高溫爐探測裝置光學系統設計

張洪強，叢京洲，羅春華

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.舜宇光學科技有限責任公司，寧波 315000）

高溫爐窯是某些從事高溫冶煉工作的主要生產設備。爐膛內的燃燒情況對產品的質量、燃料的消耗和一些有毒有害的氣體的排放有著很大的影響。目前監測爐膛內部情況采用的方法主要是由工作人員通過觀察工業電視進行經驗估計［1-2］。針對這一現狀，本文設計一款可以在高溫條件下工作的光學系統，采用非制冷焦平面作為接收器，實現對爐內燃燒情況的實時監測。

1 紅外成像技術簡介

紅外成像技術幾乎從一誕生就以其強大的技術優勢逐步占領了世界軍用和商用市場，在許多方面都得到了廣泛應用［3］。

紅外光學系統是在可見光光學系統基礎上發展起來的，因此在設計時沿用了可見光光學系統的設計理念，并在此基礎上結合了紅外系統特有的本質。紅外系統的目標探測信息來源與可見光系統是不同的［4］，紅外系統與可見光系統的相對孔徑有非常大的差異，所以結構及像差的校正也有很大的區別［5］。紅外系統所使用的光學材料也是特殊的可以透過紅外波段的材料［6］；紅外系統在通常情況下需要溫度補償［7］；紅外系統所使用的接收器一般用制冷或非制冷的探測器，而可見光一般是人眼、CCD或CMOS接收。

2 探測器以及材料的選擇

目前用得比較廣泛的探測器有兩種，制冷型與非制冷型。非致冷紅外鏡頭性能好，價格低，維護成本低，另外非致冷探測器的使用穩定性很高［8］，所以在工業設計中使用量越來越大。相對于非制冷型探測器，制冷型的探測器的分辨率要高很多，但是由于制冷像的探測器需要制冷裝置，導致了探測器的體積和重量都很大，并且價格也非常昂貴。制冷型探測器主要應用在比較高端的軍事領域中。

本設計采用的是非制冷焦平面探測器，根據需要選用的探測器是高德紅外制造的GST425CA非制冷紅外焦平面探測器，它的陣列規格是400×300，像元中心距為25μm，可計算出像高為6.25mm。

3 紅外材料的選擇

一般來說可見光能夠被運用的材料種類較多，而能用在紅外系統的材料非常有限；并且紅外材料大多也是用在不同的譜段；在紅外光譜區域透過率高是選擇光學材料的最基本條件。除了光學性能要求外，材料的一些理化性能也必須考慮。表1介紹了幾種常用的紅外材料的一些基本性能。

表1 幾種常用的紅外材料的性能

從表1中可以看出在4μm～6μm波段常用的幾種材料的性能［9］。經過分析與對比，選擇了ZNS與ZNSE作為系統的設計材料。

4 光學系統設計

根據客戶需求整理出整個系統的設計指標，如表2所示。

表2 系統的總體設計要求

4.1 設計指標的分析

解讀這個設計參數就會發現它和普通的紅外系統設計有兩大不同點，首先是鏡頭直接靠近紅外高溫環境；但為了能夠使用非制冷探測器而將系統特意拉長到大于700mm，從這個要求研究結果來看，用一組鏡頭很難完成整體的指標及結構；所以用兩組鏡頭來實現項目的要求：即前組靠近高爐在300℃環境下工作取出探測信息；后組接近常溫的環境下工作更便于放置探測器及裝換后觀察分析。

4.2 前組鏡頭設計

根據需要前組鏡頭的光學參數如下：視場角為60°，相對孔徑為1/1.2，成像波段為4μm～6μm，工作溫度為300℃。

4.2.1 初始結構的選擇

由于現有的紅外系統專利非常少，所以通過查閱相關的資料［10］，選擇了一款七片式可見光的初始結構。這個初始結構的相對孔徑是1 1.2，視場角ω=23°，焦距是1mm。圖1與圖2給出了系統的初始結構與它的MTF曲線。

圖1 系統的二維結構圖

圖2 系統的MTF曲線圖

4.2.2 優化設計

優化設計要做的第一步是將可見光的材料換成系統設計所需要的波段的材料，也就是中波紅外材料；由于原來是可見光的系統其材料折射率及阿貝數與所要用的紅外材料差異很大，在更換材料的過程中一定同時更改半徑并且控制好系統的像質。更換材料完成后，要逐步使得所選擇的系統的光學參數和所要設計的指標相一致，主要需要變動的是視場，視場角的加大一定要逐漸完成，否則會出現系統評價函數太低無法優化的問題。

4.2.3 簡化結構

通過上面的優化，所選擇的七片式系統已經滿足了設計要求，但是系統的結構比較復雜，鏡片數過多，也會給裝調帶來困難。因此決定將系統的結構簡化，減少鏡片的數量，這樣不僅可以降低成本，也更便于裝調。采用簡化方法就是把想要移除的鏡片的前后兩個面曲率半徑增大，直到這兩個面的曲率半徑接近或者達到無窮。就是讓鏡片變成平行平板，然后再把它去掉。在變化曲率半徑的過程中，可以使用CVVA這個操作數。在去掉一個鏡片之后，系統的像質會大不如前，為了提高像質就需要繼續增加非球面的數量，直到滿足設計要求。最后經過簡化，把原來七片式的系統簡化成了五片，像質也滿足設計要求。

