基于MTF的紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估方法研究

李英，于錦江，，朱紹純，丁鉑

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201101；3.南京英田光學(xué)，南京 210046）

基于MTF的紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估方法研究

李英1，于錦江1，2，朱紹純2，丁鉑3

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201101；3.南京英田光學(xué)，南京 210046）

紅外鏡頭因受溫度影響較大，需進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)，而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)紅外鏡頭的無熱化評(píng)估方法的研究并不多。提出在現(xiàn)有傳遞函數(shù)儀的基礎(chǔ)上，采用光學(xué)檢測(cè)的方法對(duì)紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值進(jìn)行檢測(cè)，得到其不同溫度下焦點(diǎn)位置偏移量。針對(duì)其關(guān)鍵的中繼鏡頭的設(shè)計(jì)，分析了三種可能的設(shè)計(jì)方法，最終選定了最可行的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)某一標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的測(cè)試也驗(yàn)證了方案的可行性。

紅外鏡頭；無熱化評(píng)估；MTF

隨著紅外光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，紅外鏡頭越來越多的應(yīng)用在民用、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，但紅外鏡頭相對(duì)于可見光對(duì)溫度的適應(yīng)性很低，易受溫度影響使鏡頭的成像質(zhì)量變差，圖像模糊不清。近幾十年來國(guó)際上都在大力研究紅外鏡頭的無熱化方法，并且取得了研究成果，但是對(duì)于紅外鏡頭的無熱化檢測(cè)方法的研究還非常少，目前，對(duì)于無熱化性能評(píng)估的定量分析方法在國(guó)內(nèi)，甚至是國(guó)外都尚屬空白。本文提出一種在現(xiàn)有傳遞函數(shù)儀的基礎(chǔ)上，采用光學(xué)檢測(cè)的方法對(duì)紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)不同溫度下得到的MTF值進(jìn)行分析，對(duì)紅外鏡頭的無熱化效果給量化的結(jié)果的研究方法［1-2］。

1 無熱化檢測(cè)技術(shù)分析

無熱化檢測(cè)技術(shù)是用來檢測(cè)鏡頭無熱化質(zhì)量的，需要無熱化技術(shù)與光電檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的。隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，無熱化檢測(cè)技術(shù)將逐漸成為一種重要的紅外計(jì)量技術(shù)。［3-4］

目前主要的無熱化檢測(cè)技術(shù)分為兩種，一種是將被測(cè)紅外熱像儀整體放入高低溫箱內(nèi)，熱像儀通過高低溫箱上的窗口觀測(cè)高低溫箱外的目標(biāo)源，改變高低溫箱內(nèi)的溫度，再通過認(rèn)真觀察熱像儀輸出圖像的清晰度來判斷熱像儀的無熱化性能。另一種是只檢測(cè)鏡頭在高低溫環(huán)境下的離焦量變化，通過離焦量變化判斷鏡頭的無熱化性能。

第一種方法，在測(cè)試時(shí)難免會(huì)加入人為主觀因素，只能定性的檢測(cè)而不能定量的檢測(cè)熱像儀的無熱化性能。第二種方法只能檢測(cè)鏡頭的離焦量［5］，雖然鏡頭的離焦量是鏡頭熱像差的主要來源之一，但是熱像差中還包括鏡頭在不同溫度下各種像差的改變量。離焦量檢測(cè)無法檢測(cè)像差，因此這種檢測(cè)方法是不全面的。本文通過在現(xiàn)有的MTF測(cè)試儀的基礎(chǔ)上分析紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估的方法，使普通的MTF測(cè)試儀可以測(cè)試紅外高低溫鏡頭下的MTF，從而定量的評(píng)價(jià)紅外鏡頭的無熱化性能，

2 基于MTF測(cè)試的無熱化性能評(píng)估原理

紅外鏡頭無熱化性能評(píng)估采用相對(duì)測(cè)量方法。首先利用傳函儀直接測(cè)量被測(cè)鏡頭的MTF值，然后改變被測(cè)鏡頭的環(huán)境溫度測(cè)出此時(shí)的MTF值，這時(shí)的MTF測(cè)量值與常溫下測(cè)得的差值即反映了鏡頭無熱化性能的好壞［6-7］。

