趙志遠(yuǎn)

一種可以兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)

趙志遠(yuǎn)

（武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710086）

本文設(shè)計(jì)了一種可以兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)，給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，系統(tǒng)工作波段為8～12mm，中心波長為10mm，長焦距為150mm，短焦距為50 mm，F(xiàn)數(shù)為1.1，可匹配像元數(shù)為384×288、像元大小為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面探測器。系統(tǒng)通過變倍組的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，通過引入二元光學(xué)面和非球面減小成像系統(tǒng)體積，減輕重量，提高成像質(zhì)量，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該熱成像系統(tǒng)取得了良好的成像，可用于火災(zāi)消防救援、森林防火、夜間偵查、邊防監(jiān)控等工作。

光學(xué)設(shè)計(jì)；紅外成像系統(tǒng)；緊湊型；非制冷焦平面；二元光學(xué)

0 引言

紅外熱像儀通過探測目標(biāo)和背景的溫度差別，生成紅外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、沙塵等能見度很差的背景條件下工作，還可以探測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)場內(nèi)部清晰的熱圖像，方便火宅救援時(shí)更真實(shí)有效地判斷火中的情況，以便采取更有效的救助方案。紅外熱像儀廣泛用于武警部隊(duì)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防和民用工程領(lǐng)域[1-5]。

利用紅外熱像儀探測識(shí)別目標(biāo)時(shí)，希望可以兼顧遠(yuǎn)近距離，遠(yuǎn)距離（5km左右）時(shí)可以在大范圍下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索，近距離（1.6km左右）時(shí)可以在小范圍下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，兩個(gè)模式下都有清晰的圖像，在保證成像性能的同時(shí)需要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、功耗低、便于攜帶。和制冷型焦平面熱像儀相比，非制冷型焦平面熱像儀具有體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此武警部隊(duì)配備非制冷型焦平面熱像儀更合適。本文設(shè)計(jì)的可以兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)，工作波段為8～12mm，中心波長為10mm，長焦距為150mm，短焦距為50mm，F(xiàn)數(shù)為1.1，可匹配像元數(shù)為384×288、像元大小為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面探測器。系統(tǒng)通過變倍組的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，通過引入二元光學(xué)面和非球面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和輕量化，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該熱成像系統(tǒng)成像良好，可用于火災(zāi)消防救援、森林防火、夜間偵查、邊防監(jiān)控等工作。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 光學(xué)系統(tǒng)

兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由前固定組、變倍組和后固定組組成，前固定組承擔(dān)一部分光焦度，變倍組沿著光軸移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)焦距的切換，長焦距時(shí)可用作遠(yuǎn)距離下搜索目標(biāo)，短焦距時(shí)可用作近距離下跟蹤目標(biāo)，后固定組用于校正殘余的像差，并保證焦距切換時(shí)像面穩(wěn)定。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)原理示意圖

兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)的像差校正平衡方法要盡量降低高級(jí)像差，要平衡初級(jí)像差和高級(jí)像差，同時(shí)還有平衡軸上點(diǎn)像差和軸外點(diǎn)像差，兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)遠(yuǎn)近距離時(shí)的前固定組和變倍組產(chǎn)生的像差量相當(dāng)，后固定組校正剩余的像差維持像面的齊焦。

1.2 二元光學(xué)

二元光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個(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、易復(fù)制、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光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中對(duì)于二元光學(xué)面的相位分布函數(shù)定義為[6]：

()=12＋22＋32＋… (1)

式中：為歸一化半徑；1為二次相位系數(shù)，用于消除成像系統(tǒng)的色差；2、3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[7-8]，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)，還可以有效校正色差和熱像差，起到減小系統(tǒng)體積，減輕系統(tǒng)重量，提高成像性能，使得系統(tǒng)緊湊，使得兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)更加便攜式，輕小型化。

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

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)實(shí)例選用多晶硅非制冷焦平面紅外探測器，非制冷焦平面紅外探測器的像元數(shù)為384×288，像元尺寸為17mm×17mm，變倍比為3倍，兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)的主要光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)的兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由5片透鏡組成，前固定組為材料為Ge的單透鏡，前固定組的光焦度為正，為了減小電機(jī)的功耗，變倍組也采用單片透鏡，材料為Ge，變倍組的光焦度為負(fù)，后固定組由3塊透鏡組成，采用Ge和ZnSe兩種光學(xué)材料，其中兩塊為Ge透鏡，一塊為ZnSe透鏡，后固定組3塊透鏡的光焦度分別為負(fù)、正、正。設(shè)計(jì)的兼顧遠(yuǎn)近距離的緊湊型武警用紅外熱像儀成像系統(tǒng)總長小于240mm，變倍組從寬視場狀態(tài)切換到窄視場狀態(tài)時(shí)，變倍組沿光軸方向的移動(dòng)距離為40.52mm，為了提高成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，在系統(tǒng)中使用了一個(gè)二元光學(xué)面和一個(gè)非球面，分別位于前固定組的后表面和后固定組第二塊透鏡的前表面，溫度改變時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的成像性能下降，通過后固定組調(diào)焦可保證系統(tǒng)成像性能。

