一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统

赵志远

一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统

赵志远

（武警工程大学 信息工程学院，陕西 西安 710086）

本文设计了一种可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统，给出了一个设计实例，系统工作波段为8～12mm，中心波长为10mm，长焦距为150mm，短焦距为50 mm，F数为1.1，可匹配像元数为384×288、像元大小为17mm×17mm的非制冷红外焦平面探测器。系统通过变倍组的轴向移动实现变焦，通过引入二元光学面和非球面减小成像系统体积，减轻重量，提高成像质量，设计结果表明，该热成像系统取得了良好的成像，可用于火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。

光学设计；红外成像系统；紧凑型；非制冷焦平面；二元光学

0 引言

红外热像仪通过探测目标和背景的温度差别，生成红外图像显示在显示屏上，该种方式为被动工作方式，由于工作时不用发光不需要光线，因此隐蔽性很好，不仅可以全天时获得清晰的目标图像，而且可以在雨、雾、烟、沙尘等能见度很差的背景条件下工作，还可以探测到背景中伪装的目标，躲藏在树木草丛中的目标，获得火灾现场内部清晰的热图像，方便火宅救援时更真实有效地判断火中的情况，以便采取更有效的救助方案。红外热像仪广泛用于武警部队日常巡逻、周边环境监控、目标追踪、公共安防、夜间陆上和水上缉私、火灾消防救助、森林防火、侦查、禁毒、逃犯搜寻追捕等军事国防和民用工程领域[1-5]。

利用红外热像仪探测识别目标时，希望可以兼顾远近距离，远距离（5km左右）时可以在大范围下对目标进行搜索，近距离（1.6km左右）时可以在小范围下对目标进行跟踪，两个模式下都有清晰的图像，在保证成像性能的同时需要结构紧凑、重量轻、功耗低、便于携带。和制冷型焦平面热像仪相比，非制冷型焦平面热像仪具有体积小、重量轻、功耗低、价格低、便于维护等优点，因此武警部队配备非制冷型焦平面热像仪更合适。本文设计的可以兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统，工作波段为8～12mm，中心波长为10mm，长焦距为150mm，短焦距为50mm，F数为1.1，可匹配像元数为384×288、像元大小为17mm×17mm的非制冷红外焦平面探测器。系统通过变倍组的轴向移动实现变焦，通过引入二元光学面和非球面实现了系统的小型化和轻量化，设计结果表明，该热成像系统成像良好，可用于火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。

1 设计原理

1.1 光学系统

兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪光学系统的原理示意图如图1所示，系统由前固定组、变倍组和后固定组组成，前固定组承担一部分光焦度，变倍组沿着光轴移动来实现焦距的切换，长焦距时可用作远距离下搜索目标，短焦距时可用作近距离下跟踪目标，后固定组用于校正残余的像差，并保证焦距切换时像面稳定。

图1 光学系统原理示意图

兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统的像差校正平衡方法要尽量降低高级像差，要平衡初级像差和高级像差，同时还有平衡轴上点像差和轴外点像差，兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统远近距离时的前固定组和变倍组产生的像差量相当，后固定组校正剩余的像差维持像面的齐焦。

1.2 二元光学

二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。

ZEMAX光学设计软件中对于二元光学面的相位分布函数定义为[6]：

()=12＋22＋32＋… (1)

式中：为归一化半径；1为二次相位系数，用于消除成像系统的色差；2、3等为二元光学面的相位系数，用于校正成像系统的高级像差。

从二元光学面的相位分布函数表达式可知，除可实现传统光学元件的功能外，二元光学元件在校正成像系统色差和热像差方面有特殊的功效，二元光学元件和传统光学元件配合使用[7-8]，可以增加优化设计的自由度，在校正球差、像散等像差的同时，还可以有效校正色差和热像差，起到减小系统体积，减轻系统重量，提高成像性能，使得系统紧凑，使得兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统更加便携式，轻小型化。

2 设计指标和设计结果

2.1 设计指标

本设计实例选用多晶硅非制冷焦平面红外探测器，非制冷焦平面红外探测器的像元数为384×288，像元尺寸为17mm×17mm，变倍比为3倍，兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统的主要光学设计指标如表1所示。

表1 光学设计指标

2.2 设计结果

设计的兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统如图2所示，系统由5片透镜组成，前固定组为材料为Ge的单透镜，前固定组的光焦度为正，为了减小电机的功耗，变倍组也采用单片透镜，材料为Ge，变倍组的光焦度为负，后固定组由3块透镜组成，采用Ge和ZnSe两种光学材料，其中两块为Ge透镜，一块为ZnSe透镜，后固定组3块透镜的光焦度分别为负、正、正。设计的兼顾远近距离的紧凑型武警用红外热像仪成像系统总长小于240mm，变倍组从宽视场状态切换到窄视场状态时，变倍组沿光轴方向的移动距离为40.52mm，为了提高成像系统的成像质量，在系统中使用了一个二元光学面和一个非球面，分别位于前固定组的后表面和后固定组第二块透镜的前表面，温度改变时，光学系统的成像性能下降，通过后固定组调焦可保证系统成像性能。

