红外光学镜头的设计，不同镜头有不同方法

作者：黄胜弟 南京波长光电科技股份有限公司总经理

红外成像是通过透镜组汇聚被探测的光信号到探测器上，再由探测器及其后道进行光信号到电信号的转换。探测器和应用领域不同，光学系统所使用的透镜材料亦不同。针对不同红外透镜材料的特性，加工手段和工艺装备也各不相同。

红外镜头的设计，需要根据探测器的像元和尺寸、具体运用的场合，还有性价比等因素来综合考虑进行设计。一般来说，红外晶体尤其是Ge、 ZNS原材料价格等比较昂贵，因此在不少设计中，设计师们会采用非球面或者衍射面来减少镜片数量同时兼顾优异的成像效果。由于非球面和二元面的加工和检测也比较昂贵，因此尽量不要采用多个非球面或者衍射面。

SWIR镜头，尤其是扩展型波段的SWIR短波红外镜头，能够采用的材料需要考虑宽波段透过可加工、透可见光等因素，因此ZNSE、ZNS、CaF2等成为普遍的选择，另外，还有一些少见的玻璃。但是，需要注意的是，一般情况下这些玻璃没有库存，生产频率也不高，因此在采用之前，需要确定这些材料是否可以准时交货并且具有持续供货的可能。比如肖特或小原光学，某些材料每年只生产一次，如果你错过了这个采购机会，就要再等待一年。

SWIR镜头

MWIR镜头

MWIR镜头通常是配合中波制冷型探测器使用，光栏置于镜头后方，因此镜片比较大，还要考虑所谓的冷光栏效果（鬼影、反射，又叫冷屏效果）。制冷镜头和探测器体积虽然庞大，但是探测距离可以达到很远，如焦距150 mm、 300 mm， 可以看到10 km到30 km的距离。

冷屏鬼影

LWIR镜头

LWIR的设计是商业化主导的，就是既要便宜又要效果好。因此非球面采用的比较普遍。另外，随着商业应用的普及，如车载夜视、枪瞄、手机等运用，硫系玻璃开始变为这类应用的宠儿。由于可以低温模压成型，硫系玻璃镜头的价格可以做到很低（如果数量很大的话）。

LWIR镜头

在极寒和极热的条件下，尤其是温差很大的时候，红外透镜的曲率、镜片厚度、镜筒及镜片材料的折射率变化导致镜头离焦，为保证成像清晰需要对镜头从新聚焦，需要电动或者手动调焦，为消除温度变化带来的不利影响，需要无热化设计，通常设计师们会采用不同的光学材料，进行光学补偿（温差），或者采用机械材料与光学材料变化趋势相反的设计，进行光机补偿。也有一种AF自动调焦设计，是通过软件技术，不断地逼近焦平面，从而电动调焦自动聚焦。

双视场、三视场设计

双视场、三视场设计，指的是一组镜片，在不同的位置，可以获得固定的不同的焦距，比如25 mm、50 mm、75 mm。这类镜头的光学设计只需考虑三个焦点处的成像品质，而无需考虑变化过程中的像质变化。这是一种非常实在的设计，比如在小焦距25 mm的情况下很容易发现目标，迅速切换到50 mm或者75 mm焦距，可以放大看清楚目标。

双视场

连续变焦镜头

连续变焦镜头（连续变倍）可以算是最有挑战性的镜头了，而且变倍比越高，难度越高。目前市面上出现的20x变倍比的镜头来自于一家叫做Ophir的公司，镜头采用了三个光路的切换，达到15-300 mm的连续变焦效果。除了光学的方面的高挑战性，机械结构的难度也异常地高。

变焦设计

反射式设计

反射式设计一般出现在长焦距的镜头上，这是为了减小镜头的体积（太长），在光路中加入反射镜片进行折返，以缩短长度。由于是红外宽波段，一般的金属膜就可以达到反射的效果。

折反设计

测温、成像镜头

测温镜头的设计和成像镜头的设计有些不同的考虑点。由于需要测温，因此镜头设计的关注点在于减少杜绝反射或杂光等，会妥善处理光栏的位置大小。其相对照度均匀性为评价镜头好坏最主要的指标之一。一个好的镜头设计，需要综合考虑光机配合的效果，缺一不可。市场上也有很好的光机模拟软件，专门提升光机配合的效果。

