高溫電視攝像鏡頭設(shè)計(jì)

王忠義

摘要：對(duì)于高溫環(huán)境下的電視攝像鏡頭，由于其工作環(huán)境較特殊，所以，需要充分考慮其材料的選擇、光學(xué)參數(shù)的確定等問題。本文在分析光學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用了三次成像的方法來實(shí)現(xiàn)高溫電視攝像鏡頭的設(shè)計(jì)要求，并給出了具體的設(shè)計(jì)思想以及設(shè)計(jì)結(jié)果，證明該系統(tǒng)能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得較好的成像質(zhì)量。

關(guān)鍵字：高溫；電視攝像鏡頭；設(shè)計(jì)

引言

高溫電視攝像鏡頭實(shí)際就是用來監(jiān)測(cè)高溫加熱爐內(nèi)具體燃燒情況的一種光學(xué)設(shè)備，其主要作用就是對(duì)爐體內(nèi)燃料的燃燒情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，相關(guān)工作人員再依據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，及時(shí)調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)，從而有效提高燃燒效率。下面我們將結(jié)合實(shí)際需要，針對(duì)較常用的高溫加熱爐的具體尺寸和要求，對(duì)高溫?cái)z像鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1光學(xué)參數(shù)分析

1.1視場(chǎng)角

如下圖1所示，爐膛用長(zhǎng)方體ABCD-EFGH表示，長(zhǎng)方體爐膛頂邊AD的中心O點(diǎn)是攝像鏡頭的位置，現(xiàn)在要求攝像鏡頭同時(shí)可以觀察到長(zhǎng)方體爐膛內(nèi)底面每一個(gè)點(diǎn)燃料的燃燒情況?，F(xiàn)在給出的爐膛的尺寸為AB=24m，BC=24m，CG=27m。通過計(jì)算，可以得出光學(xué)系統(tǒng)的全視場(chǎng)角為2ω=60°，而光軸的指向則為圖1中OT方向，光軸指向偏離地面中心P大約3.2m，可以保證光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)到底面EFGH上每一點(diǎn)。

1.2焦距

根據(jù)實(shí)際要求及相關(guān)分析可以確定系統(tǒng)的焦距。該項(xiàng)目使用CCD的像元大小為10μm，要求需要達(dá)到40mm左右的像元分辨率。給一定余量后，系統(tǒng)的焦距可以定為8mm，能夠滿足空間分辨率的要求。該系統(tǒng)的焦距比較短，因此物距要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焦距，所以在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，我們可以按照無限遠(yuǎn)成像進(jìn)行處理。

1.3相對(duì)孔徑

光學(xué)系統(tǒng)的觀察目標(biāo)是爐內(nèi)燃料燃燒的火焰，其亮度很大，因此不需要太大的相對(duì)孔徑。為使光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同燃燒時(shí)期都有較好的觀察效果，系統(tǒng)設(shè)置可變光闌，把相對(duì)孔徑控制在1/20～1/4之間。

1.4高溫環(huán)境

通常情況下，高溫爐內(nèi)溫度范圍大約是1000℃～1600℃，所以攝像探頭需要在高于1000℃的環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作。但是，通常光學(xué)玻璃最大的承受溫度在400℃～690℃之間，因此鏡頭在1000℃高溫環(huán)境下就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，根本無法進(jìn)行成像。目前采用的辦法是加入冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)正常工作時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度可以保證在60℃以下。即要求光學(xué)系統(tǒng)在60℃的環(huán)境溫度下，仍然有高的成像質(zhì)量。當(dāng)此高溫電視系統(tǒng)在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作后，冷卻系統(tǒng)的效率會(huì)下降，因此，儀器的工作壽命主要由冷卻系統(tǒng)決定。為了增長(zhǎng)高溫?cái)z像系統(tǒng)的壽命，減少系統(tǒng)維修的次數(shù)，用戶通常會(huì)希望光學(xué)系統(tǒng)在溫度更高的環(huán)境下（例如200℃）依舊能夠很好地成像，這些要求在一定程度上限制了光學(xué)系統(tǒng)中玻璃的選擇，給設(shè)計(jì)增加了難度。

1.5結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度

高溫電視鏡頭對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的要求比較高。為了有效減小CCD噪聲，提升整個(gè)系統(tǒng)的信噪比，CCD需要放在爐外室溫區(qū)內(nèi)，所以，要求光學(xué)長(zhǎng)度大于600mm，這也加大了設(shè)計(jì)難度。

