CN102736258A - 建筑用折/衍/偏混合型热成像光学*** - Google Patents

Abstract

本发明属于对建筑用红外波段光学成像结构的改进，涉及红外折/衍/偏混合型热成像光学结构的研究。采用二元光学元件的折射/衍射混合热成像红外光学***，不仅能够很好的校正单色像差以及色差，而且使得***的结构简单，体积小，重量轻。利用红外偏振片可以滤除建筑物光滑表面对太阳光反射造成的偏振型干扰光的作用，实现了光学***的高对比度和高性能成像。本发明综合考虑非球面和衍射面对像差校正的优势，采用单片光学镜片实现了光***的高质量成像，提高了性价比，降低光学***的装配公差。

Description

建筑用折/衍/偏混合型热成像光学***

技术领域：本发明属于用于建筑物检测的红外热成像***结构，涉及一种含有折/衍/偏混合热成像***结构。

背景技术：目前，我国每年都要消耗全球一半的钢铁和水泥用于建筑业，但由于检测方面的局限，产生了大批建筑废物，为此政府号召房地产开发企业提高建筑质量，将目前30年的建筑平均寿命延长至100年。红外热成像因其非接触、整体温度分布显示的特点，在建筑检测中占有越来越重要的地位，目前红外热像仪在建筑检测的主要应用有：

1.建筑节能检测：检测热工缺陷，热桥缺陷，外墙保温节能等，确保建筑性能及质量，避免造成重大损失或危害，并对建筑节能起到评估作用。

2.建筑质量检测：用于建筑渗漏、电气***、暖通空调***、管路***等检测，例如：渗水、外墙空鼓、管道密封不良、电气故障等。

红外热成像是通过探测目标和背景之间的温度和发射率的不同，使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成可视的红外热图像。第一代热像仪：由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成。20世纪90年代法国汤姆荪公司研制出致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品，推动了第二代热成像仪的发展，其特点是：采用焦平面阵列技术，集成数万个乃至数十万个信号放大器，将芯片置于光学***的焦平面上，取得目标的全景图像，无需光——机扫描***，大大提高了灵敏度和热分辨率。随着探测器像元尺寸的减小，探测器总面积的增加，以及红外光学***对能量的要求，红外热成像光学***的F数很小，视场角很大，为了获得高性能的成像质量一般采用增加透镜的方法来实现，需要昂贵的红外稀有材料，使***透过率下降，***结构复杂。此外，对于建筑用红外热像仪一般应用于白天，势必要受到太阳辐射的影响，使得红外热图像对比度下降，不能准确的反应建筑本身的温度和发射率，从而降低了建筑物检测的准确性。

发明内容：针对上述背景技术存在的问题，本发明的目的是要解决红外热成像光学***F数小，视场角大、受太阳辐射影响大，减少昂贵的红外稀有材料的使用，简化***结构，降低***重量等问题，本发明设计了一种结构简单，不用特殊材料，F数小于1，适宜白天应用的折/衍/偏混合型建筑用红外热成像光学***结构。

为实现上述目的，本发明的红外光学***中引入了二元光学元件即折射衍射混合透镜和红外偏振片如图1所示，在沿着光束传播的方向依次置有孔径光阑1、折/衍混合正透镜2、红外偏振片3、凝视型非制冷红外探测器4，孔径光阑1位于折/衍混合正透镜2的前表面处，折/衍混合正透镜2的凸面对着光线的入射方向，使入射的光线经折/衍混合正透镜2的会聚作用和红外偏振片3对偏振干扰光的滤除作用，成像到凝视型非制冷红外探测器4的位置处；折/衍混合正透镜2的前表面为光学***的孔径光阑1的位置，零视场的边缘入射光线在折/衍混合正透镜2的前表面上的入射高度最大，选择在折/衍混合正透镜2的前表面上加高次非球面，校正***的初、高级球差和彗差；折/衍混合正透镜2的后表面离光学***的孔径光阑1的位置较远，边缘视场的主光轴入射光线在折/衍混合正透镜2的后表面上的入射高度较大，选择在折/衍混合正透镜2的后表面上加高次非球面和衍射面，校正***的初、高级彗差、像散和色差，同时可以增大光学仪器的使用温度范围。

本发明的成像光学***工作过程：入射的红外光线通过孔径光阑1照射到折/衍混合正透镜2的前表面上，经过折/衍混合正透镜2的会聚作用和红外偏振片3对偏振干扰光的滤除作用，成像到凝视型非制冷红外探测器4的位置处。整个***仅采用一片折/衍混合正透镜2实现光学成像，因此为了获得良好的成像质量和大的使用温度范围，在光学***设计时，折/衍混合正透镜2的前后表面均采用高次非球面校正***的初、高级单色像差，并在折/衍混合正透镜2的后表面非球面的基地上衍射面实现***的色差和热差校正，保证***在较宽的温度范围仍能高质量成像。