2.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

2.3.1 MTF

性能優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)的MTF，在奈奎斯特頻率處優(yōu)于0.3即可。圖3給出了系統(tǒng)的MTF曲線，其中(a)為遠(yuǎn)距離下的MTF曲線，(b)為近距離下的MTF曲線。由圖可知，在奈奎斯特頻率30lp/mm處，遠(yuǎn)距離工作模式下所有視場的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.45，近距離工作模式下所有視場的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.55。

性能優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，彌散斑的均方根半徑在探測器像元內(nèi)即可。圖4給出了系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，其中(a)為遠(yuǎn)距離下的點(diǎn)列圖，(b)為近距離下的點(diǎn)列圖，由圖可知，遠(yuǎn)距離工作模式下和近距離工作模式下所有視場彌散斑的最大均方根半徑分別為5.01mm和9.26mm，兩種工作模式下的均方根半徑基本都小于探測器的一個(gè)像元17mm×17mm，可以滿足使用要求。

2.3.2 畸變

性能優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)的畸變小于5%。圖5給出了系統(tǒng)的場曲和畸變曲線，其中(a)為遠(yuǎn)距離下的場曲和畸變曲線，(b)為近距離下的場曲和畸變曲線，右側(cè)為畸變曲線，由圖可知，遠(yuǎn)距離工作模式下畸變的絕對(duì)值最大為0.3%，近距離工作模式下畸變的絕對(duì)值最大為1.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 作用距離

作用距離是紅外熱像儀成像系統(tǒng)探測目標(biāo)的一個(gè)重要指標(biāo)，紅外熱像儀的作用距離與目標(biāo)尺寸、紅外熱像儀成像系統(tǒng)的焦距、紅外探測器的像元尺寸有關(guān)。

圖2 緊湊型紅外熱像儀成像系統(tǒng)遠(yuǎn)近距離時(shí)的成像光路圖

圖3 緊湊型紅外熱成像系統(tǒng)遠(yuǎn)近距離下的MTF曲線

圖4 緊湊型紅外熱成像系統(tǒng)遠(yuǎn)近距離下20℃時(shí)的點(diǎn)列圖

圖5 緊湊型紅外熱成像系統(tǒng)遠(yuǎn)近距離下的畸變

紅外熱像儀的作用距離計(jì)算公式為：

式中：為紅外熱像儀的作用距離；為紅外熱像儀成像系統(tǒng)的焦距；為目標(biāo)尺寸；為目標(biāo)在紅外探測器上占的尺寸大小。

假設(shè)待探測目標(biāo)為人，其目標(biāo)尺寸為1.7m，目標(biāo)在紅外探測器上占的像元個(gè)數(shù)為3個(gè)，則＝0.051mm，近距離工作模式下的焦距near=50mm，遠(yuǎn)距離工作模式下的焦距far＝150mm，可得紅外熱像儀近距離工作模式下的作用距離[9]為：

可得紅外熱像儀遠(yuǎn)距離工作模式下的作用距離為：

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可兼顧遠(yuǎn)近距離的武警用紅外熱像儀的緊湊光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作在長波紅外波段8～12mm，變倍比為3倍，通過變倍組的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變焦，通過引入二元光學(xué)面和非球面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和輕量化，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該紅外熱成像系統(tǒng)在奈奎斯特頻率30lp/mm處，遠(yuǎn)距離工作模式下所有視場的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.45，近距離工作模式下所有視場的子午MTF和弧矢MTF都優(yōu)于0.55，遠(yuǎn)距離工作模式下和近距離工作模式下所有視場彌散斑的最大均方根半徑分別為5.01mm，9.26mm，遠(yuǎn)距離工作模式下畸變最大為0.3%，近距離工作模式下畸變最大為1.4%，紅外熱成像系統(tǒng)取得了良好的成像，滿足設(shè)計(jì)要求，具有較好的探測距離，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。

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Optical System of Compact Thermal Imager for Near and Far Distances for Armed Police

ZHAO Zhiyuan

(,,710086,)

A compact thermal imaging system, operating over both near and far distances, for armed police is introduced. A design example is proposed. The working band is 8–12mm, the center wavelength is 10mm, the long focal length is 150mm, the short focal length is 50mm, and thenumber is 1.1. The system can match the performance of an uncooled focal plane infrared detector with a pixel number of 384′288 and a pixel size of 17mm′17mm. The system realizes zooming by the axial movement of the zoom group. By using binary optical surface and aspheric surface, the volume and mass of the imaging system are reduced, and the image quality is improved. The design results show that the thermal imaging system has appropriate image quality, which is suitable for fire rescue, fire prevention, night detection, and border monitoring.

optical design, infrared imaging system, compact, uncooled focal plane, binary optics

TN216

A

1001-8891(2020)12-1159-05

2018-12-08；

2019-06-09.

趙志遠(yuǎn)（1977-），通信裝備教研室教員，主要研究方向：信息通信裝備。E-mail：403391535@qq.com。