Tunable Liquid Crystal Lenses for Lemming Camera Trapping in Arctic Conditions

Les lentilles à cristaux liquides (CL) ajustables (TLCL en anglais) de différents diamètres sont activement développées pour différentes applications d'imagerie, telles que les caméras de téléphones intelligents et de surveillance, l'ophtalmologie, la réalité virtuelle et augmentée, etc. Grâce à l'anisotropie diélectrique et optique des matériaux CL, un changement dynamique de distance focale de la lentille est possible sans changer sa forme ou sans utiliser de mouvement mécanique, en appliquant un champ électrique externe. Cette thèse présente le projet de recherche, visant à créer un système de piège photographique pour l'observation des lemmings subnivéenne dans l'Arctique canadien. En particulier, il se concentre sur la partie optique du projet multidisciplinaire : concevoir une lentille à CL avec un foyer ajustable afin de rendre la caméra adaptative et d'obtenir une meilleure qualité d'image ou de vidéo. Les conditions environnementales extrêmes nécessitent une conception de TLCL particulière, qui fournira la puissance optique (PO) nécessaire, mais en même temps aura une faible consommation d'énergie et fonctionnera sans panne pour les températures froides. Dans le chapitre d'Introduction, un bref résumé des études d'observation des lemmings est présenté ainsi que des exemples de piégeage photographique d'animaux du monde entier. La deuxième partie d'Introduction est consacrée aux matériaux CL et aux différentes conceptions de TLCL. Des conceptions alternatives de lentilles adaptatives et des approches pour étendre la profondeur de champ sont également brièvement discutées. Le piégeage photographique dans l'Arctique présente de nombreux défis liés aux conditions météorologiques extrêmes et à son emplacement éloigné. Par conséquent, nous avons commencé le projet avec une conception de système de piège photographique qui peut surmonter ces défis et nous fournir des résultats préliminaires sur le terrain. Les particularités de la conception optique et mécanique de l'appareil sont expliquées dans le Chapitre 1 et les premières images de lemmings en Arctique sous la neige en hiver sont présentées. Les spectres de transmission des fenêtres optiques utilisées dans les pièges photographiques sont ajoutés en Annexe A. Pour rendre la caméra adaptative, nous avons commencé avec la conception bien connue de la lentille CL - lentille à contrôle modal, et avons étudié ses performances aux températures requises pour le projet (d'environ -20 ° à +20 °) - Chapitre 2. Afin d'assurer la bonne performance de la lentille malgré un changement de température considérable, nous avons mesuré expérimentalement les paramètres du matériaux (CL et couche faiblement conductrice ou WCL en anglais). Ensuite, la modélisation théorique de la lentille à contrôle modal a été effectuée pour optimiser la conception de la lentille et des échantillons expérimentaux ont été fabriqués et testés dans la plage de température requise. Nous avons trouvé un moyen d'athermaliser la lentille à contrôle modal, afin de pouvoir maintenir les mêmes POs et la même qualité d'image. Cependant, le WCL reste pas optimal pour les environnements avec des températures variables car sa résistance en dépend fortement. De plus, il est difficile de fabriquer du WCL et de contrôler sa résistance de surface. Par conséquent, dans le Chapitre 3, nous proposons une nouvelle conception d'une lentille à CL, basée sur une structure en spirale de oxyde d'indium-étain (ITO en anglais). Elle présente de nombreux avantages en termes de simplicité de fabrication, de moindre dépendance à la température, de consommation électrique, etc. Cette approche est également prometteuse pour d'autres applications d'imagerie telles que l'ophtalmologie, l'endoscopie et la réalité augmentée. Dans les Annexes B et C des voies possibles d'implémentation des letilles à CL dans les caméras sont démontrées. Outre la dépendance à la température, une limitation majeure de l'imagerie CL est la diffusion de la lumière. Dans le Chapitre 4, nous explorons différentes manières de post-traitement d'image qui aident à réduire la dégradation de la qualité d'image causée par la diffusion de la lumière dans les CL et ouvre les nouvelles possibilités pour l'implémentation des TLCLs dans les appareils d'imagerie.

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