2.3 像质评价

2.3.1 MTF

性能优良的光学系统的MTF，在奈奎斯特频率处优于0.3即可。图3给出了系统的MTF曲线，其中(a)为远距离下的MTF曲线，(b)为近距离下的MTF曲线。由图可知，在奈奎斯特频率30lp/mm处，远距离工作模式下所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.45，近距离工作模式下所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.55。

性能优良的光学系统的点列图，弥散斑的均方根半径在探测器像元内即可。图4给出了系统的点列图，其中(a)为远距离下的点列图，(b)为近距离下的点列图，由图可知，远距离工作模式下和近距离工作模式下所有视场弥散斑的最大均方根半径分别为5.01mm和9.26mm，两种工作模式下的均方根半径基本都小于探测器的一个像元17mm×17mm，可以满足使用要求。

2.3.2 畸变

性能优良的光学系统的畸变小于5%。图5给出了系统的场曲和畸变曲线，其中(a)为远距离下的场曲和畸变曲线，(b)为近距离下的场曲和畸变曲线，右侧为畸变曲线，由图可知，远距离工作模式下畸变的绝对值最大为0.3%，近距离工作模式下畸变的绝对值最大为1.4%，满足设计要求。

2.4 作用距离

作用距离是红外热像仪成像系统探测目标的一个重要指标，红外热像仪的作用距离与目标尺寸、红外热像仪成像系统的焦距、红外探测器的像元尺寸有关。

图2 紧凑型红外热像仪成像系统远近距离时的成像光路图

图3 紧凑型红外热成像系统远近距离下的MTF曲线

图4 紧凑型红外热成像系统远近距离下20℃时的点列图

图5 紧凑型红外热成像系统远近距离下的畸变

红外热像仪的作用距离计算公式为：

式中：为红外热像仪的作用距离；为红外热像仪成像系统的焦距；为目标尺寸；为目标在红外探测器上占的尺寸大小。

假设待探测目标为人，其目标尺寸为1.7m，目标在红外探测器上占的像元个数为3个，则＝0.051mm，近距离工作模式下的焦距near=50mm，远距离工作模式下的焦距far＝150mm，可得红外热像仪近距离工作模式下的作用距离[9]为：

可得红外热像仪远距离工作模式下的作用距离为：

3 结论

设计了一种可兼顾远近距离的武警用红外热像仪的紧凑光学系统，系统工作在长波红外波段8～12mm，变倍比为3倍，通过变倍组的轴向移动实现变焦，通过引入二元光学面和非球面实现了系统的小型化和轻量化，设计结果表明，该红外热成像系统在奈奎斯特频率30lp/mm处，远距离工作模式下所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.45，近距离工作模式下所有视场的子午MTF和弧矢MTF都优于0.55，远距离工作模式下和近距离工作模式下所有视场弥散斑的最大均方根半径分别为5.01mm，9.26mm，远距离工作模式下畸变最大为0.3%，近距离工作模式下畸变最大为1.4%，红外热成像系统取得了良好的成像，满足设计要求，具有较好的探测距离，可用于武警官兵火灾消防救援、森林防火、夜间侦查、边防监控等工作。

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Optical System of Compact Thermal Imager for Near and Far Distances for Armed Police

ZHAO Zhiyuan

(,,710086,)

A compact thermal imaging system, operating over both near and far distances, for armed police is introduced. A design example is proposed. The working band is 8–12mm, the center wavelength is 10mm, the long focal length is 150mm, the short focal length is 50mm, and thenumber is 1.1. The system can match the performance of an uncooled focal plane infrared detector with a pixel number of 384´288 and a pixel size of 17mm´17mm. The system realizes zooming by the axial movement of the zoom group. By using binary optical surface and aspheric surface, the volume and mass of the imaging system are reduced, and the image quality is improved. The design results show that the thermal imaging system has appropriate image quality, which is suitable for fire rescue, fire prevention, night detection, and border monitoring.

optical design, infrared imaging system, compact, uncooled focal plane, binary optics

TN216

A

1001-8891(2020)12-1159-05

2018-12-08；

2019-06-09.

赵志远（1977-），通信装备教研室教员，主要研究方向：信息通信装备。E-mail：403391535@qq.com。