高溫電視攝像鏡頭設計

王忠義

摘要：對于高溫環境下的電視攝像鏡頭，由于其工作環境較特殊，所以，需要充分考慮其材料的選擇、光學參數的確定等問題。本文在分析光學參數的基礎上，采用了三次成像的方法來實現高溫電視攝像鏡頭的設計要求，并給出了具體的設計思想以及設計結果，證明該系統能夠在較寬的溫度范圍內獲得較好的成像質量。

關鍵字：高溫；電視攝像鏡頭；設計

引言

高溫電視攝像鏡頭實際就是用來監測高溫加熱爐內具體燃燒情況的一種光學設備，其主要作用就是對爐體內燃料的燃燒情況進行實時監測，相關工作人員再依據監測的結果，及時調整相關數據，從而有效提高燃燒效率。下面我們將結合實際需要，針對較常用的高溫加熱爐的具體尺寸和要求，對高溫攝像鏡頭的光學系統進行研究。

1光學參數分析

1.1視場角

如下圖1所示，爐膛用長方體ABCD-EFGH表示，長方體爐膛頂邊AD的中心O點是攝像鏡頭的位置，現在要求攝像鏡頭同時可以觀察到長方體爐膛內底面每一個點燃料的燃燒情況?，F在給出的爐膛的尺寸為AB=24m，BC=24m，CG=27m。通過計算，可以得出光學系統的全視場角為2ω=60°，而光軸的指向則為圖1中OT方向，光軸指向偏離地面中心P大約3.2m，可以保證光學系統觀測到底面EFGH上每一點。

1.2焦距

根據實際要求及相關分析可以確定系統的焦距。該項目使用CCD的像元大小為10μm，要求需要達到40mm左右的像元分辨率。給一定余量后，系統的焦距可以定為8mm，能夠滿足空間分辨率的要求。該系統的焦距比較短，因此物距要遠遠大于焦距，所以在設計光學系統時，我們可以按照無限遠成像進行處理。

1.3相對孔徑

光學系統的觀察目標是爐內燃料燃燒的火焰，其亮度很大，因此不需要太大的相對孔徑。為使光學系統對不同燃燒時期都有較好的觀察效果，系統設置可變光闌，把相對孔徑控制在1/20～1/4之間。

1.4高溫環境

通常情況下，高溫爐內溫度范圍大約是1000℃～1600℃，所以攝像探頭需要在高于1000℃的環境進行長時間的工作。但是，通常光學玻璃最大的承受溫度在400℃～690℃之間，因此鏡頭在1000℃高溫環境下就會轉變為液體，根本無法進行成像。目前采用的辦法是加入冷卻系統。冷卻系統正常工作時，光學系統的工作溫度可以保證在60℃以下。即要求光學系統在60℃的環境溫度下，仍然有高的成像質量。當此高溫電視系統在高溫環境下長時間工作后，冷卻系統的效率會下降，因此，儀器的工作壽命主要由冷卻系統決定。為了增長高溫攝像系統的壽命，減少系統維修的次數，用戶通常會希望光學系統在溫度更高的環境下（例如200℃）依舊能夠很好地成像，這些要求在一定程度上限制了光學系統中玻璃的選擇，給設計增加了難度。

1.5結構長度

高溫電視鏡頭對結構長度的要求比較高。為了有效減小CCD噪聲，提升整個系統的信噪比，CCD需要放在爐外室溫區內，所以，要求光學長度大于600mm，這也加大了設計難度。

2設計思想

在這樣場合下使用的攝像鏡頭，按照上面所提出的要求，該光學系統的焦距僅僅只有8mm。一般的光學系統總長度與光學系統的焦距相差不大，而現在要求系統的結構長度需要大于700mm，因此，在設計光學系統時，我們首先需要解決的就是怎樣拉大軸向尺寸的問題。要實現結構長度為光學焦距長度的100倍左右，采用普通的單次成像方法顯然是無法滿足要求的，必須采用二次或二次以上成像的方法。即該光學系統由前組以及中繼組兩部分組成，前組光學系統決定了系統的視場角，而中繼組光學系統決定延長光路。中繼透鏡組的放大倍率既可以大于1，也可以小于1。

該系統設計過程中還有另外一個難點，就是在拉長結構的同時，還要確保鏡筒的口徑不能過大。而光學系統的視場角又比較大，因此采用一級中繼是無法同時滿足這兩點要求的，必須采用二級或二級以上的中繼。圖2是光學系統的結構示意圖。Ⅰ是系統的孔徑光闌，Ⅱ是前組高溫區鏡頭，Ⅲ是第一中繼組，Ⅳ是第二中繼組，Ⅴ是焦平面探測器。將孔徑光闌前置是為了高溫對光學玻璃的影響，能夠最大程度地降低光學玻璃所處位置的溫度。

在進行設計時，首先Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ各組需要單獨校正像差。因為玻璃材料會限制Ⅱ組的鏡頭，所以單獨校正像差時會比較困難。系統合成時首先要考慮光學系統光瞳的匹配，其次才是系統的整體像差匹配。只有靠各部分像差合理匹配，才能使整個光學系統有較好的成像質量。

3設計結果

設計結果的光學系統示意圖如下圖3所示，Ⅰ是系統的孔徑光闌，Ⅱ是前組廣角針孔鏡頭，Ⅲ是第一中繼組，Ⅳ是第二中繼組，Ⅴ是焦平面探測器。該系統的設計結果：焦距為8mm，視場角為60°，相對孔徑為1：4，系統結構總長800mm。

為了有效降低冷卻系統的設計難度，也為了系統的安全性，攝像頭進入高溫爐內的部分用的都是具有較高轉變溫度的光學玻璃材料。實際設計時4塊光學玻璃都選用了ZK6材料，其轉變溫度為668℃，折射率溫度系數和線膨脹系數都比較合適。鏡頭III前兩塊玻璃分別選用了ZK6、ZbaF3及ZbaF3，玻璃的轉變溫度為628℃。由于其余玻璃距離高溫區較遠，所以轉變溫度不用很高，選擇玻璃時主要考慮像差的匹配。

4設計結果的高溫特性

對于光學系統來講，隨著工作溫度的改變，各光學面的半徑、玻璃折射率都會變化，這些都可能造成光學系統像差的改變，從而對系統的成像質量造成影響，所以光學系統在玻璃選擇時，要兼顧玻璃的折射率溫度系數、轉變溫度、線膨脹系數等玻璃的熱學性能。對于任何一個光學系統，在不進行調焦的情況下，幾乎都無法保證200℃溫度范圍內光學系統有非常好的成像質量。為了擴大光學系統適應溫度的范圍，需要光學與結構材料相匹配。

結束語

綜上，本文設計的高溫電視攝像鏡頭，在保持系統各單元孔徑都很小的基礎上，拉長了系統的結構長度；前組高溫區鏡頭所有鏡片都采用轉變溫度很高的材料，保證了光學玻璃在高溫下的承受能力。設計結果在較大的溫度變化范圍內都有較好的成像效果。

參考文獻：

[1]王漢平.電視攝像中鏡頭與角度的運用[J].西部廣播電視，2016，（06）：116-117+121.

[2]楊建峰，阮萍，常凌穎，陳立武.高溫電視攝像鏡頭設計[J].光子學報，2005，（07）：1081-1085.

[3]王超.關于電視攝像技術中的畫面構圖藝術研究[J].西部廣播電視，2017，（12）：103-104.endprint