在進(jìn)行無熱化性能評(píng)估時(shí)，被測(cè)鏡頭需要放置在高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱中，而傳函儀的探測(cè)器需制冷處理，無法放置在試驗(yàn)箱中，因此需要利用一組中繼鏡頭將被測(cè)鏡頭的像面引出高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱。

其評(píng)估原理為：被測(cè)光學(xué)鏡頭安裝于高低溫箱內(nèi)與中繼鏡頭連接，由點(diǎn)光源和平行光管為其產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，平行光經(jīng)被測(cè)光學(xué)鏡頭后匯聚到像面處，由中繼鏡頭將像面引出高低溫箱，通過傳函儀檢測(cè)像面，得到MTF值再加上測(cè)試系統(tǒng)的補(bǔ)償量得到被測(cè)鏡頭的MTF值［8-9］。

圖1 評(píng)估系統(tǒng)原理圖

3 基于MTF測(cè)試的無熱化性能評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)

由于傳函儀的探測(cè)器不適合工作在高低溫環(huán)境中。因此，采用中繼鏡頭將高低溫箱中被測(cè)鏡頭像面引出高低溫箱，再通過傳函儀測(cè)試MTF值。

中繼鏡頭的設(shè)計(jì)有三種方案：（1）中繼鏡頭完全處于高低溫箱中；（2）中繼鏡頭完全處于高低溫箱外；（3）中繼鏡頭只有一部分處于高低溫箱內(nèi)。

（1）中繼鏡頭完全處于高低溫箱中

當(dāng)中繼鏡頭完全處于高低溫箱內(nèi)部時(shí)，中繼鏡頭必須進(jìn)行完全的無熱化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)難度較大。由于中繼鏡頭體積較大，當(dāng)高低溫箱改變環(huán)境溫度時(shí)，中繼鏡頭達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。中繼鏡頭尺寸較大需要內(nèi)部空間大的高低溫箱，高低溫箱尺寸加大不利于傳函儀的改造。中繼鏡頭完全安裝在高低溫箱內(nèi)部時(shí)，需要中繼鏡頭的后截距較長(zhǎng)，同時(shí)中繼鏡頭的物方孔徑角較大，增大后截距時(shí)也會(huì)極大的增加整個(gè)鏡頭的直徑，增加鏡頭的體積和重量，從而高低溫箱的尺寸也將增加，不利于整體設(shè)計(jì)。

（2）中繼鏡頭完全處于高低溫箱外

中繼鏡頭完全處于高低溫箱外時(shí)，中繼鏡頭的體積將不再是主要設(shè)計(jì)的矛盾。由紅外鏡頭的無熱化設(shè)計(jì)原理可知，鏡頭與探測(cè)器的鏈接材料和鏈接結(jié)構(gòu)對(duì)鏡頭整體的無熱化性能影響非常嚴(yán)重。鏡頭與探測(cè)器鏈接處是無熱化設(shè)計(jì)的主要矛盾。鏡頭在實(shí)際使用時(shí)，該處結(jié)構(gòu)件隨溫度變化對(duì)成像質(zhì)量影響嚴(yán)重。因此，做鏡頭無熱化性能評(píng)價(jià)時(shí)，該處材料也要納入無熱化評(píng)價(jià)，這樣才能反應(yīng)鏡頭的真實(shí)的無熱化性能。

從上述特點(diǎn)可知，被測(cè)鏡頭與中繼鏡頭間的鏈接結(jié)構(gòu)必須能夠模擬鏡頭真實(shí)使用狀態(tài)。如圖2所示，當(dāng)被測(cè)鏡頭安裝在高低溫箱內(nèi)部，中繼鏡頭與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鏈接，被測(cè)鏡頭與高低溫箱鏈接，被測(cè)鏡頭與中繼鏡頭間通過高低溫箱、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和鏡筒等環(huán)節(jié)鏈接。其中的不可知因素太多，不能進(jìn)行定量研究。

