紅外鏡頭無熱化性能評估系統研究

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，需進行無熱化設計，而國內對于無熱化效果的評估研究并不多。文章將光電檢測技術與無熱化技術相結合，提出了一種在現有MTF傳函儀的基礎上增加紅外鏡頭無熱化測試組件，來測試紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值，通過對得到的不同MTF值進行定量分析，實現對紅外鏡頭無熱化效果的評估。針對其關鍵的中繼鏡頭分析了三種可能的設計方法，最終選定了最可行的設計方案。系統分析合理，可行性高。

關鍵詞：紅外鏡頭；無熱化評估；MTF

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0007-02

1 概述

隨著紅外光學技術的快速發展，紅外鏡頭越來越多地應用在民用、工業、軍事等領域。由于溫度的變化會對紅外鏡頭的光學元件的面型，光學元件的折射率，透鏡的焦移等產生影響，導致鏡頭的成像質量變差，圖像模糊不清和對比度下降。因此紅外鏡頭的設計過程中進行無熱化設計是必不可少的環節之一。近幾十年來國際上都在大力研究紅外鏡頭的無熱化方法，但是對于紅外鏡頭的無熱化檢測方法的研究還非常少，無熱化評估作為一種評價鏡頭好壞的條件是非常重要的。本文提出了利用現有的傳函儀，設計一組中繼鏡頭，使普通的MTF測試儀可以測試紅外高低溫鏡頭下的MTF，重點分析了三種中繼鏡頭的設計方案，最終得到有效可行的設計方案[1][2]。

2 無熱化檢測技術

無熱化檢測技術是用來檢測紅外鏡頭的無熱化設計的質量的，目前大多數的無熱化檢測方法是主觀判斷圖像質量。光學傳遞函數被認為是光學鏡頭成像質量評價的有效、客觀、全面的一種檢測方法，因為光學傳遞函數不僅與光學系統的像差，還與光學系統的衍射效果有關，同時，它還是一種定量，易做到數字化和快速測量的方法。本文提出的無熱化檢測方法是通過無熱化技術與光電檢測技術相結合來實現檢測目的的，隨著紅外技術的不斷發展，無熱化檢測技術將逐漸成為一種用于評價紅外鏡頭無熱化效果好壞的重要紅外計量技術[3][4]。

目前主要的無熱化檢測技術分為兩種，一種是將被測的紅外熱成像儀整體放入高低溫箱內部，通過高低溫箱的窗口觀察處在高低溫箱外部的目標源，改變高低溫實驗箱內的溫度熱像儀會輸出一系列的圖像，根據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。由于這種方法在測試時難免會加入人為的主觀因素，因此只能定性的檢測而不能定量的檢測無熱化性能。另一種是只檢測鏡頭在高低溫環境下的離焦量變化，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。但是離焦量檢測不能檢測像差，因此這種方法是不全面的[5]。

根據上面的論述，我們提出了一種通過在現有的MTF測試儀的基礎上分析紅外鏡頭無熱化性能評估的方法，使普通的MTF測試儀可以測試紅外高低溫鏡頭下的MTF，從而定量地評價紅外鏡頭的無熱化性能。

3 基于MTF測試的無熱化性能評估原理

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

其評估原理為：被測光學鏡頭安裝于高低溫箱內與中繼鏡頭聯接，由點光源和平行光管為系統產生一個無窮遠目標，平行光經被測鏡頭后成像到像面處，再利用中繼鏡頭對象進行放大并將像面引出高低溫箱，通過傳函儀檢測像面，得到的MTF值，來判斷被測鏡頭的無熱化性能。由于測試系統存在一定的誤差，為了使最后的測量結果更加準確，應再加上測試系統的補償量最終得到被測鏡頭的MTF值[8][9]。其中，平行光管的作用是產生一束平行光，與點光源形成無窮遠目標。

4 基于MTF測試的無熱化性能評估方法實現

由于傳函儀的探測器一般需要制冷處理，不適合在高低溫環境中工作，為了保證探測器的精度時期能夠正常工作，需要利用中繼鏡頭將像面引出高低溫箱。所以系統要實現無熱化性能評估的目的最主要的是中繼鏡頭的設計，在設計的過程中主要考慮的參數有中繼鏡頭的尺寸，與整個系統的鏈接方式，對整個系統精確度所造成的影響等問題[10]。中繼鏡頭的設計方案有三種，這三種方案中的中繼鏡頭都必須進行完全的無熱化設計。