本发明的积极效果：由于本发明采用衍射元件与传统的折射元件组成折射衍射混合透镜和非球面，利用了光在传播中的折射和衍射两种特性，增加了光学设计过程中的自由度，减少了用来校正像差和色差所需透镜的数量；在***中，利用衍射元件修正波前的作用来校正***的初级像差与高级像差，利用衍射元件分配光焦度以及与折射元件不同的色散性能来校正***的色差；利用衍射元件的热膨胀特性与折射元件之间的差异，实现非制冷红外热像仪的被动减热差效应；利用偏振元件可以滤除光滑表面对太阳光反射造成的偏振型干扰光的作用，实现了光学***的高对比度、高性能成像。本发明能够综合非球面和衍射元件的对光学***像差校正的优势，采用单片光学镜片实现了光***的高质量成像，提高了性价比，降低光学***的装配公差。

附图说明：

图1是本发明的红外热成像***结构图也是摘要附图

图2是本发明光学***的调制传递函数曲线图

图3是本发明中衍射面线频率(a)和相位(b)随元件径向坐标的变化曲线图

具体实施方式：下面结合附图，对本发明的实施作进一步说明

如图1为本发明所设计的建筑用折/衍/偏单片式红外热成像光学***最佳实施例结构示意及光学原理图：包括有孔径光阑1、折/衍混合正透镜2、红外偏振片3、凝视型非制冷红外探测器4。

实施例为设计波段为8～14μm，口径为80mm、视场角为12°、***焦距为72mm，F数为0.9的红外***。

图1中入射的红外光线通过孔径光阑1照射到折/衍混合正透镜2的前表面上，经过折/衍混合正透镜2的会聚作用和红外偏振片3对偏振干扰光的滤除作用，成像到凝视型非制冷红外探测器4的位置处。整个***仅采用一片折/衍混合正透镜2实现光学成像，因此为了获得良好的成像质量和大的使用温度范围，在光学***设计时，折/衍混合正透镜2的前后表面均采用高次非球面校正***的初、高级单色像差，并在折/衍混合正透镜2的后表面非球面的基地上衍射面实现***的色差和热差校正，保证***在较宽的温度范围仍能高质量成像。折/衍混合正透镜2采用常见锗材料，红外偏振片采用高性能材料KRS-5。

折/衍混合正透镜2前表面的非球面拟合公式如下：

${\mathrm{\α}}_4{Z}_{\mathrm{sub}}\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{r}^i$

c是球面顶点的曲率为0.01404，圆锥系数k＝-0.339，α_i是非球面系数，α＝9.5×10^-8，α₆＝-4.4×10^-11。

折/衍混合正透镜2后表面的非球面拟合公式如下：

基底非球面拟合公式：

$Z_{\mathrm{sub}}\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{r}^i$

衍射面拟合公式：

$Z_{\mathrm{diff}}\left(r\right)=\frac{1}{(N_0-1)}\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2j}{r}^{2j}+\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{(N_0-1)}\left[\right|\mathrm{Int}\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{2j}{r}^{2j}\left|\right]$

第五表面11的面形拟合公式：

Z_total(r)＝Z_sub(r)+Z_diff(r)

中心波长λ₀为10μm，基底材料在中心波长的折射率N₀＝4.003125，基底非球面系数：c＝0.0101，k＝3.344，α₄＝4.61×10^-7，α₆＝5.67×10^-10，A_2j为衍射面系数：A₂＝-0.03，A₄＝-1.58×10^-6，A₆＝-1.21×10^-9。

图2给出了8-14μm红外波段折/衍/偏混合混合型热成像***的调制传递函数(MTF)特性曲线，可知***设计接近衍射极限。

图3给出了谐衍射面的面型参数曲线。其中曲线a表示线频率随元件径向坐标的变化，曲线b表示相位随元件径向坐标的变化。由曲线a可知，在孔径边缘处的线频率为0.56 periods/mm，对应最小线宽为1.79mm，完全满足现代高精度金刚石车削的加工要求。

Claims (2)

1.建筑用折/衍/偏混合型红外热成像光学***，其特征在于：在沿着光束传播的方向依次置有孔径光阑1、折/衍混合正透镜2、红外偏振片3、凝视型非制冷红外探测器4，折/衍混合正透镜2的凸面对着光线的入射方向，使入射的光线经折/衍混合正透镜2的会聚作用和红外偏振片3对偏振型干扰光的滤除作用，成像到凝视型非制冷红外探测器4的位置处；折/衍混合正透镜2的前表面上加高次非球面，校正***的初、高级球差和彗差；折/衍混合正透镜2的后表面加高次非球面和衍射面，校正***的初、高级彗差、像散和色差，同时用以增大光学仪器的使用温度范围。

2.根据权利1要求所述的红外折/衍/偏单片式红外热成像光学***结构，其特征还在于折/衍混合正透镜2使用锗材料，红外偏振片采用高性能材料KRS-5。

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