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光学镜头—红外热成像镜头

2020-09-28

 引 言

      “黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它寻找光明”,诗人顾城如是说。光学人却说 “黑夜给了我黑色的镜头,我却用它寻找热量”;当置身于黑暗之中,最期望的是什么?当然是一双能看透黑暗的眼睛,而红外镜头就是这种能感知热量、看透黑暗的眼睛。

一、红外光

       光是一种电磁波,按频率从低到高分类,包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X-射线、伽马射线和无线电等。如下图所示,只有可见光谱区0.38-0.76um内的电磁波是人眼可见的,而红外光谱区0.76-1000um的电磁波是人眼不可见的。

        红外光的0.78-3.0um的部分称为反射红外;3.0-18um的部分称为发射红外或热红外,只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁波。世界上不存在温度等于或低于绝对零度的物体,因此在自然界中,一切物体都会不停发射热红外线。热红外线(或热辐射)作为自然界中存在最为广泛的辐射,具有两个重要特征:
1) 物体的热辐射能量的大小同物体表面温度相关,这使得人们可以利用它对物体进行无接触的温度测试和热状态分析,从而为工业生产、节约能源、保护环境等方面提供一个重要的检测首都和诊断工具。
2) 大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3-5um和8-14um的热红外线却是透明的。因此利用这两个窗口,使得人们在完全无光的夜晚或是在烟云密布的战场,也能清晰地观察前方的情况。

二、红外热成像技术

        红外热成像是被动式成像,使人眼不可见的表面温度分布变成人眼可见的代表物体表面温度分布的热图像。热图像与可见光图像不同,不是人眼可见的彩色图像,而是物体表面温度分布图像;不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力强弱不同,利用物体与背景环境的辐射差异以及物体本身各部分辐射差异,热红外图像能呈现物体各部分的辐射差异从而显示物体的特征。

        红外热像仪按工作温度可分为制冷型和非制冷型两种。
1) 制冷型:其探测器中集成一个低温制冷器,用于给探测器降温,为了使热噪声信号低于成像信号,成像质量更好。
2) 非制冷型:其探测器不需要低温制冷,通常是微测辐射热计,适合在接近室温的环境下工作。

三、红外热成像镜头

       红外热成像镜头也是一种光学镜头,通过透镜组汇聚物体发射的红外光到图像传感器(芯片)上,由芯片进行光电信号的转换,最后形成由物体本身与背景之间的热红外线差所组成的热红外图像。为了减少背景噪声信号的影响,F数越小越好;在极寒、极热,或是温差很大的情况下,红外透镜的曲率、厚度、折射率及镜筒的变化会导致镜头离焦,为保证成像清晰需要对镜头重新聚焦,需要电动或者手动调焦,为消除温度变化带来的不利影响,需要无热化设计,通常会采用不同的光学材料,进行光学补偿(温差),或者采用机械材料与光学材料变化趋势相反的设计,进行光机补偿。
       红外透镜中使用最多的是折射率为4 .0的锗晶体,它适用于2-25um波段;而折射率为3.0的硅晶体常用于1-6um波段。锗硅等红外晶体材料的原料有限且价格昂贵,因此在不少光学系统设计中通常会采用非球面或者衍射面来减少镜片数量同时兼顾优异的成像效果。随着商业红外应用的普及,如夜视、枪瞄、车载等,硫系玻璃也因原料成本低、加工效率高和温度稳定性好等特点适合于大批量加工生产。
       红外热成像镜头按波长应用窗口通常可分为中波红外热成像镜头(MWIR镜头)和长波红外热成像镜头(LWIR镜头)两大类。
1) MWIR镜头适用于物体温度较高的场景,其工作波长主要落在3.0-5.0um的中波红外,穿透烟雾与尘埃的能力很强,分辨率较高,成像质量优异;通常配合中波制冷型探测器使用,光栏置于镜头后方,因此镜头和相机体积庞大,但是探测距离很远,如焦距150mm、300mm的镜头,可以看到10 km-30 km的距离;同时具有隐蔽性好,能昼夜工作的特点,广泛应用于军事及测高温等领域。
2) LWIR镜头适用于物体温度较低的场景,其工作波长主要落在8.0-14um的长波红外,分辨率较低,但可以为提供高精度的温度测量;通常配合长波非制冷型探测器使用,其镜头设计是商业化主导的,成本较低、轻便小巧,维护方便,广泛应用于电力、化工、消防、医疗等领域。

 

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