基于MTF的红外镜头无热化性能评估方法研究

李英，于锦江，，朱绍纯，丁铂

（1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.上海航天控制技术研究所，上海 201101；3.南京英田光学，南京 210046）

基于MTF的红外镜头无热化性能评估方法研究

李英1，于锦江1，2，朱绍纯2，丁铂3

（1.长春理工大学光电工程学院，长春 130022；2.上海航天控制技术研究所，上海 201101；3.南京英田光学，南京 210046）

红外镜头因受温度影响较大，需进行无热化设计，而目前国内外针对红外镜头的无热化评估方法的研究并不多。提出在现有传递函数仪的基础上，采用光学检测的方法对红外镜头在不同温度下的MTF值进行检测，得到其不同温度下焦点位置偏移量。针对其关键的中继镜头的设计，分析了三种可能的设计方法，最终选定了最可行的设计方案。通过对某一标准镜头的测试也验证了方案的可行性。

红外镜头；无热化评估；MTF

随着红外光学技术的快速发展，红外镜头越来越多的应用在民用、工业、军事等领域，但红外镜头相对于可见光对温度的适应性很低，易受温度影响使镜头的成像质量变差，图像模糊不清。近几十年来国际上都在大力研究红外镜头的无热化方法，并且取得了研究成果，但是对于红外镜头的无热化检测方法的研究还非常少，目前，对于无热化性能评估的定量分析方法在国内，甚至是国外都尚属空白。本文提出一种在现有传递函数仪的基础上，采用光学检测的方法对红外镜头在不同温度下的MTF值进行检测，通过对不同温度下得到的MTF值进行分析，对红外镜头的无热化效果给量化的结果的研究方法［1-2］。

1 无热化检测技术分析

无热化检测技术是用来检测镜头无热化质量的，需要无热化技术与光电检测技术相结合的。随着红外技术的不断发展，无热化检测技术将逐渐成为一种重要的红外计量技术。［3-4］

目前主要的无热化检测技术分为两种，一种是将被测红外热像仪整体放入高低温箱内，热像仪通过高低温箱上的窗口观测高低温箱外的目标源，改变高低温箱内的温度，再通过认真观察热像仪输出图像的清晰度来判断热像仪的无热化性能。另一种是只检测镜头在高低温环境下的离焦量变化，通过离焦量变化判断镜头的无热化性能。

第一种方法，在测试时难免会加入人为主观因素，只能定性的检测而不能定量的检测热像仪的无热化性能。第二种方法只能检测镜头的离焦量［5］，虽然镜头的离焦量是镜头热像差的主要来源之一，但是热像差中还包括镜头在不同温度下各种像差的改变量。离焦量检测无法检测像差，因此这种检测方法是不全面的。本文通过在现有的MTF测试仪的基础上分析红外镜头无热化性能评估的方法，使普通的MTF测试仪可以测试红外高低温镜头下的MTF，从而定量的评价红外镜头的无热化性能，

2 基于MTF测试的无热化性能评估原理

红外镜头无热化性能评估采用相对测量方法。首先利用传函仪直接测量被测镜头的MTF值，然后改变被测镜头的环境温度测出此时的MTF值，这时的MTF测量值与常温下测得的差值即反映了镜头无热化性能的好坏［6-7］。

在进行无热化性能评估时，被测镜头需要放置在高低温环境实验箱中，而传函仪的探测器需制冷处理，无法放置在试验箱中，因此需要利用一组中继镜头将被测镜头的像面引出高低温环境试验箱。

其评估原理为：被测光学镜头安装于高低温箱内与中继镜头连接，由点光源和平行光管为其产生无穷远目标，平行光经被测光学镜头后汇聚到像面处，由中继镜头将像面引出高低温箱，通过传函仪检测像面，得到MTF值再加上测试系统的补偿量得到被测镜头的MTF值［8-9］。

图1 评估系统原理图

3 基于MTF测试的无热化性能评估方法实现

由于传函仪的探测器不适合工作在高低温环境中。因此，采用中继镜头将高低温箱中被测镜头像面引出高低温箱，再通过传函仪测试MTF值。

中继镜头的设计有三种方案：（1）中继镜头完全处于高低温箱中；（2）中继镜头完全处于高低温箱外；（3）中继镜头只有一部分处于高低温箱内。

（1）中继镜头完全处于高低温箱中

当中继镜头完全处于高低温箱内部时，中继镜头必须进行完全的无热化设计，设计难度较大。由于中继镜头体积较大，当高低温箱改变环境温度时，中继镜头达到温度稳定的时间较长。中继镜头尺寸较大需要内部空间大的高低温箱，高低温箱尺寸加大不利于传函仪的改造。中继镜头完全安装在高低温箱内部时，需要中继镜头的后截距较长，同时中继镜头的物方孔径角较大，增大后截距时也会极大的增加整个镜头的直径，增加镜头的体积和重量，从而高低温箱的尺寸也将增加，不利于整体设计。

