高溫爐探測裝置光學系統(tǒng)設(shè)計

張洪強，叢京洲，羅春華

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.舜宇光學科技有限責任公司，寧波 315000）

高溫爐窯是某些從事高溫冶煉工作的主要生產(chǎn)設(shè)備。爐膛內(nèi)的燃燒情況對產(chǎn)品的質(zhì)量、燃料的消耗和一些有毒有害的氣體的排放有著很大的影響。目前監(jiān)測爐膛內(nèi)部情況采用的方法主要是由工作人員通過觀察工業(yè)電視進行經(jīng)驗估計［1-2］。針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計一款可以在高溫條件下工作的光學系統(tǒng)，采用非制冷焦平面作為接收器，實現(xiàn)對爐內(nèi)燃燒情況的實時監(jiān)測。

1 紅外成像技術(shù)簡介

紅外成像技術(shù)幾乎從一誕生就以其強大的技術(shù)優(yōu)勢逐步占領(lǐng)了世界軍用和商用市場，在許多方面都得到了廣泛應用［3］。

紅外光學系統(tǒng)是在可見光光學系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此在設(shè)計時沿用了可見光光學系統(tǒng)的設(shè)計理念，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了紅外系統(tǒng)特有的本質(zhì)。紅外系統(tǒng)的目標探測信息來源與可見光系統(tǒng)是不同的［4］，紅外系統(tǒng)與可見光系統(tǒng)的相對孔徑有非常大的差異，所以結(jié)構(gòu)及像差的校正也有很大的區(qū)別［5］。紅外系統(tǒng)所使用的光學材料也是特殊的可以透過紅外波段的材料［6］；紅外系統(tǒng)在通常情況下需要溫度補償［7］；紅外系統(tǒng)所使用的接收器一般用制冷或非制冷的探測器，而可見光一般是人眼、CCD或CMOS接收。

2 探測器以及材料的選擇

目前用得比較廣泛的探測器有兩種，制冷型與非制冷型。非致冷紅外鏡頭性能好，價格低，維護成本低，另外非致冷探測器的使用穩(wěn)定性很高［8］，所以在工業(yè)設(shè)計中使用量越來越大。相對于非制冷型探測器，制冷型的探測器的分辨率要高很多，但是由于制冷像的探測器需要制冷裝置，導致了探測器的體積和重量都很大，并且價格也非常昂貴。制冷型探測器主要應用在比較高端的軍事領(lǐng)域中。

本設(shè)計采用的是非制冷焦平面探測器，根據(jù)需要選用的探測器是高德紅外制造的GST425CA非制冷紅外焦平面探測器，它的陣列規(guī)格是400×300，像元中心距為25μm，可計算出像高為6.25mm。

3 紅外材料的選擇

一般來說可見光能夠被運用的材料種類較多，而能用在紅外系統(tǒng)的材料非常有限；并且紅外材料大多也是用在不同的譜段；在紅外光譜區(qū)域透過率高是選擇光學材料的最基本條件。除了光學性能要求外，材料的一些理化性能也必須考慮。表1介紹了幾種常用的紅外材料的一些基本性能。

表1 幾種常用的紅外材料的性能

從表1中可以看出在4μm～6μm波段常用的幾種材料的性能［9］。經(jīng)過分析與對比，選擇了ZNS與ZNSE作為系統(tǒng)的設(shè)計材料。

4 光學系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)客戶需求整理出整個系統(tǒng)的設(shè)計指標，如表2所示。

表2 系統(tǒng)的總體設(shè)計要求

4.1 設(shè)計指標的分析

解讀這個設(shè)計參數(shù)就會發(fā)現(xiàn)它和普通的紅外系統(tǒng)設(shè)計有兩大不同點，首先是鏡頭直接靠近紅外高溫環(huán)境；但為了能夠使用非制冷探測器而將系統(tǒng)特意拉長到大于700mm，從這個要求研究結(jié)果來看，用一組鏡頭很難完成整體的指標及結(jié)構(gòu)；所以用兩組鏡頭來實現(xiàn)項目的要求：即前組靠近高爐在300℃環(huán)境下工作取出探測信息；后組接近常溫的環(huán)境下工作更便于放置探測器及裝換后觀察分析。