可以说，机械设计非常重要，轻量化设计在车载、机载上有严格的要求，更不用说在军事上的运用了。最近，商业运用的红外也越来越广泛，消费者不愿提着笨重的红外镜头，他们更喜爱那些像塑料一样轻的产品，因此，关注红外光学镜头的设计非常重要。

红外热像仪必备知识

什么是红外热成像仪？

红外热成像仪是一款集成有视觉显示的手持式电子设备，旨在检测热能。安装在特殊镜头上的热传感器是热成像仪的关键组件，它可以与标准图像捕获技术配合使用。凭借这一功能，工程师可以快速识别温度过高的区域或热能浪费的源头，例如建筑物组件过热或潜在的隔热间隙。可见光仅构成电磁波频谱的一小部分，也是我们实际上可见的唯一部分。当指向物体或区域时，红外热成像仪上的传感器可以让用户查看原本不可见的红外光谱，即可见光和微波之间的波长。尽管某些应用为了减少视觉“繁忙度”并改善对细微细节的捕捉而选用黑白显示，但其通常会被渲染为彩色图。

在彩色红外显示图上，较热的组件或区域将显示为红色、橙色和黄色，而较冷的部分通常将显示为紫色和蓝色（绿色通常表示大约处于室温）。由于红外热成像仪旨在测量红外辐射，而非可见光，因此它们也可用于识别非常黑暗或其他遮蔽环境中的热源。

英国畅销的红外热成像仪通常采用人性化的人机工程学设计，旨在提供广泛的热敏温度检测功能。它们可用于各行各业，是应急部门、医务人员、产品制造商、工程师、维护人员的好帮手，同时也是众多家庭爱好者和忠实粉丝的经济之选。

红外热成像仪的发展历程

近几年由于热成像技术的大规模生产，促使手持式热成像仪（也称为热成像仪、热检测或红外热成像仪）成为大多数民用或业余爱好者的理想之选。

但将热能用于红外光谱显示并不是一个新概念。实际上，基本的热成像原理由200多年前德裔英籍天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）确立的：

尽管红外热成像仪还有待广泛开发，但赫歇尔的发现很快被用于早期热电偶模块的生产，并且这些模块可以在相当大的距离范围内检测身体散发出来的不可见热量。在随后的几年中，他的发现被许多其他物理学家、工程师和发明家进一步发展：

如今，随着智能传感器、微电路和WiFi连接等尖端技术的成本骤降，使得热成像仪成为众多专业人士以及家庭用户的热门之选，广泛用于工程、维修、设计、创意等领域。

红外热成像仪的工作原理

红外（IR）或红外热成像仪的工作原理是检测并测量从物体发出的红外辐射，即热信号。为此，必须首先为热成像仪配备一个可以使红外频率通过的镜头，该镜头可以将红外频率聚焦在特殊的传感器阵列上，从而检测并读取这些频率。传感器阵列被构造为像素网格，每个像素网格都会对射入的红外波长产生反应，并将它们转换成电子信号。然后这些信号将被发送到热成像仪主体内的处理器，该处理器使用算法将其转换为不同温度值的彩色图。这张彩色图随后会被发送到显示屏上。许多红外热成像仪还包括与可见光谱配合使用的标准拍摄模式，类似于单击式数码相机。这样就可以轻松比较IR模式和正常模式下的相同镜头；一旦用户从镜头后面移开，这有助于快速识别特定的问题区域。

红外热成像仪的使用问题 除了与红外热成像仪工作原理相关的问题外，人们还经常询问热成像仪在特定场合的使用问题，以及该技术在特定环境或应用中的有效性。本节将为这类问题提供解答，并讲述技术背后的原因。为什么红外热成像仪在夜间性能更佳？ 红外热成像仪通常在夜间性能更佳，但这与周围环境的亮暗无关。由于夜间的环境温度（重要的是未加热的物体和环境的核心温度）比日间低得多，因此热成像传感器能够以较高的对比度显示温暖区域。即使在相对凉爽的日间，太阳的热能也会被建筑物、道路、植被、建筑材料等吸收。在一天当中，各类物体都会在环境温度中吸收热量，在使用热成像仪传感器检测时，这些物体与其他待检测温暖物体的区别不甚明显。同理，如果在黑暗中停留数小时（非太阳落山后），大多数热成像仪会清晰显示温暖物体；即使是在白天，清晨也比正午更加明显。热成像仪可以穿透玻璃检测吗？ 您可能会惊讶地发现，热成像仪通常无法通过玻璃检测。从物理学的角度看，很难解释这一问题的技术原因，但是它的原理却很简单。从本质上看，可见光可以穿过玻璃，但玻璃对于红外波长就像是镜子（这就是为什么红外热成像仪镜头通常由锗或硒化锌而非玻璃制成）。如果将红外热成像仪对准窗户，屏幕上将无法清晰显示另一侧的图像，您很可能看到的是一团模糊，并且这很可能是您手持镜头的模糊反射。

