高温电视摄像镜头设计

王忠义

摘要：对于高温环境下的电视摄像镜头，由于其工作环境较特殊，所以，需要充分考虑其材料的选择、光学参数的确定等问题。本文在分析光学参数的基础上，采用了三次成像的方法来实现高温电视摄像镜头的设计要求，并给出了具体的设计思想以及设计结果，证明该系统能够在较宽的温度范围内获得较好的成像质量。

关键字：高温；电视摄像镜头；设计

引言

高温电视摄像镜头实际就是用来监测高温加热炉内具体燃烧情况的一种光学设备，其主要作用就是对炉体内燃料的燃烧情况进行实时监测，相关工作人员再依据监测的结果，及时调整相关数据，从而有效提高燃烧效率。下面我们将结合实际需要，针对较常用的高温加热炉的具体尺寸和要求，对高温摄像镜头的光学系统进行研究。

1光学参数分析

1.1视场角

如下圖1所示，炉膛用长方体ABCD-EFGH表示，长方体炉膛顶边AD的中心O点是摄像镜头的位置，现在要求摄像镜头同时可以观察到长方体炉膛内底面每一个点燃料的燃烧情况。现在给出的炉膛的尺寸为AB=24m，BC=24m，CG=27m。通过计算，可以得出光学系统的全视场角为2ω=60°，而光轴的指向则为图1中OT方向，光轴指向偏离地面中心P大约3.2m，可以保证光学系统观测到底面EFGH上每一点。

1.2焦距

根据实际要求及相关分析可以确定系统的焦距。该项目使用CCD的像元大小为10μm，要求需要达到40mm左右的像元分辨率。给一定余量后，系统的焦距可以定为8mm，能够满足空间分辨率的要求。该系统的焦距比较短，因此物距要远远大于焦距，所以在设计光学系统时，我们可以按照无限远成像进行处理。

1.3相对孔径

光学系统的观察目标是炉内燃料燃烧的火焰，其亮度很大，因此不需要太大的相对孔径。为使光学系统对不同燃烧时期都有较好的观察效果，系统设置可变光阑，把相对孔径控制在1/20～1/4之间。

1.4高温环境

通常情况下，高温炉内温度范围大约是1000℃～1600℃，所以摄像探头需要在高于1000℃的环境进行长时间的工作。但是，通常光学玻璃最大的承受温度在400℃～690℃之间，因此镜头在1000℃高温环境下就会转变为液体，根本无法进行成像。目前采用的办法是加入冷却系统。冷却系统正常工作时，光学系统的工作温度可以保证在60℃以下。即要求光学系统在60℃的环境温度下，仍然有高的成像质量。当此高温电视系统在高温环境下长时间工作后，冷却系统的效率会下降，因此，仪器的工作寿命主要由冷却系统决定。为了增长高温摄像系统的寿命，减少系统维修的次数，用户通常会希望光学系统在温度更高的环境下（例如200℃）依旧能够很好地成像，这些要求在一定程度上限制了光学系统中玻璃的选择，给设计增加了难度。

1.5结构长度

高温电视镜头对结构长度的要求比较高。为了有效减小CCD噪声，提升整个系统的信噪比，CCD需要放在炉外室温区内，所以，要求光学长度大于600mm，这也加大了设计难度。

2设计思想

在这样场合下使用的摄像镜头，按照上面所提出的要求，该光学系统的焦距仅仅只有8mm。一般的光学系统总长度与光学系统的焦距相差不大，而现在要求系统的结构长度需要大于700mm，因此，在设计光学系统时，我们首先需要解决的就是怎样拉大轴向尺寸的问题。要实现结构长度为光学焦距长度的100倍左右，采用普通的单次成像方法显然是无法满足要求的，必须采用二次或二次以上成像的方法。即该光学系统由前组以及中继组两部分组成，前组光学系统决定了系统的视场角，而中继组光学系统决定延长光路。中继透镜组的放大倍率既可以大于1，也可以小于1。

该系统设计过程中还有另外一个难点，就是在拉长结构的同时，还要确保镜筒的口径不能过大。而光学系统的视场角又比较大，因此采用一级中继是无法同时满足这两点要求的，必须采用二级或二级以上的中继。图2是光学系统的结构示意图。Ⅰ是系统的孔径光阑，Ⅱ是前组高温区镜头，Ⅲ是第一中继组，Ⅳ是第二中继组，Ⅴ是焦平面探测器。将孔径光阑前置是为了高温对光学玻璃的影响，能够最大程度地降低光学玻璃所处位置的温度。

在进行设计时，首先Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ各组需要单独校正像差。因为玻璃材料会限制Ⅱ组的镜头，所以单独校正像差时会比较困难。系统合成时首先要考虑光学系统光瞳的匹配，其次才是系统的整体像差匹配。只有靠各部分像差合理匹配，才能使整个光学系统有较好的成像质量。

3设计结果

设计结果的光学系统示意图如下图3所示，Ⅰ是系统的孔径光阑，Ⅱ是前组广角针孔镜头，Ⅲ是第一中继组，Ⅳ是第二中继组，Ⅴ是焦平面探测器。该系统的设计结果：焦距为8mm，视场角为60°，相对孔径为1：4，系统结构总长800mm。

为了有效降低冷却系统的设计难度，也为了系统的安全性，摄像头进入高温炉内的部分用的都是具有较高转变温度的光学玻璃材料。实际设计时4块光学玻璃都选用了ZK6材料，其转变温度为668℃，折射率温度系数和线膨胀系数都比较合适。镜头III前两块玻璃分别选用了ZK6、ZbaF3及ZbaF3，玻璃的转变温度为628℃。由于其余玻璃距离高温区较远，所以转变温度不用很高，选择玻璃时主要考虑像差的匹配。

4设计结果的高温特性

对于光学系统来讲，随着工作温度的改变，各光学面的半径、玻璃折射率都会变化，这些都可能造成光学系统像差的改变，从而对系统的成像质量造成影响，所以光学系统在玻璃选择时，要兼顾玻璃的折射率温度系数、转变温度、线膨胀系数等玻璃的热学性能。对于任何一个光学系统，在不进行调焦的情况下，几乎都无法保证200℃温度范围内光学系统有非常好的成像质量。为了扩大光学系统适应温度的范围，需要光学与结构材料相匹配。

结束语

综上，本文设计的高温电视摄像镜头，在保持系统各单元孔径都很小的基础上，拉长了系统的结构长度；前组高温区镜头所有镜片都采用转变温度很高的材料，保证了光学玻璃在高温下的承受能力。设计结果在较大的温度变化范围内都有较好的成像效果。

参考文献：

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