4.2 前組鏡頭設(shè)計

根據(jù)需要前組鏡頭的光學參數(shù)如下：視場角為60°，相對孔徑為1/1.2，成像波段為4μm～6μm，工作溫度為300℃。

4.2.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇

由于現(xiàn)有的紅外系統(tǒng)專利非常少，所以通過查閱相關(guān)的資料［10］，選擇了一款七片式可見光的初始結(jié)構(gòu)。這個初始結(jié)構(gòu)的相對孔徑是1 1.2，視場角ω=23°，焦距是1mm。圖1與圖2給出了系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)與它的MTF曲線。

圖1 系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)的MTF曲線圖

4.2.2 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計要做的第一步是將可見光的材料換成系統(tǒng)設(shè)計所需要的波段的材料，也就是中波紅外材料；由于原來是可見光的系統(tǒng)其材料折射率及阿貝數(shù)與所要用的紅外材料差異很大，在更換材料的過程中一定同時更改半徑并且控制好系統(tǒng)的像質(zhì)。更換材料完成后，要逐步使得所選擇的系統(tǒng)的光學參數(shù)和所要設(shè)計的指標相一致，主要需要變動的是視場，視場角的加大一定要逐漸完成，否則會出現(xiàn)系統(tǒng)評價函數(shù)太低無法優(yōu)化的問題。

4.2.3 簡化結(jié)構(gòu)

通過上面的優(yōu)化，所選擇的七片式系統(tǒng)已經(jīng)滿足了設(shè)計要求，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，鏡片數(shù)過多，也會給裝調(diào)帶來困難。因此決定將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，減少鏡片的數(shù)量，這樣不僅可以降低成本，也更便于裝調(diào)。采用簡化方法就是把想要移除的鏡片的前后兩個面曲率半徑增大，直到這兩個面的曲率半徑接近或者達到無窮。就是讓鏡片變成平行平板，然后再把它去掉。在變化曲率半徑的過程中，可以使用CVVA這個操作數(shù)。在去掉一個鏡片之后，系統(tǒng)的像質(zhì)會大不如前，為了提高像質(zhì)就需要繼續(xù)增加非球面的數(shù)量，直到滿足設(shè)計要求。最后經(jīng)過簡化，把原來七片式的系統(tǒng)簡化成了五片，像質(zhì)也滿足設(shè)計要求。

4.2.4 優(yōu)化結(jié)果

圖3是優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)，鏡頭的總長為50.2mm，焦距為5mm，系統(tǒng)的第2、3、4、10、11面為非球面，光闌位于第4個面與第5個面之間。

圖3 前組鏡頭的結(jié)構(gòu)圖

圖4是優(yōu)化后的五片式調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線。從圖4可以看出，在20線對處，系統(tǒng)的MTF曲線均大于0.8，且接近衍射極限。

紅外系統(tǒng)很多都是對能量集中度的要求，所以紅外系統(tǒng)像質(zhì)的評價經(jīng)常會用點列圖作為評價標準彌散斑越小證明成像質(zhì)量越好。運用公式計算系統(tǒng)的艾里斑直徑為5.865μm，在圖5中可以看到彌散斑RMS值最大為5.114μm，均小于艾里斑直徑，表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好。

圖5 系統(tǒng)的點列圖

場曲是反映成像質(zhì)量的一個重要參數(shù)，它反映了像面的彎曲程度，由圖6可知，場曲校正在0.05mm范圍內(nèi)滿足設(shè)計要求，畸變雖然不影響成像質(zhì)量，但是畸變的大小影響成像的準確性，通過校正，系統(tǒng)畸變小于3%，滿足設(shè)計要求。

圖6 系統(tǒng)的場曲畸變圖

4.2.5 前組鏡頭熱分析

在光學設(shè)計軟件ZEMAX中建立熱分析模型，由于前組是在300℃的條件下工作，所以只需要分析溫度在300℃附近波動的時候?qū)ο到y(tǒng)的影響即可。所以取300、280、320℃三個溫度對系統(tǒng)進行分析。分析結(jié)果如下：