4.1 將中繼鏡頭完全放置在高低溫試驗性內部

由于中繼鏡頭得到溫度穩定的時間較長，當溫度變化時，需要等待較長的時間中繼鏡頭才能達到穩定的狀態，增加了整個實驗所需要的時間。同時在設計過程中中繼鏡頭的后截距較長，物方孔徑角較大，當將中繼鏡頭整體放進高低溫箱內部時，增大后截距時也會極大的增加整個鏡頭的直徑，體積和重量，導致高低溫箱的尺寸也將增加，不利于整體設計。如圖2所示，此時的中繼鏡頭與實驗平臺鏈接，被測鏡頭與中繼鏡頭間通過高低溫箱、實驗平臺和鏡筒等環節鏈接。由于中繼鏡頭和被測鏡頭都處在高低溫箱內部鏈接，二者之間的鏈接材料也會受到溫度的影響。因此在設計過程中需要考慮材料的選擇以及成本問題，給實驗帶來了困難。

4.2 將中繼鏡頭完全放置在高低溫試驗箱外部

如圖3，中繼鏡頭的鏈接方式是通過加長的鏡筒結構探入到高低溫箱內部直接與被測鏡頭鏈接。其中，鏈接結構件一部分處于高低溫環境，另一部分處于常溫環境。此時，設計的主要矛盾在于鏡頭與探測器鏈接處對整體的無熱化性能評估的影響。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℃時的線性熱膨脹系數。表2是隨溫度變化常用的鏈接材料的線性熱膨脹系數的取值范圍，從表2看出，材料的先熱膨脹系數會隨溫度的變化而發生改變。當鏡頭在使用時，鏈接處的材料會因溫度的改變而產生形變導致系統的光路等產生偏差，產生像差，同時鏈接處的材料對最終的無熱化評估結果也有影響，因此需要對該處的材料進行無熱化評價，增加了實驗的工作量。鏡頭與探測器處的鏈接結構的熱膨脹也是不可知的。由于線性熱膨脹系數隨著溫度的改變而發生變化，因此，這種結構設計為系統的定量分析帶來了困難。

4.3 將中繼鏡頭設計為前組和后組兩個部分，前組放置在高低溫試驗箱內部，后組放置在高低溫試驗箱外部

通過對上面兩種方法的分析，提出了設計方案三，如圖4所示。在克服了上述兩種方案存在的問題同時，中繼鏡頭的前組還起到了對被測鏡頭所成的像的放大作用。中繼鏡頭前后組之間的鏈接結構為徑向剛性定位軸游動結構便于對整個系統進行調整。鏡頭前后組光學系統采用平行光連接避免了由于前后組光學系統間的相對位置誤差對成像質量的影響。

對于設計波段在中紅外波段，在設計的時候中繼鏡頭采用“硅-鍺-硅-鍺”的無熱化設計結構，因為硅和鍺二者的光學性能也特別好，易加工，其中鍺還具有耐熱性，導熱性能都很好，折射率反射率高等優點，避免了由中繼鏡頭引起的無熱化誤差。同時，中繼鏡頭采用對稱式的結構設計，起到了消像差的作用。

5 結束語

隨著紅外鏡頭的廣泛應用，對其進行無熱化設計的評估來檢測紅外鏡頭的優劣也受到了學者的廣泛關注。本文提出了在現有的MTF測試儀的基礎上增加中波紅外鏡頭無熱化測試組件，使普通的MTF測試儀可以測試紅外鏡頭高低溫環境下的MTF。通過上述分析，選擇中繼鏡頭的設計方案三，將中繼鏡頭分為前組和后組，在實驗過程中，將中繼鏡頭前組置于高低溫箱內部，將后組放置于高低溫箱外部，最終證明本文所提出的設計方案是可行的。

參考文獻：

[1]張運強.紅外光學系統無熱化效果評估系統設計[J].航空武器技術專輯，2011，3：55-57.

[2]李英.基于MTF的紅外鏡頭無熱化性能評估方法研究[J].長春理工大學學報，2016，12（6）.

[3]戴其燕.MTF評估方法研究及性能分析[M].南京：南京理工大學.

[4]左保軍.基于圖像處理的光學無熱化設計效果檢測系統[J].紅外與激光工程，2012（6）.

[5]于芳蘇.長波紅外光學系統無熱化檢測儀的光學系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[6]王佩斯.紅外光學系統像面裝調與檢測方法的研究[D].長春：長春理工大學，2012.

[7]于謙.光學檢查鏡頭的MTF測試方法研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[8]徐良卿.紅外導引系統高低溫跟蹤性能測試技術[J].計算機測量與控制，2012，20（6）.

[9]李華.中波紅外光學系統被動無熱化設計及測試[J].紅外與激光工程，2009，8（4）.

[10]范哲源.無熱化檢測儀的中短波光學系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.