红外镜头无热化性能评估系统研究

武姝君+冯佳+贾克+施鲁星+陈广俊+李英

摘 要：红外镜头因受温度的影响较大，需进行无热化设计，而国内对于无热化效果的评估研究并不多。文章将光电检测技术与无热化技术相结合，提出了一种在现有MTF传函仪的基础上增加红外镜头无热化测试组件，来测试红外镜头在不同温度下的MTF值，通过对得到的不同MTF值进行定量分析，实现对红外镜头无热化效果的评估。针对其关键的中继镜头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。系统分析合理，可行性高。

关键词：红外镜头；无热化评估；MTF

中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0007-02

1 概述

随着红外光学技术的快速发展，红外镜头越来越多地应用在民用、工业、军事等领域。由于温度的变化会对红外镜头的光学元件的面型，光学元件的折射率，透镜的焦移等产生影响，导致镜头的成像质量变差，图像模糊不清和对比度下降。因此红外镜头的设计过程中进行无热化设计是必不可少的环节之一。近几十年来国际上都在大力研究红外镜头的无热化方法，但是对于红外镜头的无热化检测方法的研究还非常少，无热化评估作为一种评价镜头好坏的条件是非常重要的。本文提出了利用现有的传函仪，设计一组中继镜头，使普通的MTF测试仪可以测试红外高低温镜头下的MTF，重点分析了三种中继镜头的设计方案，最终得到有效可行的设计方案[1][2]。

2 无热化检测技术

无热化检测技术是用来检测红外镜头的无热化设计的质量的，目前大多数的无热化检测方法是主观判断图像质量。光学传递函数被认为是光学镜头成像质量评价的有效、客观、全面的一种检测方法，因为光学传递函数不仅与光学系统的像差，还与光学系统的衍射效果有关，同时，它还是一种定量，易做到数字化和快速测量的方法。本文提出的无热化检测方法是通过无热化技术与光电检测技术相结合来实现检测目的的，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用于评价红外镜头无热化效果好坏的重要红外计量技术[3][4]。

目前主要的无热化检测技术分为两种，一种是将被测的红外热成像仪整体放入高低温箱内部，通过高低温箱的窗口观察处在高低温箱外部的目标源，改变高低温实验箱内的温度热像仪会输出一系列的图像，根据热像仪输出图像的清晰度来判断红外热成像仪的无热化性能。由于这种方法在测试时难免会加入人为的主观因素，因此只能定性的檢测而不能定量的检测无热化性能。另一种是只检测镜头在高低温环境下的离焦量变化，而离焦量是镜头热相差的主要来源之一，所以，可以通过离焦量变化判断镜头的无热化性能。但是离焦量检测不能检测像差，因此这种方法是不全面的[5]。

根据上面的论述，我们提出了一种通过在现有的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，从而定量地评价红外镜头的无热化性能。

3 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，然后改变温度测出在不同的温度下被测镜头的MTF值，通过比较常温下测量值与实际测量值之间的差值，来判断镜头无热化性能的好坏[6][7]。

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联接，由点光源和平行光管为系统产生一个无穷远目标，平行光经被测镜头后成像到像面处，再利用中继镜头对象进行放大并将像面引出高低温箱，通过传函仪检测像面，得到的MTF值，来判断被测镜头的无热化性能。由于测试系统存在一定的误差，为了使最后的测量结果更加准确，应再加上测试系统的补偿量最终得到被测镜头的MTF值[8][9]。其中，平行光管的作用是产生一束平行光，与点光源形成无穷远目标。

4 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一般需要制冷处理，不适合在高低温环境中工作，为了保证探测器的精度时期能够正常工作，需要利用中继镜头将像面引出高低温箱。所以系统要实现无热化性能评估的目的最主要的是中继镜头的设计，在设计的过程中主要考虑的参数有中继镜头的尺寸，与整个系统的链接方式，对整个系统精确度所造成的影响等问题[10]。中继镜头的设计方案有三种，这三种方案中的中继镜头都必须进行完全的无热化设计。

4.1 将中继镜头完全放置在高低温试验性内部

由于中继镜头得到温度稳定的时间较长，当温度变化时，需要等待较长的时间中继镜头才能达到稳定的状态，增加了整个实验所需要的时间。同时在设计过程中中继镜头的后截距较长，物方孔径角较大，当将中继镜头整体放进高低温箱内部时，增大后截距时也会极大的增加整个镜头的直径，体积和重量，导致高低温箱的尺寸也将增加，不利于整体设计。如图2所示，此时的中继镜头与实验平台链接，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。由于中继镜头和被测镜头都处在高低温箱内部链接，二者之间的链接材料也会受到温度的影响。因此在设计过程中需要考虑材料的选择以及成本问题，给实验带来了困难。

4.2 将中继镜头完全放置在高低温试验箱外部

如图3，中继镜头的链接方式是通过加长的镜筒结构探入到高低温箱内部直接与被测镜头链接。其中，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。此时，设计的主要矛盾在于镜头与探测器链接处对整体的无热化性能评估的影响。常用的镜筒材料一般为金属，表1反映了常用镜筒材料在温度为20℃时的线性热膨胀系数。表2是随温度变化常用的链接材料的线性热膨胀系数的取值范围，从表2看出，材料的先热膨胀系数会随温度的变化而发生改变。当镜头在使用时，链接处的材料会因温度的改变而产生形变导致系统的光路等产生偏差，产生像差，同时链接处的材料对最终的无热化评估结果也有影响，因此需要对该处的材料进行无热化评价，增加了实验的工作量。镜头与探测器处的链接结构的热膨胀也是不可知的。由于线性热膨胀系数随着温度的改变而发生变化，因此，这种结构设计为系统的定量分析带来了困难。

4.3 将中继镜头设计为前组和后组两个部分，前组放置在高低温试验箱内部，后组放置在高低溫试验箱外部

通过对上面两种方法的分析，提出了设计方案三，如图4所示。在克服了上述两种方案存在的问题同时，中继镜头的前组还起到了对被测镜头所成的像的放大作用。中继镜头前后组之间的链接结构为径向刚性定位轴游动结构便于对整个系统进行调整。镜头前后组光学系统采用平行光连接避免了由于前后组光学系统间的相对位置误差对成像质量的影响。

对于设计波段在中红外波段，在设计的时候中继镜头采用“硅-锗-硅-锗”的无热化设计结构，因为硅和锗二者的光学性能也特别好，易加工，其中锗还具有耐热性，导热性能都很好，折射率反射率高等优点，避免了由中继镜头引起的无热化误差。同时，中继镜头采用对称式的结构设计，起到了消像差的作用。

5 结束语

随着红外镜头的广泛应用，对其进行无热化设计的评估来检测红外镜头的优劣也受到了学者的广泛关注。本文提出了在现有的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。通过上述分析，选择中继镜头的设计方案三，将中继镜头分为前组和后组，在实验过程中，将中继镜头前组置于高低温箱内部，将后组放置于高低温箱外部，最终证明本文所提出的设计方案是可行的。

参考文献：

[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]李英.基于MTF的红外镜头无热化性能评估方法研究[J].长春理工大学学报，2016，12（6）.

[3]戴其燕.MTF评估方法研究及性能分析[M].南京：南京理工大学.

[4]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（6）.

[5]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.

[6]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.

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

[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）.

[9]李华.中波红外光学系统被动无热化设计及测试[J].红外与激光工程，2009，8（4）.

[10]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.