超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)

趙志遠(yuǎn)

(武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，西安 710086)

自然界中當(dāng)物體的溫度大于-273.16 ℃時(shí)，物體就存在熱輻射，熱輻射的同時(shí)會(huì)伴隨著紅外線的存在，物體是否輻射紅外線和白天還是黑夜無(wú)關(guān)，只要溫度大于-273.16 ℃就有紅外輻射，人眼對(duì)于紅外線是看不見的，必須來(lái)紅外器件來(lái)接收，而紅外熱像儀可以把這些人眼不可見的熱輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷臒嵯駡D。紅外熱像儀通過(guò)探測(cè)目標(biāo)和背景的溫度差別，生成紅外熱圖像顯示在顯示屏上，該種方式為被動(dòng)工作方式，由于工作時(shí)不用發(fā)光不需要光線，因此隱蔽性很好，不僅可以全天時(shí)獲得清晰的目標(biāo)圖像，而且可以在雨、霧、煙、沙塵等的能見度很差的背景條件下工作，還可以探測(cè)到背景中偽裝的目標(biāo)，躲藏在樹木草叢中的目標(biāo)，獲得火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部清晰的熱圖像，方便武警戰(zhàn)士在火宅救援時(shí)更真實(shí)有效的判斷火中的情況，以便采取更有效的救助方案。紅外熱像儀有著和白光攝像頭獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此紅外熱像儀廣泛用于武警戰(zhàn)士日常巡邏、周邊環(huán)境監(jiān)控、目標(biāo)追蹤、公共安防、夜間陸上和水上緝私、火災(zāi)消防救助、森林防火、偵查、禁毒、逃犯搜尋追捕等軍事國(guó)防和民用工程領(lǐng)域[1-5]。

本文設(shè)計(jì)了一種超寬溫中波紅外熱像儀消熱差系統(tǒng)，工作波段為3.7～4.8 μm，中心波長(zhǎng)為4.2 μm，焦距為55 mm，F(xiàn)數(shù)為2.0，匹配像元數(shù)320×256，像元大小30 μm×30 μm的制冷型紅外焦平面探測(cè)器。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：借助被動(dòng)式光學(xué)補(bǔ)償方法，通過(guò)光機(jī)材料匹配和使用二元光學(xué)面，使得系統(tǒng)在-60 ℃～120 ℃溫度范圍內(nèi)取得了較好的消熱差成像性能，可用于武警官兵冬天在低溫環(huán)境下進(jìn)行夜間偵查，邊防監(jiān)控工作，同時(shí)也可以在高溫環(huán)境下準(zhǔn)確清晰的獲取被救人的圖像，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)的火災(zāi)消防救援。

1 設(shè)計(jì)原理

二元光學(xué)[6-8]是基于光波衍射理論發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科?；谟?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微米級(jí)加工技術(shù)制成的平面浮雕型二元光學(xué)器件具有重量輕、造價(jià)低等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能。

ZEMAX軟件中對(duì)于二元光學(xué)面的相位分布函數(shù)定義為

φ(R)=A1R2+A2R4+A3R6+…

(1)

式中，R為歸一化半徑，A1為二次相位系數(shù)，用于消除成像系統(tǒng)的色差，A2、A3等為二元光學(xué)面的相位系數(shù)，用于校正成像系統(tǒng)的高級(jí)像差。

從二元光學(xué)面的相位分布函數(shù)表達(dá)式可知，除可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件的功能外，二元光學(xué)元件在校正成像系統(tǒng)色差和熱像差方面有特殊的功效，二元光學(xué)元件和傳統(tǒng)光學(xué)元件配合使用[9-10]，可以增加優(yōu)化設(shè)計(jì)的自由度，在校正球差像散等像差的同時(shí)，還可有效校正色差和熱像差，提高成像性能。

被動(dòng)式光學(xué)補(bǔ)償方法[11-12]是通過(guò)不同的線膨脹系數(shù)和折射率溫度系數(shù)的光學(xué)材料和機(jī)械材料的匹配，通過(guò)合理分配光學(xué)透鏡的光焦度，使得溫度變化導(dǎo)致成像系統(tǒng)的像面漂移量在系統(tǒng)焦深范圍內(nèi)，該種方法具有性能穩(wěn)定，不用供電，光學(xué)和機(jī)械元件不用移動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)消熱差設(shè)計(jì)。

被動(dòng)式光學(xué)補(bǔ)償方法需要同時(shí)滿足光焦度、消色差、消熱差3個(gè)條件。

光焦度要求：

(2)

hi為近軸光線在第i個(gè)透鏡上的入射高度，φi為第i個(gè)透鏡的光焦度，φ為總光焦度。

消色差要求：

(3)

xi為第i個(gè)光學(xué)透鏡的色散因子。

消色差要求：

(4)

基于二元光學(xué)元件特殊的溫度特性和被動(dòng)式光學(xué)補(bǔ)償方法，結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)可使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消熱差。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)結(jié)果

