光學鏡頭—紅外熱成像鏡頭
2020-09-28
引 言
“黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它尋找光明”，詩人顧城如是說。光學人卻說 “黑夜給了我黑色的鏡頭，我卻用它尋找熱量”；當置身于黑暗之中，最期望的是什么？當然是一雙能看透黑暗的眼睛，而紅外鏡頭就是這種能感知熱量、看透黑暗的眼睛。
一、紅外光
光是一種電磁波，按頻率從低到高分類，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線、伽馬射線和無線電等。如下圖所示，只有可見光譜區0.38－0.76um內的電磁波是人眼可見的，而紅外光譜區0.76-1000um的電磁波是人眼不可見的。
紅外光的0.78－3.0um的部分稱為反射紅外；3.0－18um的部分稱為發射紅外或熱紅外，只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發射電磁波。世界上不存在溫度等于或低于絕對零度的物體，因此在自然界中，一切物體都會不停發射熱紅外線。熱紅外線（或熱輻射）作為自然界中存在最為廣泛的輻射，具有兩個重要特征：
1) 物體的熱輻射能量的大小同物體表面溫度相關，這使得人們可以利用它對物體進行無接觸的溫度測試和熱狀態分析，從而為工業生產、節約能源、保護環境等方面提供一個重要的檢測首都和診斷工具。
2) 大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3－5um和8－14um的熱紅外線卻是透明的。因此利用這兩個窗口，使得人們在完全無光的夜晚或是在煙云密布的戰場，也能清晰地觀察前方的情況。
二、紅外熱成像技術
紅外熱成像是被動式成像，使人眼不可見的表面溫度分布變成人眼可見的代表物體表面溫度分布的熱圖像。熱圖像與可見光圖像不同，不是人眼可見的彩色圖像，而是物體表面溫度分布圖像；不同物體甚至同一物體不同部位輻射能力強弱不同，利用物體與背景環境的輻射差異以及物體本身各部分輻射差異，熱紅外圖像能呈現物體各部分的輻射差異從而顯示物體的特征。
紅外熱像儀按工作溫度可分為制冷型和非制冷型兩種。
1) 制冷型：其探測器中集成一個低溫制冷器，用于給探測器降溫，為了使熱噪聲信號低于成像信號，成像質量更好。
2) 非制冷型：其探測器不需要低溫制冷，通常是微測輻射熱計，適合在接近室溫的環境下工作。
三、紅外熱成像鏡頭
紅外熱成像鏡頭也是一種光學鏡頭，通過透鏡組匯聚物體發射的紅外光到圖像傳感器（芯片）上，由芯片進行光電信號的轉換，最后形成由物體本身與背景之間的熱紅外線差所組成的熱紅外圖像。為了減少背景噪聲信號的影響，F數越小越好；在極寒、極熱，或是溫差很大的情況下，紅外透鏡的曲率、厚度、折射率及鏡筒的變化會導致鏡頭離焦，為保證成像清晰需要對鏡頭重新聚焦，需要電動或者手動調焦，為消除溫度變化帶來的不利影響，需要無熱化設計，通常會采用不同的光學材料，進行光學補償（溫差），或者采用機械材料與光學材料變化趨勢相反的設計，進行光機補償。
紅外透鏡中使用最多的是折射率為4 .0的鍺晶體，它適用于2-25um波段；而折射率為3.0的硅晶體常用于1-6um波段。鍺硅等紅外晶體材料的原料有限且價格昂貴，因此在不少光學系統設計中通常會采用非球面或者衍射面來減少鏡片數量同時兼顧優異的成像效果。隨著商業紅外應用的普及，如夜視、槍瞄、車載等，硫系玻璃也因原料成本低、加工效率高和溫度穩定性好等特點適合于大批量加工生產。
紅外熱成像鏡頭按波長應用窗口通常可分為中波紅外熱成像鏡頭（MWIR鏡頭）和長波紅外熱成像鏡頭（LWIR鏡頭）兩大類。
1) MWIR鏡頭適用于物體溫度較高的場景，其工作波長主要落在3.0－5.0um的中波紅外，穿透煙霧與塵埃的能力很強，分辨率較高，成像質量優異；通常配合中波制冷型探測器使用，光欄置于鏡頭后方，因此鏡頭和相機體積龐大，但是探測距離很遠，如焦距150mm、300mm的鏡頭，可以看到10 km-30 km的距離；同時具有隱蔽性好，能晝夜工作的特點，廣泛應用于軍事及測高溫等領域。
2) LWIR鏡頭適用于物體溫度較低的場景，其工作波長主要落在8.0－14um的長波紅外，分辨率較低，但可以為提供高精度的溫度測量；通常配合長波非制冷型探測器使用，其鏡頭設計是商業化主導的，成本較低、輕便小巧，維護方便，廣泛應用于電力、化工、消防、醫療等領域。
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