exercer une pression si forte sur les éléments de la lentille qu'ils se brisent ou que des éclats apparaissent sur les bords. Inversement, une augmentation de la température peut accroître le jeu du logement et exacerber les possibilités de basculement et de décentrage d'une lentille unique ou d'une assemblée de lentilles (Figure 2).

Figure 2 : A. Mouvement de basculement d'un élément de lentille. B. Mouvement de basculement couplé. C. Mouvement de décentrement d'un élément de lentille. D. Mouvement de décentrement couplé. Toutes ces erreurs peuvent être causées par la dilatation thermique des lentilles en verre et l'optomécanique métallique d'un objectif d'imagerie.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction d'un matériau est le rapport entre la vitesse de la lumière lorsqu'elle traverse un milieu matériel et la vitesse de la lumière dans le vide. Le coefficient de température de l'indice de réfraction est lié à la variation de ce rapport avec la température. Pour plus d'informations sur ce coefficient, voir « Propriétés thermiques des substrats optiques ».

Effets thermiques combinés

La défocalisation thermique est directement liée à la fois à la variation de l'indice de réfraction et à la modification des dimensions du matériau sur la plage de température opérationnelle d'un système de lentilles. Par exemple, un tube de lentilles chauffé se dilate et la distance du logement par rapport aux bords des éléments optiques augmente, ce qui peut provoquer un certain décentrement ou un basculement, comme décrit ci-dessus. Cela entraîne une modification de l'indice de réfraction des matériaux en verre, la somme de ces modifications affectant la position de mise au point résultante du système de lentilles lorsque la température change pendant l'utilisation (Figure 3).

Figure 3 : La distance focale d'une lentille se déplace lorsque le changement de température entraîne une variation de l'indice de réfraction et de l'emplacement de la lentille.

Types d'athermalisation

Une athermalisation dont le but est de minimiser la variation de la distance focale en fonction de la température peut être réalisée de manière active ou passive. Ces termes font référence à l'utilisateur final et à la quantité de travail nécessaire pour utiliser le composant dans l'environnement.

L'athermalisation active peut impliquer l'utilisation d'un matériel de support supplémentaire qui peut soit compenser ou corriger « activement » la mise au point du système de lentilles, soit fournir une capacité de chauffage ou de refroidissement pour maintenir le système de lentilles à une distance focale de conception. Ces deux exemples nécessitent une sorte de contrôle de rétroaction du système actif afin de stabiliser l'optique à la position de mise au point souhaitée du système ou au point de consigne de température, respectivement.

Bien que l'athermalisation active utilise des matériaux optiques moins exotiques et soit plus robuste pour être utilisée dans des environnements d'application avec des plages de températures de fonctionnement plus larges, ce type d'athermalisation peut être plus volumineux et plus coûteux à mettre en œuvre.

L'athermalisation passive est obtenue en exploitant les différences de CTE des matériaux et en les intégrant dans la conception du système optique pour compenser à la fois l'indice de réfraction et les changements dimensionnels. En combinant différents matériaux, il est possible de fixer la distance focale en fonction des changements de température sans avoir à recourir à une intervention supplémentaire de l'utilisateur ou à des couches de support électromécanique. Parce qu'il y a moins de composants techniques, l'athermalisation passive donne des produits qui sont généralement meilleurs pour les applications à espace restreint. Malheureusement, les conceptions optiques ne peuvent pas toutes être athermalisées passivement ; parfois, la compensation requise ne peut tout simplement pas être réalisée passivement dans le volume de la conception.

Objectifs d'imagerie et performances

Les objectifs d'imagerie athermiques peuvent être fabriqués dans l'une ou l'autre des deux variétés mentionnées ci-dessus. Cependant, les Objectifs d’Imagerie Athermiques TECHSPEC® conçus par Edmund Optics® et Ruda Cardinal et fabriqués par Edmund Optics, sont athermiques de manière passive en plus de disposer d’un renforcement industriel pour protéger les objectifs des dommages causés par les chocs et les vibrations (Figure 4).

Figure 4 : La performance MTF de l'objectif d'imagerie thermique TECHSPEC de 150 mm de focale et f/4 reste pratiquement la même de -10°C à +50°C.

Un exemple d’objectif est présenté ci-dessous à la figure 5. Il a été conçu pour maintenir la MTF sur une plage de températures opérationnelles de 60°C, ce qui le rend adaptée à une large gamme d'applications.

Figure 5 : Les performances de la MTF en fonction de la hauteur d'image (position du champ) de l'Objectif d'Imagerie Athermique TECHSPEC de 150 mm de focale, f/4, à des températures allant de -10◦C à +50◦C.