高温炉探测装置光学系统设计

张洪强，丛京洲，罗春华

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.舜宇光学科技有限责任公司，宁波 315000）

高温炉窑是某些从事高温冶炼工作的主要生产设备。炉膛内的燃烧情况对产品的质量、燃料的消耗和一些有毒有害的气体的排放有着很大的影响。目前监测炉膛内部情况采用的方法主要是由工作人员通过观察工业电视进行经验估计［1-2］。针对这一现状，本文设计一款可以在高温条件下工作的光学系统，采用非制冷焦平面作为接收器，实现对炉内燃烧情况的实时监测。

1 红外成像技术简介

红外成像技术几乎从一诞生就以其强大的技术优势逐步占领了世界军用和商用市场，在许多方面都得到了广泛应用［3］。

红外光学系统是在可见光光学系统基础上发展起来的，因此在设计时沿用了可见光光学系统的设计理念，并在此基础上结合了红外系统特有的本质。红外系统的目标探测信息来源与可见光系统是不同的［4］，红外系统与可见光系统的相对孔径有非常大的差异，所以结构及像差的校正也有很大的区别［5］。红外系统所使用的光学材料也是特殊的可以透过红外波段的材料［6］；红外系统在通常情况下需要温度补偿［7］；红外系统所使用的接收器一般用制冷或非制冷的探测器，而可见光一般是人眼、CCD或CMOS接收。

2 探测器以及材料的选择

目前用得比较广泛的探测器有两种，制冷型与非制冷型。非致冷红外镜头性能好，价格低，维护成本低，另外非致冷探测器的使用稳定性很高［8］，所以在工业设计中使用量越来越大。相对于非制冷型探测器，制冷型的探测器的分辨率要高很多，但是由于制冷像的探测器需要制冷装置，导致了探测器的体积和重量都很大，并且价格也非常昂贵。制冷型探测器主要应用在比较高端的军事领域中。

本设计采用的是非制冷焦平面探测器，根据需要选用的探测器是高德红外制造的GST425CA非制冷红外焦平面探测器，它的阵列规格是400×300，像元中心距为25μm，可计算出像高为6.25mm。

3 红外材料的选择

一般来说可见光能够被运用的材料种类较多，而能用在红外系统的材料非常有限；并且红外材料大多也是用在不同的谱段；在红外光谱区域透过率高是选择光学材料的最基本条件。除了光学性能要求外，材料的一些理化性能也必须考虑。表1介绍了几种常用的红外材料的一些基本性能。

表1 几种常用的红外材料的性能

从表1中可以看出在4μm～6μm波段常用的几种材料的性能［9］。经过分析与对比，选择了ZNS与ZNSE作为系统的设计材料。

4 光学系统设计

根据客户需求整理出整个系统的设计指标，如表2所示。

表2 系统的总体设计要求

4.1 设计指标的分析

解读这个设计参数就会发现它和普通的红外系统设计有两大不同点，首先是镜头直接靠近红外高温环境；但为了能够使用非制冷探测器而将系统特意拉长到大于700mm，从这个要求研究结果来看，用一组镜头很难完成整体的指标及结构；所以用两组镜头来实现项目的要求：即前组靠近高炉在300℃环境下工作取出探测信息；后组接近常温的环境下工作更便于放置探测器及装换后观察分析。

4.2 前组镜头设计

根据需要前组镜头的光学参数如下：视场角为60°，相对孔径为1/1.2，成像波段为4μm～6μm，工作温度为300℃。

4.2.1 初始结构的选择

由于现有的红外系统专利非常少，所以通过查阅相关的资料［10］，选择了一款七片式可见光的初始结构。这个初始结构的相对孔径是1 1.2，视场角ω=23°，焦距是1mm。图1与图2给出了系统的初始结构与它的MTF曲线。

图1 系统的二维结构图

图2 系统的MTF曲线图

4.2.2 优化设计

优化设计要做的第一步是将可见光的材料换成系统设计所需要的波段的材料，也就是中波红外材料；由于原来是可见光的系统其材料折射率及阿贝数与所要用的红外材料差异很大，在更换材料的过程中一定同时更改半径并且控制好系统的像质。更换材料完成后，要逐步使得所选择的系统的光学参数和所要设计的指标相一致，主要需要变动的是视场，视场角的加大一定要逐渐完成，否则会出现系统评价函数太低无法优化的问题。

4.2.3 简化结构

通过上面的优化，所选择的七片式系统已经满足了设计要求，但是系统的结构比较复杂，镜片数过多，也会给装调带来困难。因此决定将系统的结构简化，减少镜片的数量，这样不仅可以降低成本，也更便于装调。采用简化方法就是把想要移除的镜片的前后两个面曲率半径增大，直到这两个面的曲率半径接近或者达到无穷。就是让镜片变成平行平板，然后再把它去掉。在变化曲率半径的过程中，可以使用CVVA这个操作数。在去掉一个镜片之后，系统的像质会大不如前，为了提高像质就需要继续增加非球面的数量，直到满足设计要求。最后经过简化，把原来七片式的系统简化成了五片，像质也满足设计要求。

4.2.4 优化结果

图3是优化后的镜头结构，镜头的总长为50.2mm，焦距为5mm，系统的第2、3、4、10、11面为非球面，光阑位于第4个面与第5个面之间。

图3 前组镜头的结构图

图4是优化后的五片式调制传递函数（MTF）曲线。从图4可以看出，在20线对处，系统的MTF曲线均大于0.8，且接近衍射极限。

红外系统很多都是对能量集中度的要求，所以红外系统像质的评价经常会用点列图作为评价标准弥散斑越小证明成像质量越好。运用公式计算系统的艾里斑直径为5.865μm，在图5中可以看到弥散斑RMS值最大为5.114μm，均小于艾里斑直径，表明系统的成像质量良好。