（2）中继镜头完全处于高低温箱外

中继镜头完全处于高低温箱外时，中继镜头的体积将不再是主要设计的矛盾。由红外镜头的无热化设计原理可知，镜头与探测器的链接材料和链接结构对镜头整体的无热化性能影响非常严重。镜头与探测器链接处是无热化设计的主要矛盾。镜头在实际使用时，该处结构件随温度变化对成像质量影响严重。因此，做镜头无热化性能评价时，该处材料也要纳入无热化评价，这样才能反应镜头的真实的无热化性能。

从上述特点可知，被测镜头与中继镜头间的链接结构必须能够模拟镜头真实使用状态。如图2所示，当被测镜头安装在高低温箱内部，中继镜头与实验平台链接，被测镜头与高低温箱链接，被测镜头与中继镜头间通过高低温箱、实验平台和镜筒等环节链接。其中的不可知因素太多，不能进行定量研究。

图2 被测镜头与中继镜头连接示意图

如图3所示，当被测镜头安装在高低温箱内部，中继镜头通过加长的镜筒结构探入高低温箱内部直接与被测镜头链接时，链接结构件一部分处于高低温环境，另一部分处于常温环境，这段链接结构件的热膨胀也是不可知的。因此，这种结构形式也不适合进行定量分析研究。

图3 被测镜头与中继镜头连接示意图

（3）中继镜头只有一部分处于高低温箱内

综合上述两种方法的特点，将中继镜头设计成两部分，分别为前组和后组。如图4所示，前组安装在高低温箱内部，直接与被测镜头链接，解决被测镜头与探测器链接结构件无热化测试问题。后组安装在高低温箱外部，可以方便的与传函仪对接。前组与后组间采用径向刚性定位轴向游动的结构连接。

图4 镜头连接示意图

4 测试结果与分析

在MTF基础上建立的无热化性能评估方法的主要功能是在高低温环境下完成红外镜头的MTF测试，根据不同温度下的MTF曲线的偏差得到无热化性能好坏的定量结果。为验证系统的可行性、有效性，制作了某通过无热化设计的红外镜头，保持传函仪光源不变，在不同温度下，传函仪自动找到像面，并得到不同的MTF曲线，当分辨率采用20lp/ mm时，其测试图如图5所示：

图5 某镜头MTF测试结果图

试验证明，在只改变环境温度的情况下，通过无热化设计的红外镜头在不同温度下具有不同的MTF曲线，曲线1为镜头的衍射极限，曲线组3为镜头在温度为0℃、22℃、35℃、55℃、70℃时轴上的MTF，从测试结果可知，在70℃范围内其MTF偏差为0.1，其偏差反应了该红外镜头无热化设计的好坏。曲线4是在-30℃、-40℃时的测试结果，由于此时窗口有结霜，影响了其测试结果。

5 结论

通过在现有的MTF测试仪的基础上增加中波红外镜头无热化测试组件，使普通的MTF测试仪可以测试红外镜头高低温环境下的MTF，从而定量的评价红外镜头的无热化性能。中波红外镜头高低温MTF测试仪的研究可以极大的促进红外无热化技术的进步，对红外产业有很大的推进作用。通过对某红外镜头的测试，当温度变化70度时，镜头的MTF值偏差不超出0.1，证明了系统的可测试性。

［1］张运强.红外光学系统无热化效果评估系统设计［J］.航空武器技术专辑，2011（3）：55-57.

［2］左保军.基于图像处理的光学无热化设计效果检测系统［J］.红外与激光工程，2012，41（6）：1600-1604.

［3］于芳苏.长波红外光学系统无热化检测仪的光学系统设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［4］叶春芳.光学系统MTF快速测量仪的研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［5］王佩斯.红外光学系统像面装调与检测方法的研究［D］.长春：长春理工大学，2012.

［6］于谦.光学检查镜头的MTF测试方法研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

［7］戴其燕.MTF评估方法研究及性能分析［D］.南京：南京理工大学，2006.

［8］徐良卿.红外导引系统高低温跟踪性能测试技术［J］.计算机测量与控制，2012，20（6）：1587-1592.

［9］范哲源.无热化检测仪的中短波光学系统设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

Research on Performance Evaluation Method of the Infrared Lens Based on MTF

LI Ying1，YU Jinjiang1，2，ZHU Shaochun2，DING Bo3
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science technology，Changchun 130022；2.Shanghai Institute of Aerospace Control Technology，Shanghai 201101；3.Najin INTANE Optics，Nanjing 210046）

Because Infrared lens are greatly influenced by temperature，the athermal design is necessary.But the assessment of athermal compensation are rare.This paper proposed an method for assessment of athermal compensation which adapt the Optical detection method based on the exiting equipment of the MTF measurement.By changing the ambient temperature，we can get the difference MTF.As for the design of relay lens，we selected the most feasible design scheme after analyzing the three possible design scheme.At last，the performance of the standard lens were tested and the feasibility of the project was proved through experiment.

infrared lens；assessment of athermal compensation；MTF

TN216

A

1672-9870（2016）06-0020-03

2016-08-12

吉林省重点科技攻关项目（20140204067GX）；长春理工大学青年基金（XQNJJ-2013-04）

李英（1979-），女，副教授，E-mail：342305984@qq.com