實(shí)例選用制冷型焦平面紅外探測(cè)器，制冷型焦平面紅外探測(cè)器的像元數(shù)為320×256，像元尺寸為30 μm×30 μm，系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為3.7～4.8 μm，中心波長(zhǎng)為4.2 μm，F(xiàn)數(shù)為2.0，全視場(chǎng)為12.75°，焦距為55 mm，工作溫度范圍為-60 ℃～120 ℃，要求16 lp/mm處MTF大于0.5，最大畸變的絕對(duì)值小于2%。

設(shè)計(jì)的超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像光路系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由3片透鏡組成，采用GE和SI兩種光學(xué)材料，其中兩塊SI透鏡，一塊GE透鏡，3片透鏡的光焦度分別為正、負(fù)、正。設(shè)計(jì)的超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)總長(zhǎng)小于85.61 mm，冷屏到像面的距離為19.8 mm,成像系統(tǒng)的孔徑光闌和制冷型紅外探測(cè)器的冷光闌重合，滿足100%冷光闌效率，系統(tǒng)由3片透鏡組成包含6個(gè)光學(xué)表面，為了提高成像系統(tǒng)質(zhì)量，在系統(tǒng)中使用了一個(gè)2元光學(xué)面和一個(gè)非球面，分別位于第2片透鏡的前表面和第2片透鏡的后表面，第1片和第3片透鏡的材料為SI，比較堅(jiān)硬，不適合在這兩片透鏡上車削非球面和二元光學(xué)面，第2片透鏡材料為GE，適合制作非球面和二元光學(xué)面，第2片透鏡的入射角度較大，光學(xué)像差相對(duì)更大，使用非球面和二元光學(xué)面可以很好的校正這些像差。系統(tǒng)中的二元光學(xué)面衍射級(jí)次為+1級(jí)，其衍射效率為95%，可以滿足成像系統(tǒng)需求。

圖1 成像光路

圖2表示二元光學(xué)面的位相，周期和徑向距離的關(guān)系，由圖2可知該二元光學(xué)面的最大線頻率為0.63 periods/mm,對(duì)應(yīng)最小周期線寬為1.59 mm，當(dāng)臺(tái)階數(shù)為8時(shí)，其最小特征尺寸為198.75 μm，完全可以用金剛石車削工藝加工這樣尺寸的二元光學(xué)面。

圖2 二元面的位相及周期同徑向距離關(guān)系

3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

圖3給出了設(shè)計(jì)的超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃的MTF曲線，最上面的黑實(shí)線為衍射極限線，其他線為子午光線和弧矢光線的MTF曲線。由圖3可知，在奈奎斯特頻率16 lp/mm處，-60 ℃～120 ℃溫度范圍內(nèi)，所有視場(chǎng)的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.6，系統(tǒng)取得了良好的消熱差成像性能。

圖4給出了設(shè)計(jì)的超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)-60 ℃～120 ℃的點(diǎn)列圖，由圖4可知，-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃下所有視場(chǎng)彌散斑的最大均方根半徑分別為11.78 μm，15.04 μm，14.98 μm，16.45 μm，均方根半徑都在探測(cè)器的一個(gè)像元內(nèi)，可以滿足使用要求。

圖5給出了設(shè)計(jì)的超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)-60℃，20℃，80℃，120℃的的場(chǎng)曲和畸變曲線，由圖可知，超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)-60 ℃～120 ℃下畸變的絕對(duì)值最大為0.58%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 MTF曲線

圖4 點(diǎn)列圖

圖5 場(chǎng)曲和畸變曲線

3 結(jié)論

針對(duì)像元數(shù)為320×256，像元大小為30 μm×30 μm的制冷型紅外焦平面探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一種可超寬溫中波紅外熱像儀消熱差成像系統(tǒng)，系統(tǒng)工作在中波紅外波段3.7～4.8 μm，全視場(chǎng)為12.75°，利用被動(dòng)式光學(xué)補(bǔ)償方法，通過(guò)光機(jī)材料匹配和使用二元光學(xué)面，使得系統(tǒng)取得了較好的消熱差成像性能。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在-60 ℃～120 ℃溫度，該紅外熱成像系統(tǒng)在奈奎斯特頻率16 lp/mm處，遠(yuǎn)距離工作模式下所有視場(chǎng)的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.45，所有視場(chǎng)的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.6；-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃下所有視場(chǎng)彌散斑的最大均方根半徑分別為11.78 μm，15.04 μm，14.98 μm，16.45 μm，均方根半徑都小于探測(cè)器的一個(gè)像元30 μm×30 μm；-60 ℃～120 ℃下畸變的絕對(duì)值最大為0.58%；紅外熱成像系統(tǒng)取得了良好的消熱差成像性能，可用于武警官兵火災(zāi)消防救援，森林防火，夜間偵查，邊防監(jiān)控等工作。