紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估系統(tǒng)研究

武姝君+馮佳+賈克+施魯星+陳廣俊+李英

摘 要：紅外鏡頭因受溫度的影響較大，需進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)，而國內(nèi)對(duì)于無熱化效果的評(píng)估研究并不多。文章將光電檢測(cè)技術(shù)與無熱化技術(shù)相結(jié)合，提出了一種在現(xiàn)有MTF傳函儀的基礎(chǔ)上增加紅外鏡頭無熱化測(cè)試組件，來測(cè)試紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值，通過對(duì)得到的不同MTF值進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外鏡頭無熱化效果的評(píng)估。針對(duì)其關(guān)鍵的中繼鏡頭分析了三種可能的設(shè)計(jì)方法，最終選定了最可行的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)分析合理，可行性高。

關(guān)鍵詞：紅外鏡頭；無熱化評(píng)估；MTF

中圖分類號(hào)：TN216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0007-02

1 概述

隨著紅外光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，紅外鏡頭越來越多地應(yīng)用在民用、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。由于溫度的變化會(huì)對(duì)紅外鏡頭的光學(xué)元件的面型，光學(xué)元件的折射率，透鏡的焦移等產(chǎn)生影響，導(dǎo)致鏡頭的成像質(zhì)量變差，圖像模糊不清和對(duì)比度下降。因此紅外鏡頭的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)是必不可少的環(huán)節(jié)之一。近幾十年來國際上都在大力研究紅外鏡頭的無熱化方法，但是對(duì)于紅外鏡頭的無熱化檢測(cè)方法的研究還非常少，無熱化評(píng)估作為一種評(píng)價(jià)鏡頭好壞的條件是非常重要的。本文提出了利用現(xiàn)有的傳函儀，設(shè)計(jì)一組中繼鏡頭，使普通的MTF測(cè)試儀可以測(cè)試紅外高低溫鏡頭下的MTF，重點(diǎn)分析了三種中繼鏡頭的設(shè)計(jì)方案，最終得到有效可行的設(shè)計(jì)方案[1][2]。

2 無熱化檢測(cè)技術(shù)

無熱化檢測(cè)技術(shù)是用來檢測(cè)紅外鏡頭的無熱化設(shè)計(jì)的質(zhì)量的，目前大多數(shù)的無熱化檢測(cè)方法是主觀判斷圖像質(zhì)量。光學(xué)傳遞函數(shù)被認(rèn)為是光學(xué)鏡頭成像質(zhì)量評(píng)價(jià)的有效、客觀、全面的一種檢測(cè)方法，因?yàn)楣鈱W(xué)傳遞函數(shù)不僅與光學(xué)系統(tǒng)的像差，還與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān)，同時(shí)，它還是一種定量，易做到數(shù)字化和快速測(cè)量的方法。本文提出的無熱化檢測(cè)方法是通過無熱化技術(shù)與光電檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的的，隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，無熱化檢測(cè)技術(shù)將逐漸成為一種用于評(píng)價(jià)紅外鏡頭無熱化效果好壞的重要紅外計(jì)量技術(shù)[3][4]。

目前主要的無熱化檢測(cè)技術(shù)分為兩種，一種是將被測(cè)的紅外熱成像儀整體放入高低溫箱內(nèi)部，通過高低溫箱的窗口觀察處在高低溫箱外部的目標(biāo)源，改變高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的溫度熱像儀會(huì)輸出一系列的圖像，根據(jù)熱像儀輸出圖像的清晰度來判斷紅外熱成像儀的無熱化性能。由于這種方法在測(cè)試時(shí)難免會(huì)加入人為的主觀因素，因此只能定性的檢測(cè)而不能定量的檢測(cè)無熱化性能。另一種是只檢測(cè)鏡頭在高低溫環(huán)境下的離焦量變化，而離焦量是鏡頭熱相差的主要來源之一，所以，可以通過離焦量變化判斷鏡頭的無熱化性能。但是離焦量檢測(cè)不能檢測(cè)像差，因此這種方法是不全面的[5]。

根據(jù)上面的論述，我們提出了一種通過在現(xiàn)有的MTF測(cè)試儀的基礎(chǔ)上分析紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估的方法，使普通的MTF測(cè)試儀可以測(cè)試紅外高低溫鏡頭下的MTF，從而定量地評(píng)價(jià)紅外鏡頭的無熱化性能。

3 基于MTF測(cè)試的無熱化性能評(píng)估原理

紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估采用相對(duì)測(cè)量方法。首先利用傳函儀直接測(cè)量被測(cè)鏡頭的MTF值，然后改變溫度測(cè)出在不同的溫度下被測(cè)鏡頭的MTF值，通過比較常溫下測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值之間的差值，來判斷鏡頭無熱化性能的好壞[6][7]。

其評(píng)估原理為：被測(cè)光學(xué)鏡頭安裝于高低溫箱內(nèi)與中繼鏡頭聯(lián)接，由點(diǎn)光源和平行光管為系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，平行光經(jīng)被測(cè)鏡頭后成像到像面處，再利用中繼鏡頭對(duì)象進(jìn)行放大并將像面引出高低溫箱，通過傳函儀檢測(cè)像面，得到的MTF值，來判斷被測(cè)鏡頭的無熱化性能。由于測(cè)試系統(tǒng)存在一定的誤差，為了使最后的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，應(yīng)再加上測(cè)試系統(tǒng)的補(bǔ)償量最終得到被測(cè)鏡頭的MTF值[8][9]。其中，平行光管的作用是產(chǎn)生一束平行光，與點(diǎn)光源形成無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。