圖7 280℃時系統(tǒng)的MTF曲線

圖8 320℃系統(tǒng)的MTF曲線

從圖7、圖8可以看出在280℃和320℃時系統(tǒng)的MTF曲線均在0.7以上。

從圖8、圖9可看出在280℃和320℃時系統(tǒng)的點列圖大部分都在艾里班以內(nèi)。

圖9 280℃系統(tǒng)的點列圖

圖10 320℃系統(tǒng)的點列圖

結(jié)果表明，當溫度在300℃左右波動的時候，系統(tǒng)的成像質(zhì)量很好且能保持穩(wěn)定。

4.3 中繼系統(tǒng)設(shè)計

由于前組鏡頭所處的環(huán)境溫度過高，探測器無法在這么高的溫度下正常工作，所以就需要一個中繼系統(tǒng)對前組鏡頭所成的像進行二次成像。目的是使探測器可以遠離高溫區(qū)域。由于中繼系統(tǒng)所處的位置的特殊性，會導致中繼系統(tǒng)的前后溫度不一致，前面兩片鏡片溫度會接近前組鏡頭的溫度，而后四片鏡片的溫度會逐漸降低。所以在設(shè)計的時候前兩片的溫度設(shè)置為300℃，第三片和第四片的溫度設(shè)置為120℃，而后兩片的溫度設(shè)置為70℃。

圖11 中繼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

從圖11中繼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，該系統(tǒng)是由6片鏡片組成，總長達到了700mm，第5、6、7、8個面為非球面，光闌位于第6和第7個面之間。

從圖12系統(tǒng)的MTF曲線可以看出，每個視場的傳遞函數(shù)曲線均接近衍射極限。

圖12 中繼系統(tǒng)的MTF曲線

從圖13中可以看出每個視場的點列圖大部分都在艾里斑之內(nèi)。

圖13 中繼系統(tǒng)的點列圖

同樣，中繼系統(tǒng)也需要進行熱分析。對其熱分析的思路與前組略有不同。由于中繼系統(tǒng)本身的溫度就是不均一的，所以在熱分析的時候也要重新建立熱分析模型。建立熱分析模型的思路是讓前兩片鏡片的溫度在300℃上下波動，分別取320℃、300℃、280℃。第三片和第四片的溫度在120℃左右波動，分別取130℃、120℃、110℃。后面的兩片的溫度在70℃附近波動，分別取80℃、70℃、60℃。

在對應的溫度與壓強下，輸入的項目類型包括：表面曲率CRVT、表面間隔THIC、玻璃名稱GLSS、非球面系數(shù)PRAM、通光口徑SDIA。經(jīng)過ZEMAX軟件的模擬，得到了27組結(jié)果?，F(xiàn)在選取其中的兩組如圖14-17所示。

圖14 前中后分別為320、130、60℃時系統(tǒng)的MTF曲線

圖15 前中后分別為320、130、60℃時系統(tǒng)的MTF曲線

圖16 前中后分別為300、110、70℃時系統(tǒng)的MTF曲線

圖17 前中后分別為290、1200、80℃時系統(tǒng)的MTF曲線

從MTF曲線可以看出，當溫度相對于理想的溫度產(chǎn)生上下浮動時，確實會影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量，MTF曲線相對于理想情況的曲線都會有所下降，但是下降的并不明顯，MTF曲線均達到了0.7以上，表明成像質(zhì)量仍然能夠保持穩(wěn)定。

4.4 前組與中繼的組成整體系統(tǒng)

將中繼系統(tǒng)與設(shè)計完成的前組鏡頭對接，再加上后面的探測器，就構(gòu)成了整個高溫爐探測裝置。圖18為整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)合理，且系統(tǒng)的總長也達到了700mm，符合了設(shè)計的要求。

圖18 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖19、20、21為系統(tǒng)的MTF曲線、點列圖、場曲畸變圖。

圖19 系統(tǒng)的MTF曲線圖

圖20 系統(tǒng)的點列圖

圖21 系統(tǒng)的場曲畸變圖

按照瞳與瞳的銜接以及數(shù)值孔徑相同的情況下將兩個系統(tǒng)進行了組合，組成后系統(tǒng)成像質(zhì)量略有下降，整體結(jié)構(gòu)及像質(zhì)滿足了高溫爐進行測量的要求。

5 結(jié)語

本文通過對高溫爐探測裝置的光學系統(tǒng)設(shè)計，得到了一款滿足實際需求的光學鏡頭。該系統(tǒng)具有較大的相對孔徑1/1.2；系統(tǒng)長度比較長大于700mm，更有利于圖像的探測。系統(tǒng)選用了比較常用的紅外材料ZNSE和ZNS，這兩種材料的光學性能非常好，且耐高溫，非常適合在高溫下工作的光學系統(tǒng)。另外，還分別對系統(tǒng)的兩個組成部分進行了熱分析，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度有小幅波動的情況下，兩個系統(tǒng)像質(zhì)均能比較穩(wěn)定，可滿足使用要求。

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