图5 系统的点列图

场曲是反映成像质量的一个重要参数，它反映了像面的弯曲程度，由图6可知，场曲校正在0.05mm范围内满足设计要求，畸变虽然不影响成像质量，但是畸变的大小影响成像的准确性，通过校正，系统畸变小于3%，满足设计要求。

图6 系统的场曲畸变图

4.2.5 前组镜头热分析

在光学设计软件ZEMAX中建立热分析模型，由于前组是在300℃的条件下工作，所以只需要分析温度在300℃附近波动的时候对系统的影响即可。所以取300、280、320℃三个温度对系统进行分析。分析结果如下：

图7 280℃时系统的MTF曲线

图8 320℃系统的MTF曲线

从图7、图8可以看出在280℃和320℃时系统的MTF曲线均在0.7以上。

从图8、图9可看出在280℃和320℃时系统的点列图大部分都在艾里班以内。

图9 280℃系统的点列图

图10 320℃系统的点列图

结果表明，当温度在300℃左右波动的时候，系统的成像质量很好且能保持稳定。

4.3 中继系统设计

由于前组镜头所处的环境温度过高，探测器无法在这么高的温度下正常工作，所以就需要一个中继系统对前组镜头所成的像进行二次成像。目的是使探测器可以远离高温区域。由于中继系统所处的位置的特殊性，会导致中继系统的前后温度不一致，前面两片镜片温度会接近前组镜头的温度，而后四片镜片的温度会逐渐降低。所以在设计的时候前两片的温度设置为300℃，第三片和第四片的温度设置为120℃，而后两片的温度设置为70℃。

图11 中继系统的结构图

从图11中继系统的结构图可以看出，该系统是由6片镜片组成，总长达到了700mm，第5、6、7、8个面为非球面，光阑位于第6和第7个面之间。

从图12系统的MTF曲线可以看出，每个视场的传递函数曲线均接近衍射极限。

图12 中继系统的MTF曲线

从图13中可以看出每个视场的点列图大部分都在艾里斑之内。

图13 中继系统的点列图

同样，中继系统也需要进行热分析。对其热分析的思路与前组略有不同。由于中继系统本身的温度就是不均一的，所以在热分析的时候也要重新建立热分析模型。建立热分析模型的思路是让前两片镜片的温度在300℃上下波动，分别取320℃、300℃、280℃。第三片和第四片的温度在120℃左右波动，分别取130℃、120℃、110℃。后面的两片的温度在70℃附近波动，分别取80℃、70℃、60℃。

在对应的温度与压强下，输入的项目类型包括：表面曲率CRVT、表面间隔THIC、玻璃名称GLSS、非球面系数PRAM、通光口径SDIA。经过ZEMAX软件的模拟，得到了27组结果。现在选取其中的两组如图14-17所示。

图14 前中后分别为320、130、60℃时系统的MTF曲线

图15 前中后分别为320、130、60℃时系统的MTF曲线

图16 前中后分别为300、110、70℃时系统的MTF曲线

图17 前中后分别为290、1200、80℃时系统的MTF曲线

从MTF曲线可以看出，当温度相对于理想的温度产生上下浮动时，确实会影响系统的成像质量，MTF曲线相对于理想情况的曲线都会有所下降，但是下降的并不明显，MTF曲线均达到了0.7以上，表明成像质量仍然能够保持稳定。

4.4 前组与中继的组成整体系统

将中继系统与设计完成的前组镜头对接，再加上后面的探测器，就构成了整个高温炉探测装置。图18为整个系统的结构图。可以看出系统的整体结构合理，且系统的总长也达到了700mm，符合了设计的要求。

图18 系统结构图

图19、20、21为系统的MTF曲线、点列图、场曲畸变图。

图19 系统的MTF曲线图

图20 系统的点列图

图21 系统的场曲畸变图

按照瞳与瞳的衔接以及数值孔径相同的情况下将两个系统进行了组合，组成后系统成像质量略有下降，整体结构及像质满足了高温炉进行测量的要求。

5 结语

本文通过对高温炉探测装置的光学系统设计，得到了一款满足实际需求的光学镜头。该系统具有较大的相对孔径1/1.2；系统长度比较长大于700mm，更有利于图像的探测。系统选用了比较常用的红外材料ZNSE和ZNS，这两种材料的光学性能非常好，且耐高温，非常适合在高温下工作的光学系统。另外，还分别对系统的两个组成部分进行了热分析，结果表明，在环境温度有小幅波动的情况下，两个系统像质均能比较稳定，可满足使用要求。

参考文献

［1］ 于晓明.高温炉窑测温监控摄像机的研制［D］.上海：东华大学，2009.

［2］ 吴智洪.高温真空炉连续测温解决方案探讨［J］.机电设备，2013（3）：70-73.

［3］ 雷媛萍.长波红外系统光学设计［D］.长春：长春理工大学，2011.

［4］ 段其强.红外全景成像系统设计［D］.苏州：苏州大学，2010.

［5］ 李利.双波段红外光学系统无热化设计［D］.南京：南京航空航天大学，2012.

［6］ 张志坚.红外光学材料的现状与发展［J］.云南冶金，2000（5）：35-41.

［7］ 尝虹.透射式红外光学系统热光学稳定性关键技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［8］ 高继红.高性能红外测系统研究［D］.上海：上海交通大学，2015.

［9］ 黄蕴涵.双波段红外消热差连续变焦光学系统设计［D］.长春：长春理工大学，2014

［10］ Warren J S.Modern optical engineering［M］.America：McGraw Hill，2000：218-262

［11］ ZEMAX optical design program user’s guide［M］.America：Version，2008.