4 基于MTF測(cè)試的無熱化性能評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)

由于傳函儀的探測(cè)器一般需要制冷處理，不適合在高低溫環(huán)境中工作，為了保證探測(cè)器的精度時(shí)期能夠正常工作，需要利用中繼鏡頭將像面引出高低溫箱。所以系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)無熱化性能評(píng)估的目的最主要的是中繼鏡頭的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中主要考慮的參數(shù)有中繼鏡頭的尺寸，與整個(gè)系統(tǒng)的鏈接方式，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精確度所造成的影響等問題[10]。中繼鏡頭的設(shè)計(jì)方案有三種，這三種方案中的中繼鏡頭都必須進(jìn)行完全的無熱化設(shè)計(jì)。

4.1 將中繼鏡頭完全放置在高低溫試驗(yàn)性內(nèi)部

由于中繼鏡頭得到溫度穩(wěn)定的時(shí)間較長，當(dāng)溫度變化時(shí)，需要等待較長的時(shí)間中繼鏡頭才能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，增加了整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中中繼鏡頭的后截距較長，物方孔徑角較大，當(dāng)將中繼鏡頭整體放進(jìn)高低溫箱內(nèi)部時(shí)，增大后截距時(shí)也會(huì)極大的增加整個(gè)鏡頭的直徑，體積和重量，導(dǎo)致高低溫箱的尺寸也將增加，不利于整體設(shè)計(jì)。如圖2所示，此時(shí)的中繼鏡頭與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鏈接，被測(cè)鏡頭與中繼鏡頭間通過高低溫箱、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和鏡筒等環(huán)節(jié)鏈接。由于中繼鏡頭和被測(cè)鏡頭都處在高低溫箱內(nèi)部鏈接，二者之間的鏈接材料也會(huì)受到溫度的影響。因此在設(shè)計(jì)過程中需要考慮材料的選擇以及成本問題，給實(shí)驗(yàn)帶來了困難。

4.2 將中繼鏡頭完全放置在高低溫試驗(yàn)箱外部

如圖3，中繼鏡頭的鏈接方式是通過加長的鏡筒結(jié)構(gòu)探入到高低溫箱內(nèi)部直接與被測(cè)鏡頭鏈接。其中，鏈接結(jié)構(gòu)件一部分處于高低溫環(huán)境，另一部分處于常溫環(huán)境。此時(shí)，設(shè)計(jì)的主要矛盾在于鏡頭與探測(cè)器鏈接處對(duì)整體的無熱化性能評(píng)估的影響。常用的鏡筒材料一般為金屬，表1反映了常用鏡筒材料在溫度為20℃時(shí)的線性熱膨脹系數(shù)。表2是隨溫度變化常用的鏈接材料的線性熱膨脹系數(shù)的取值范圍，從表2看出，材料的先熱膨脹系數(shù)會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變。當(dāng)鏡頭在使用時(shí)，鏈接處的材料會(huì)因溫度的改變而產(chǎn)生形變導(dǎo)致系統(tǒng)的光路等產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生像差，同時(shí)鏈接處的材料對(duì)最終的無熱化評(píng)估結(jié)果也有影響，因此需要對(duì)該處的材料進(jìn)行無熱化評(píng)價(jià)，增加了實(shí)驗(yàn)的工作量。鏡頭與探測(cè)器處的鏈接結(jié)構(gòu)的熱膨脹也是不可知的。由于線性熱膨脹系數(shù)隨著溫度的改變而發(fā)生變化，因此，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為系統(tǒng)的定量分析帶來了困難。

4.3 將中繼鏡頭設(shè)計(jì)為前組和后組兩個(gè)部分，前組放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部，后組放置在高低溫試驗(yàn)箱外部

通過對(duì)上面兩種方法的分析，提出了設(shè)計(jì)方案三，如圖4所示。在克服了上述兩種方案存在的問題同時(shí)，中繼鏡頭的前組還起到了對(duì)被測(cè)鏡頭所成的像的放大作用。中繼鏡頭前后組之間的鏈接結(jié)構(gòu)為徑向剛性定位軸游動(dòng)結(jié)構(gòu)便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。鏡頭前后組光學(xué)系統(tǒng)采用平行光連接避免了由于前后組光學(xué)系統(tǒng)間的相對(duì)位置誤差對(duì)成像質(zhì)量的影響。

對(duì)于設(shè)計(jì)波段在中紅外波段，在設(shè)計(jì)的時(shí)候中繼鏡頭采用“硅-鍺-硅-鍺”的無熱化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣韬玩N二者的光學(xué)性能也特別好，易加工，其中鍺還具有耐熱性，導(dǎo)熱性能都很好，折射率反射率高等優(yōu)點(diǎn)，避免了由中繼鏡頭引起的無熱化誤差。同時(shí)，中繼鏡頭采用對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，起到了消像差的作用。

5 結(jié)束語

隨著紅外鏡頭的廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)的評(píng)估來檢測(cè)紅外鏡頭的優(yōu)劣也受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文提出了在現(xiàn)有的MTF測(cè)試儀的基礎(chǔ)上增加中波紅外鏡頭無熱化測(cè)試組件，使普通的MTF測(cè)試儀可以測(cè)試紅外鏡頭高低溫環(huán)境下的MTF。通過上述分析，選擇中繼鏡頭的設(shè)計(jì)方案三，將中繼鏡頭分為前組和后組，在實(shí)驗(yàn)過程中，將中繼鏡頭前組置于高低溫箱內(nèi)部，將后組放置于高低溫箱外部，最終證明本文所提出的設(shè)計(jì)方案是可行的。

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