基于MTF的紅外鏡頭無熱化性能評估方法研究

李英，于錦江，，朱紹純，丁鉑

（1.長春理工大學光電工程學院，長春 130022；2.上海航天控制技術研究所，上海 201101；3.南京英田光學，南京 210046）

基于MTF的紅外鏡頭無熱化性能評估方法研究

李英1，于錦江1，2，朱紹純2，丁鉑3

（1.長春理工大學光電工程學院，長春 130022；2.上海航天控制技術研究所，上海 201101；3.南京英田光學，南京 210046）

紅外鏡頭因受溫度影響較大，需進行無熱化設計，而目前國內外針對紅外鏡頭的無熱化評估方法的研究并不多。提出在現有傳遞函數儀的基礎上，采用光學檢測的方法對紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值進行檢測，得到其不同溫度下焦點位置偏移量。針對其關鍵的中繼鏡頭的設計，分析了三種可能的設計方法，最終選定了最可行的設計方案。通過對某一標準鏡頭的測試也驗證了方案的可行性。

紅外鏡頭；無熱化評估；MTF

隨著紅外光學技術的快速發展，紅外鏡頭越來越多的應用在民用、工業、軍事等領域，但紅外鏡頭相對于可見光對溫度的適應性很低，易受溫度影響使鏡頭的成像質量變差，圖像模糊不清。近幾十年來國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，但是對于紅外鏡頭的無熱化檢測方法的研究還非常少，目前，對于無熱化性能評估的定量分析方法在國內，甚至是國外都尚屬空白。本文提出一種在現有傳遞函數儀的基礎上，采用光學檢測的方法對紅外鏡頭在不同溫度下的MTF值進行檢測，通過對不同溫度下得到的MTF值進行分析，對紅外鏡頭的無熱化效果給量化的結果的研究方法［1-2］。

1 無熱化檢測技術分析

無熱化檢測技術是用來檢測鏡頭無熱化質量的，需要無熱化技術與光電檢測技術相結合的。隨著紅外技術的不斷發展，無熱化檢測技術將逐漸成為一種重要的紅外計量技術。［3-4］

目前主要的無熱化檢測技術分為兩種，一種是將被測紅外熱像儀整體放入高低溫箱內，熱像儀通過高低溫箱上的窗口觀測高低溫箱外的目標源，改變高低溫箱內的溫度，再通過認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。另一種是只檢測鏡頭在高低溫環境下的離焦量變化，通過離焦量變化判斷鏡頭的無熱化性能。

第一種方法，在測試時難免會加入人為主觀因素，只能定性的檢測而不能定量的檢測熱像儀的無熱化性能。第二種方法只能檢測鏡頭的離焦量［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。離焦量檢測無法檢測像差，因此這種檢測方法是不全面的。本文通過在現有的MTF測試儀的基礎上分析紅外鏡頭無熱化性能評估的方法，使普通的MTF測試儀可以測試紅外高低溫鏡頭下的MTF，從而定量的評價紅外鏡頭的無熱化性能，

2 基于MTF測試的無熱化性能評估原理

紅外鏡頭無熱化性能評估采用相對測量方法。首先利用傳函儀直接測量被測鏡頭的MTF值，然后改變被測鏡頭的環境溫度測出此時的MTF值，這時的MTF測量值與常溫下測得的差值即反映了鏡頭無熱化性能的好壞［6-7］。

在進行無熱化性能評估時，被測鏡頭需要放置在高低溫環境實驗箱中，而傳函儀的探測器需制冷處理，無法放置在試驗箱中，因此需要利用一組中繼鏡頭將被測鏡頭的像面引出高低溫環境試驗箱。

其評估原理為：被測光學鏡頭安裝于高低溫箱內與中繼鏡頭連接，由點光源和平行光管為其產生無窮遠目標，平行光經被測光學鏡頭后匯聚到像面處，由中繼鏡頭將像面引出高低溫箱，通過傳函儀檢測像面，得到MTF值再加上測試系統的補償量得到被測鏡頭的MTF值［8-9］。

圖1 評估系統原理圖

3 基于MTF測試的無熱化性能評估方法實現

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

中繼鏡頭的設計有三種方案：（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。

（1）中繼鏡頭完全處于高低溫箱中

當中繼鏡頭完全處于高低溫箱內部時，中繼鏡頭必須進行完全的無熱化設計，設計難度較大。由于中繼鏡頭體積較大，當高低溫箱改變環境溫度時，中繼鏡頭達到溫度穩定的時間較長。中繼鏡頭尺寸較大需要內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部時，需要中繼鏡頭的后截距較長，同時中繼鏡頭的物方孔徑角較大，增大后截距時也會極大的增加整個鏡頭的直徑，增加鏡頭的體積和重量，從而高低溫箱的尺寸也將增加，不利于整體設計。