4.2.4 優化結果

圖3是優化后的鏡頭結構，鏡頭的總長為50.2mm，焦距為5mm，系統的第2、3、4、10、11面為非球面，光闌位于第4個面與第5個面之間。

圖3 前組鏡頭的結構圖

圖4是優化后的五片式調制傳遞函數（MTF）曲線。從圖4可以看出，在20線對處，系統的MTF曲線均大于0.8，且接近衍射極限。

紅外系統很多都是對能量集中度的要求，所以紅外系統像質的評價經常會用點列圖作為評價標準彌散斑越小證明成像質量越好。運用公式計算系統的艾里斑直徑為5.865μm，在圖5中可以看到彌散斑RMS值最大為5.114μm，均小于艾里斑直徑，表明系統的成像質量良好。

圖5 系統的點列圖

場曲是反映成像質量的一個重要參數，它反映了像面的彎曲程度，由圖6可知，場曲校正在0.05mm范圍內滿足設計要求，畸變雖然不影響成像質量，但是畸變的大小影響成像的準確性，通過校正，系統畸變小于3%，滿足設計要求。

圖6 系統的場曲畸變圖

4.2.5 前組鏡頭熱分析

在光學設計軟件ZEMAX中建立熱分析模型，由于前組是在300℃的條件下工作，所以只需要分析溫度在300℃附近波動的時候對系統的影響即可。所以取300、280、320℃三個溫度對系統進行分析。分析結果如下：

圖7 280℃時系統的MTF曲線

圖8 320℃系統的MTF曲線

從圖7、圖8可以看出在280℃和320℃時系統的MTF曲線均在0.7以上。

從圖8、圖9可看出在280℃和320℃時系統的點列圖大部分都在艾里班以內。

圖9 280℃系統的點列圖

圖10 320℃系統的點列圖

結果表明，當溫度在300℃左右波動的時候，系統的成像質量很好且能保持穩定。

4.3 中繼系統設計

由于前組鏡頭所處的環境溫度過高，探測器無法在這么高的溫度下正常工作，所以就需要一個中繼系統對前組鏡頭所成的像進行二次成像。目的是使探測器可以遠離高溫區域。由于中繼系統所處的位置的特殊性，會導致中繼系統的前后溫度不一致，前面兩片鏡片溫度會接近前組鏡頭的溫度，而后四片鏡片的溫度會逐漸降低。所以在設計的時候前兩片的溫度設置為300℃，第三片和第四片的溫度設置為120℃，而后兩片的溫度設置為70℃。

圖11 中繼系統的結構圖

從圖11中繼系統的結構圖可以看出，該系統是由6片鏡片組成，總長達到了700mm，第5、6、7、8個面為非球面，光闌位于第6和第7個面之間。

從圖12系統的MTF曲線可以看出，每個視場的傳遞函數曲線均接近衍射極限。

圖12 中繼系統的MTF曲線

從圖13中可以看出每個視場的點列圖大部分都在艾里斑之內。

圖13 中繼系統的點列圖

同樣，中繼系統也需要進行熱分析。對其熱分析的思路與前組略有不同。由于中繼系統本身的溫度就是不均一的，所以在熱分析的時候也要重新建立熱分析模型。建立熱分析模型的思路是讓前兩片鏡片的溫度在300℃上下波動，分別取320℃、300℃、280℃。第三片和第四片的溫度在120℃左右波動，分別取130℃、120℃、110℃。后面的兩片的溫度在70℃附近波動，分別取80℃、70℃、60℃。

在對應的溫度與壓強下，輸入的項目類型包括：表面曲率CRVT、表面間隔THIC、玻璃名稱GLSS、非球面系數PRAM、通光口徑SDIA。經過ZEMAX軟件的模擬，得到了27組結果。現在選取其中的兩組如圖14-17所示。

圖14 前中后分別為320、130、60℃時系統的MTF曲線

圖15 前中后分別為320、130、60℃時系統的MTF曲線

圖16 前中后分別為300、110、70℃時系統的MTF曲線

圖17 前中后分別為290、1200、80℃時系統的MTF曲線

從MTF曲線可以看出，當溫度相對于理想的溫度產生上下浮動時，確實會影響系統的成像質量，MTF曲線相對于理想情況的曲線都會有所下降，但是下降的并不明顯，MTF曲線均達到了0.7以上，表明成像質量仍然能夠保持穩定。

4.4 前組與中繼的組成整體系統

將中繼系統與設計完成的前組鏡頭對接，再加上后面的探測器，就構成了整個高溫爐探測裝置。圖18為整個系統的結構圖。可以看出系統的整體結構合理，且系統的總長也達到了700mm，符合了設計的要求。

圖18 系統結構圖

圖19、20、21為系統的MTF曲線、點列圖、場曲畸變圖。

圖19 系統的MTF曲線圖

圖20 系統的點列圖

圖21 系統的場曲畸變圖

按照瞳與瞳的銜接以及數值孔徑相同的情況下將兩個系統進行了組合，組成后系統成像質量略有下降，整體結構及像質滿足了高溫爐進行測量的要求。

5 結語

本文通過對高溫爐探測裝置的光學系統設計，得到了一款滿足實際需求的光學鏡頭。該系統具有較大的相對孔徑1/1.2；系統長度比較長大于700mm，更有利于圖像的探測。系統選用了比較常用的紅外材料ZNSE和ZNS，這兩種材料的光學性能非常好，且耐高溫，非常適合在高溫下工作的光學系統。另外，還分別對系統的兩個組成部分進行了熱分析，結果表明，在環境溫度有小幅波動的情況下，兩個系統像質均能比較穩定，可滿足使用要求。

參考文獻

［1］ 于曉明.高溫爐窯測溫監控攝像機的研制［D］.上海：東華大學，2009.

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［5］ 李利.雙波段紅外光學系統無熱化設計［D］.南京：南京航空航天大學，2012.

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［8］ 高繼紅.高性能紅外測系統研究［D］.上海：上海交通大學，2015.

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［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.