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光学镜头——紫外成像技术

2020-09-25

 引言

      随着数码相机、智能手机、安防监控等镜头应用的趋于成熟,车载成像、红外热成像等新兴领域,将成为光学镜头产业增长的新力量。人工智能、物联网等前沿技术的逐步落地,正将光学镜头应用至国民经济更广阔的领域,光学镜头将成为未来信息化世界的眼睛。不管哪一种类的镜头,其基本用途都是收集物体所散射或发射的光线,并在图像传感器上重现物体的图像。不同波长光线的折射率不同,同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点,导致产生色差;波长跨度越大,色差也越明显。在进行光学系统设计时要针对不同的波长范围,因此光学成像镜头按其应用的波长可分为紫外成像镜头、可见光成像镜头和红外成像镜头等。前两期我们说了红外镜头,这期我们来谈谈应用波长更短的紫外成像镜头。

 

一、紫外线
       本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁波;电磁波从低频率到高频率,包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X-射线和伽马射线等。光也是一种电磁波,紫外线通常是指波长在100—400nm之间的电磁波,相对于人眼不可见。
       对于波长在190—285nm范围内的太阳光紫外线,在穿过大气层的过程中,几乎完全被地球的臭氧层所吸收;而且即使在臭氧层以下的大气里,其它组份的散射作用以及地表臭氧,也对其有吸收作用,即这个波段的紫外线在地表的背景辐射几乎为零,这就使得地表附近形成了一个天然“暗室”——这里几乎完全探测不到自然产生的该波段紫外线,也称为“日盲”紫外线。地球上如果出现日盲紫外线,通常只有三种情况:一是自然异常气象,例如强闪电之类;二是非自然的危险信号,例如枪支开火、火药爆炸、火灾和高压输电线漏电产生的电晕等;三是人为制造的日盲紫外光源。这意味着,如果在“暗室”中测到日盲紫外信号,就意味着特定事件的发生。
 
二、紫外成像
       在日盲紫外光谱区,背景噪音极低, 日全盲紫外成像技术同红外探测技术和可见光探测术相比,具有以下优点:
1) 全天时、全天候:白天检测完全跟不受强烈太阳光影响,也不受环境变化(雾、霾及昼夜变化)及其它高温干扰源的影响;
2) 直观、无需图像处理:日全盲紫外图像无背景干扰,成像直观,不需要进行复杂的图像处理,如导弹来袭,根本无需复杂的图像处理,“发现即目标”;
3) 精度高:抗干扰能力强,适用于各种复杂环境(夜间、恶劣气候、电磁干扰等),能实现厘米级的高精度定位;
4) 灵敏度高:含成像的响应时间达到10ms级;
5) 监测范围广:能够在数公里外进行实时检测,通过架设云台或直升机观察等方式,能够覆盖很大一片区域;
6) 结构简单:无需低温冷却、无需进行扫描,检测成像系统体积小、重量轻,功耗低。
日全盲紫外成像是以日盲技术为核心,在飞机破雾盲降、船舶破雾引航、导弹告警、天基预警、森林火情告警、电网安全监测、海上搜救、卫星导航以及刑事侦查等方面逐步广泛应用。电力系统和高铁系统,使用日全盲紫外成像技术,实现灵敏度高的电晕和电弧检测,以发现早期局部缺陷,提出预警;并能监控设备运行,避免设备带病运行,避免重大事故的发生。利用森林火情能够发出日盲紫外信号的原理,能够远距离实时监测森林火情,同时屏蔽其他高温物体干扰,解决现有红外与可见火情告警虚警率高的问题。
       除了能远距离成像,紫外成像还可以用于近距离刑侦拍照,主要是搜索潜在指纹、脚印,隐藏血印、纤维等物证等,即利用紫外成像拍摄某些潜在的、反差微弱的或受背景干扰的手印痕迹,适用于拍照玻璃、塑料、搪瓷、油漆、照片和胶带粘滞层等物体表面上遗留的手印。玻璃因强烈吸收254nm短波紫外线呈黑色,汗液指纹则因有50%的反射率而呈白色,黑白色的反差很大,因此紫外成像能将细微特征表现的非常清晰。
 
三、紫外成像镜头
       虽然只要紫外光足够强,曝光时间足够长,一般的可见光镜头也可以透过紫外线,但一般的光学玻璃在紫外区域有天然的吸收带,因此专业的紫外成像镜头必须使用特殊的紫外光学材料(紫外玻璃或晶体)来制造透镜,紫外光学系统也需要进行色差校正以保证系统具有良好的性能,但由于可选择的紫外光学材料有限且色散系数差别较小,因此紫外光学系统的色差校正有一定的难度。有些紫外镜头会采用反射式光学系统设计方案,相比折射式光学系统能更好地进行色差校正。此外,白天与夜晚,天光背景辐射的可见光比值要远远大于紫外光,为了提高系统的信噪比,需要大相对孔径的紫外镜头;相对孔径大的镜头的像差校正需选择折射率高的光学材料,而紫外光学材料的折射率均较低(n<1.46),导致紫外透镜数量的增加或透镜厚度的增加,并因此降低了光学系统的透射比,部分抵消了大相对孔径获得的大通光量的效果。因此其光学透镜组一般具有以下特征:
1) 无镀膜或很少镀膜;
2) 无胶合镜片,即使有也是非荧光胶水;
3) 镜片数量越少越好。
紫外镜头作为红外镜头和可见光镜头的扩展,具有潜在广泛的应用前景及应用需求,将在紫外天文学、天际通信、火情监控、环境监测和军事预警等领域发挥越来越大的作用。

 

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