（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，中繼鏡頭的體積將不再是主要設計的矛盾。由紅外鏡頭的無熱化設計原理可知，鏡頭與探測器的鏈接材料和鏈接結構對鏡頭整體的無熱化性能影響非常嚴重。鏡頭與探測器鏈接處是無熱化設計的主要矛盾。鏡頭在實際使用時，該處結構件隨溫度變化對成像質量影響嚴重。因此，做鏡頭無熱化性能評價時，該處材料也要納入無熱化評價，這樣才能反應鏡頭的真實的無熱化性能。

從上述特點可知，被測鏡頭與中繼鏡頭間的鏈接結構必須能夠模擬鏡頭真實使用狀態。如圖2所示，當被測鏡頭安裝在高低溫箱內部，中繼鏡頭與實驗平臺鏈接，被測鏡頭與高低溫箱鏈接，被測鏡頭與中繼鏡頭間通過高低溫箱、實驗平臺和鏡筒等環節鏈接。其中的不可知因素太多，不能進行定量研究。

圖2 被測鏡頭與中繼鏡頭連接示意圖

如圖3所示，當被測鏡頭安裝在高低溫箱內部，中繼鏡頭通過加長的鏡筒結構探入高低溫箱內部直接與被測鏡頭鏈接時，鏈接結構件一部分處于高低溫環境，另一部分處于常溫環境，這段鏈接結構件的熱膨脹也是不可知的。因此，這種結構形式也不適合進行定量分析研究。

圖3 被測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

綜合上述兩種方法的特點，將中繼鏡頭設計成兩部分，分別為前組和后組。如圖4所示，前組安裝在高低溫箱內部，直接與被測鏡頭鏈接，解決被測鏡頭與探測器鏈接結構件無熱化測試問題。后組安裝在高低溫箱外部，可以方便的與傳函儀對接。前組與后組間采用徑向剛性定位軸向游動的結構連接。

圖4 鏡頭連接示意圖

4 測試結果與分析

在MTF基礎上建立的無熱化性能評估方法的主要功能是在高低溫環境下完成紅外鏡頭的MTF測試，根據不同溫度下的MTF曲線的偏差得到無熱化性能好壞的定量結果。為驗證系統的可行性、有效性，制作了某通過無熱化設計的紅外鏡頭，保持傳函儀光源不變，在不同溫度下，傳函儀自動找到像面，并得到不同的MTF曲線，當分辨率采用20lp/ mm時，其測試圖如圖5所示：

圖5 某鏡頭MTF測試結果圖

試驗證明，在只改變環境溫度的情況下，通過無熱化設計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℃時軸上的MTF，從測試結果可知，在70℃范圍內其MTF偏差為0.1，其偏差反應了該紅外鏡頭無熱化設計的好壞。曲線4是在-30℃、-40℃時的測試結果，由于此時窗口有結霜，影響了其測試結果。

5 結論

通過在現有的MTF測試儀的基礎上增加中波紅外鏡頭無熱化測試組件，使普通的MTF測試儀可以測試紅外鏡頭高低溫環境下的MTF，從而定量的評價紅外鏡頭的無熱化性能。中波紅外鏡頭高低溫MTF測試儀的研究可以極大的促進紅外無熱化技術的進步，對紅外產業有很大的推進作用。通過對某紅外鏡頭的測試，當溫度變化70度時，鏡頭的MTF值偏差不超出0.1，證明了系統的可測試性。

［1］張運強.紅外光學系統無熱化效果評估系統設計［J］.航空武器技術專輯，2011（3）：55-57.

［2］左保軍.基于圖像處理的光學無熱化設計效果檢測系統［J］.紅外與激光工程，2012，41（6）：1600-1604.

［3］于芳蘇.長波紅外光學系統無熱化檢測儀的光學系統設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

［4］葉春芳.光學系統MTF快速測量儀的研究［D］.杭州：浙江大學，2006.

［5］王佩斯.紅外光學系統像面裝調與檢測方法的研究［D］.長春：長春理工大學，2012.

［6］于謙.光學檢查鏡頭的MTF測試方法研究［D］.杭州：浙江大學，2010.

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

［8］徐良卿.紅外導引系統高低溫跟蹤性能測試技術［J］.計算機測量與控制，2012，20（6）：1587-1592.

［9］范哲源.無熱化檢測儀的中短波光學系統設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，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

吉林省重點科技攻關項目（20140204067GX）；長春理工大學青年基金（XQNJJ-2013-04）

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