超宽温中波红外热像仪消热差成像系统

赵志远

(武警工程大学 信息工程学院，西安 710086)

自然界中当物体的温度大于-273.16 ℃时，物体就存在热辐射，热辐射的同时会伴随着红外线的存在，物体是否辐射红外线和白天还是黑夜无关，只要温度大于-273.16 ℃就有红外辐射，人眼对于红外线是看不见的，必须来红外器件来接收，而红外热像仪可以把这些人眼不可见的热辐射转变为人眼可见的热像图。红外热像仪通过探测目标和背景的温度差别，生成红外热图像显示在显示屏上，该种方式为被动工作方式，由于工作时不用发光不需要光线，因此隐蔽性很好，不仅可以全天时获得清晰的目标图像，而且可以在雨、雾、烟、沙尘等的能见度很差的背景条件下工作，还可以探测到背景中伪装的目标，躲藏在树木草丛中的目标，获得火灾现场内部清晰的热图像，方便武警战士在火宅救援时更真实有效的判断火中的情况，以便采取更有效的救助方案。红外热像仪有着和白光摄像头独特的优势，因此红外热像仪广泛用于武警战士日常巡逻、周边环境监控、目标追踪、公共安防、夜间陆上和水上缉私、火灾消防救助、森林防火、侦查、禁毒、逃犯搜寻追捕等军事国防和民用工程领域[1-5]。

本文设计了一种超宽温中波红外热像仪消热差系统，工作波段为3.7～4.8 μm，中心波长为4.2 μm，焦距为55 mm，F数为2.0，匹配像元数320×256，像元大小30 μm×30 μm的制冷型红外焦平面探测器。设计结果表明：借助被动式光学补偿方法，通过光机材料匹配和使用二元光学面，使得系统在-60 ℃～120 ℃温度范围内取得了较好的消热差成像性能，可用于武警官兵冬天在低温环境下进行夜间侦查，边防监控工作，同时也可以在高温环境下准确清晰的获取被救人的图像，进而进行精准的火灾消防救援。

1 设计原理

二元光学[6-8]是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。

ZEMAX软件中对于二元光学面的相位分布函数定义为

φ(R)=A1R2+A2R4+A3R6+…

(1)

式中，R为归一化半径，A1为二次相位系数，用于消除成像系统的色差，A2、A3等为二元光学面的相位系数，用于校正成像系统的高级像差。

从二元光学面的相位分布函数表达式可知，除可实现传统光学元件的功能外，二元光学元件在校正成像系统色差和热像差方面有特殊的功效，二元光学元件和传统光学元件配合使用[9-10]，可以增加优化设计的自由度，在校正球差像散等像差的同时，还可有效校正色差和热像差，提高成像性能。

被动式光学补偿方法[11-12]是通过不同的线膨胀系数和折射率温度系数的光学材料和机械材料的匹配，通过合理分配光学透镜的光焦度，使得温度变化导致成像系统的像面漂移量在系统焦深范围内，该种方法具有性能稳定，不用供电，光学和机械元件不用移动就能实现消热差设计。

被动式光学补偿方法需要同时满足光焦度、消色差、消热差3个条件。

光焦度要求：

(2)

hi为近轴光线在第i个透镜上的入射高度，φi为第i个透镜的光焦度，φ为总光焦度。

消色差要求：

(3)

xi为第i个光学透镜的色散因子。

消色差要求：

(4)

基于二元光学元件特殊的温度特性和被动式光学补偿方法，结合二者的优势可使得系统实现在一定温度范围内实现消热差。

2 设计指标和设计结果

实例选用制冷型焦平面红外探测器，制冷型焦平面红外探测器的像元数为320×256，像元尺寸为30 μm×30 μm，系统的工作波长为3.7～4.8 μm，中心波长为4.2 μm，F数为2.0，全视场为12.75°，焦距为55 mm，工作温度范围为-60 ℃～120 ℃，要求16 lp/mm处MTF大于0.5，最大畸变的绝对值小于2%。

设计的超宽温中波红外热像仪消热差成像光路系统如图1所示，系统由3片透镜组成，采用GE和SI两种光学材料，其中两块SI透镜，一块GE透镜，3片透镜的光焦度分别为正、负、正。设计的超宽温中波红外热像仪消热差成像系统总长小于85.61 mm，冷屏到像面的距离为19.8 mm,成像系统的孔径光阑和制冷型红外探测器的冷光阑重合，满足100%冷光阑效率，系统由3片透镜组成包含6个光学表面，为了提高成像系统质量，在系统中使用了一个2元光学面和一个非球面，分别位于第2片透镜的前表面和第2片透镜的后表面，第1片和第3片透镜的材料为SI，比较坚硬，不适合在这两片透镜上车削非球面和二元光学面，第2片透镜材料为GE，适合制作非球面和二元光学面，第2片透镜的入射角度较大，光学像差相对更大，使用非球面和二元光学面可以很好的校正这些像差。系统中的二元光学面衍射级次为+1级，其衍射效率为95%，可以满足成像系统需求。

图1 成像光路

图2表示二元光学面的位相，周期和径向距离的关系，由图2可知该二元光学面的最大线频率为0.63 periods/mm,对应最小周期线宽为1.59 mm，当台阶数为8时，其最小特征尺寸为198.75 μm，完全可以用金刚石车削工艺加工这样尺寸的二元光学面。

图2 二元面的位相及周期同径向距离关系

3 像质评价

图3给出了设计的超宽温中波红外热像仪消热差成像系统-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃的MTF曲线，最上面的黑实线为衍射极限线，其他线为子午光线和弧矢光线的MTF曲线。由图3可知，在奈奎斯特频率16 lp/mm处，-60 ℃～120 ℃温度范围内，所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.6，系统取得了良好的消热差成像性能。

图4给出了设计的超宽温中波红外热像仪消热差成像系统-60 ℃～120 ℃的点列图，由图4可知，-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃下所有视场弥散斑的最大均方根半径分别为11.78 μm，15.04 μm，14.98 μm，16.45 μm，均方根半径都在探测器的一个像元内，可以满足使用要求。

图5给出了设计的超宽温中波红外热像仪消热差成像系统-60℃，20℃，80℃，120℃的的场曲和畸变曲线，由图可知，超宽温中波红外热像仪消热差成像系统-60 ℃～120 ℃下畸变的绝对值最大为0.58%，满足设计要求。

图3 MTF曲线

图4 点列图

图5 场曲和畸变曲线

3 结论

针对像元数为320×256，像元大小为30 μm×30 μm的制冷型红外焦平面探测器，设计了一种可超宽温中波红外热像仪消热差成像系统，系统工作在中波红外波段3.7～4.8 μm，全视场为12.75°，利用被动式光学补偿方法，通过光机材料匹配和使用二元光学面，使得系统取得了较好的消热差成像性能。设计结果表明，在-60 ℃～120 ℃温度，该红外热成像系统在奈奎斯特频率16 lp/mm处，远距离工作模式下所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.45，所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.6；-60 ℃，20 ℃，80 ℃，120 ℃下所有视场弥散斑的最大均方根半径分别为11.78 μm，15.04 μm，14.98 μm，16.45 μm，均方根半径都小于探测器的一个像元30 μm×30 μm；-60 ℃～120 ℃下畸变的绝对值最大为0.58%；红外热成像系统取得了良好的消热差成像性能，可用于武警官兵火灾消防救援，森林防火，夜间侦查，边防监控等工作。