圖2 被測(cè)鏡頭與中繼鏡頭連接示意圖

如圖3所示，當(dāng)被測(cè)鏡頭安裝在高低溫箱內(nèi)部，中繼鏡頭通過加長(zhǎng)的鏡筒結(jié)構(gòu)探入高低溫箱內(nèi)部直接與被測(cè)鏡頭鏈接時(shí)，鏈接結(jié)構(gòu)件一部分處于高低溫環(huán)境，另一部分處于常溫環(huán)境，這段鏈接結(jié)構(gòu)件的熱膨脹也是不可知的。因此，這種結(jié)構(gòu)形式也不適合進(jìn)行定量分析研究。

圖3 被測(cè)鏡頭與中繼鏡頭連接示意圖

（3）中繼鏡頭只有一部分處于高低溫箱內(nèi)

綜合上述兩種方法的特點(diǎn)，將中繼鏡頭設(shè)計(jì)成兩部分，分別為前組和后組。如圖4所示，前組安裝在高低溫箱內(nèi)部，直接與被測(cè)鏡頭鏈接，解決被測(cè)鏡頭與探測(cè)器鏈接結(jié)構(gòu)件無熱化測(cè)試問題。后組安裝在高低溫箱外部，可以方便的與傳函儀對(duì)接。前組與后組間采用徑向剛性定位軸向游動(dòng)的結(jié)構(gòu)連接。

圖4 鏡頭連接示意圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在MTF基礎(chǔ)上建立的無熱化性能評(píng)估方法的主要功能是在高低溫環(huán)境下完成紅外鏡頭的MTF測(cè)試，根據(jù)不同溫度下的MTF曲線的偏差得到無熱化性能好壞的定量結(jié)果。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性、有效性，制作了某通過無熱化設(shè)計(jì)的紅外鏡頭，保持傳函儀光源不變，在不同溫度下，傳函儀自動(dòng)找到像面，并得到不同的MTF曲線，當(dāng)分辨率采用20lp/ mm時(shí)，其測(cè)試圖如圖5所示：

圖5 某鏡頭MTF測(cè)試結(jié)果圖

試驗(yàn)證明，在只改變環(huán)境溫度的情況下，通過無熱化設(shè)計(jì)的紅外鏡頭在不同溫度下具有不同的MTF曲線，曲線1為鏡頭的衍射極限，曲線組3為鏡頭在溫度為0℃、22℃、35℃、55℃、70℃時(shí)軸上的MTF，從測(cè)試結(jié)果可知，在70℃范圍內(nèi)其MTF偏差為0.1，其偏差反應(yīng)了該紅外鏡頭無熱化設(shè)計(jì)的好壞。曲線4是在-30℃、-40℃時(shí)的測(cè)試結(jié)果，由于此時(shí)窗口有結(jié)霜，影響了其測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié)論

通過在現(xiàn)有的MTF測(cè)試儀的基礎(chǔ)上增加中波紅外鏡頭無熱化測(cè)試組件，使普通的MTF測(cè)試儀可以測(cè)試紅外鏡頭高低溫環(huán)境下的MTF，從而定量的評(píng)價(jià)紅外鏡頭的無熱化性能。中波紅外鏡頭高低溫MTF測(cè)試儀的研究可以極大的促進(jìn)紅外無熱化技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)紅外產(chǎn)業(yè)有很大的推進(jìn)作用。通過對(duì)某紅外鏡頭的測(cè)試，當(dāng)溫度變化70度時(shí)，鏡頭的MTF值偏差不超出0.1，證明了系統(tǒng)的可測(cè)試性。

［1］張運(yùn)強(qiáng).紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化效果評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空武器技術(shù)專輯，2011（3）：55-57.

［2］左保軍.基于圖像處理的光學(xué)無熱化設(shè)計(jì)效果檢測(cè)系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2012，41（6）：1600-1604.

［3］于芳蘇.長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化檢測(cè)儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［4］葉春芳.光學(xué)系統(tǒng)MTF快速測(cè)量?jī)x的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［5］王佩斯.紅外光學(xué)系統(tǒng)像面裝調(diào)與檢測(cè)方法的研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2012.

［6］于謙.光學(xué)檢查鏡頭的MTF測(cè)試方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［7］戴其燕.MTF評(píng)估方法研究及性能分析［D］.南京：南京理工大學(xué)，2006.

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［9］范哲源.無熱化檢測(cè)儀的中短波光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（20140204067GX）；長(zhǎng)春理工大學(xué)青年基金（XQNJJ-2013-04）

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