2設(shè)計(jì)思想

在這樣場(chǎng)合下使用的攝像鏡頭，按照上面所提出的要求，該光學(xué)系統(tǒng)的焦距僅僅只有8mm。一般的光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)度與光學(xué)系統(tǒng)的焦距相差不大，而現(xiàn)在要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度需要大于700mm，因此，在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，我們首先需要解決的就是怎樣拉大軸向尺寸的問題。要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為光學(xué)焦距長(zhǎng)度的100倍左右，采用普通的單次成像方法顯然是無法滿足要求的，必須采用二次或二次以上成像的方法。即該光學(xué)系統(tǒng)由前組以及中繼組兩部分組成，前組光學(xué)系統(tǒng)決定了系統(tǒng)的視場(chǎng)角，而中繼組光學(xué)系統(tǒng)決定延長(zhǎng)光路。中繼透鏡組的放大倍率既可以大于1，也可以小于1。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中還有另外一個(gè)難點(diǎn)，就是在拉長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還要確保鏡筒的口徑不能過大。而光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角又比較大，因此采用一級(jí)中繼是無法同時(shí)滿足這兩點(diǎn)要求的，必須采用二級(jí)或二級(jí)以上的中繼。圖2是光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。Ⅰ是系統(tǒng)的孔徑光闌，Ⅱ是前組高溫區(qū)鏡頭，Ⅲ是第一中繼組，Ⅳ是第二中繼組，Ⅴ是焦平面探測(cè)器。將孔徑光闌前置是為了高溫對(duì)光學(xué)玻璃的影響，能夠最大程度地降低光學(xué)玻璃所處位置的溫度。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ各組需要單獨(dú)校正像差。因?yàn)椴ＡР牧蠒?huì)限制Ⅱ組的鏡頭，所以單獨(dú)校正像差時(shí)會(huì)比較困難。系統(tǒng)合成時(shí)首先要考慮光學(xué)系統(tǒng)光瞳的匹配，其次才是系統(tǒng)的整體像差匹配。只有靠各部分像差合理匹配，才能使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)有較好的成像質(zhì)量。

3設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)結(jié)果的光學(xué)系統(tǒng)示意圖如下圖3所示，Ⅰ是系統(tǒng)的孔徑光闌，Ⅱ是前組廣角針孔鏡頭，Ⅲ是第一中繼組，Ⅳ是第二中繼組，Ⅴ是焦平面探測(cè)器。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果：焦距為8mm，視場(chǎng)角為60°，相對(duì)孔徑為1：4，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)800mm。

為了有效降低冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，也為了系統(tǒng)的安全性，攝像頭進(jìn)入高溫爐內(nèi)的部分用的都是具有較高轉(zhuǎn)變溫度的光學(xué)玻璃材料。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)4塊光學(xué)玻璃都選用了ZK6材料，其轉(zhuǎn)變溫度為668℃，折射率溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)都比較合適。鏡頭III前兩塊玻璃分別選用了ZK6、ZbaF3及ZbaF3，玻璃的轉(zhuǎn)變溫度為628℃。由于其余玻璃距離高溫區(qū)較遠(yuǎn)，所以轉(zhuǎn)變溫度不用很高，選擇玻璃時(shí)主要考慮像差的匹配。

4設(shè)計(jì)結(jié)果的高溫特性

對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來講，隨著工作溫度的改變，各光學(xué)面的半徑、玻璃折射率都會(huì)變化，這些都可能造成光學(xué)系統(tǒng)像差的改變，從而對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量造成影響，所以光學(xué)系統(tǒng)在玻璃選擇時(shí)，要兼顧玻璃的折射率溫度系數(shù)、轉(zhuǎn)變溫度、線膨脹系數(shù)等玻璃的熱學(xué)性能。對(duì)于任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，在不進(jìn)行調(diào)焦的情況下，幾乎都無法保證200℃溫度范圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)有非常好的成像質(zhì)量。為了擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)適應(yīng)溫度的范圍，需要光學(xué)與結(jié)構(gòu)材料相匹配。

結(jié)束語

綜上，本文設(shè)計(jì)的高溫電視攝像鏡頭，在保持系統(tǒng)各單元孔徑都很小的基礎(chǔ)上，拉長(zhǎng)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；前組高溫區(qū)鏡頭所有鏡片都采用轉(zhuǎn)變溫度很高的材料，保證了光學(xué)玻璃在高溫下的承受能力。設(shè)計(jì)結(jié)果在較大的溫度變化范圍內(nèi)都有較好的成像效果。

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