但这并非绝对，有些红外频率可以穿过玻璃，而且某些类型和配置的玻璃允许不同程度的红外光通过。例如，汽车挡风玻璃往往比标准的家用玻璃产生更好的结果。不过在大多数情况下，大部分图像会被玻璃“错误”侧的红外线反射所遮盖，并显示不同程度的不透明度。至少所查看物体将缺少明显的细节和对比度。简而言之，您无法使用热成像仪在通过玻璃（或其他各种类型的高反射表面）的情况下获得准确的读数。热成像仪可以在水下工作吗？ 红外热成像仪往往无法在水下正常工作，其原因与上述玻璃问题相关。水会阻挡很多红外波长，就像不透明的屏障会阻挡可见光波长一样。就像我们无法看穿油漆一样，红外线传感器也无法“看穿”深水，因为它所检测到的波无法穿过水。水为红外热成像仪提出了另一个具有挑战性的问题，这与导热率和比热有关。水的热容比空气高得多，因此将同等体积的温度升高或降低1度需要四倍的能量。这意味着物体相对于水而言会以更快的速度、更短的距离损失（或获得）自身的热能。因此，对热成像而言，水中的物体会比空气中的物体更难进行热成像。红外热成像仪可以穿透墙壁吗？ 不能。但确切地说，它们根本不会“穿透”任何物体。红外热成像仪旨在检测视线范围内第一个物体的表面温度；将一个点指向墙壁或其他固体表面，它将记录该表面向外散发的热量。

由于大多数建筑物都经过工程设计和绝缘设计，可以吸收热量，因此外部热成像仪很难反映内部情况，反之亦然。请注意：红外热成像仪可用于检测从墙后散发的极端热量（例如房屋发生火灾的情况下），这是因为墙壁本身也会很快变热。类似地，一些热成像仪足够灵敏（高达+/-0.01℃），可以记录人发出的热量，例如站在薄（且冷）墙壁的另一侧，但前提是人要站立足够长的时间，以使自身的热量能够通过墙壁的传递到那个点。

红外热成像仪的用途

如今，除了基本的工程应用之外，应急服务也广泛使用红外热成像仪。该技术会定期部署在各种场景中，包括消防、夜间警察追捕以及灾难响应搜索和救援。不过，红外热成像仪至今仍有一些可能不太明显的用途。在本节中，我们将简要介绍一些常见场合。

红外热成像仪通常用于无人机（UAV）中，以增强其在危险或难以观察条件下的侦察能力。对于无人机爱好者，热成像对于摄影师来说用途广泛；对于应急部门，无人机热成像还可以用于搜索和救援团队，以及军事应用。

红外热成像仪可以帮助消防员在尘埃、雾气、灰烬以及污染物遮挡等低能见度条件下发现幸存者；此外，它还可以帮助发现热点、潜在的火源，或指示火灾可能的源头位置（例如地下或空腔壁内）。

如今，Apple iOS和Android手机有大量的“热量”和“红外”照片应用程序可用，但它们几乎全都是模拟程序。独立的应用程序一般是在手机相机上施加精美滤镜，以有效模拟热检测成像的整体外观。要在智能手机上获得真实的热成像体验，您需要购买辅助热成像仪，并将其连接到手机上，同时结合相应的应用程序使用。菲力尔等品牌的红外热成像仪在英国热销。

如今，野生动物摄影、动物追踪和环境监测都是热成像技术的常见领域。可以设置配备有智能传感器的红外热成像仪，这样它可以无人值守地在自然栖息地中使用，或者在夜间或其他难以发现野生动物的情况下自动触发。与之前相比，它还可以对某些地区的物种和行为进行更加全面的监测。

红外热成像仪可以应用于一些非常重要的海洋应用，尤其对于夜间航行、大雾或恶劣天气，它可以显著增强碰撞检测系统。如前所述，尽管水下热成像的有效性受到了巨大限制（即使使用先进的技术），但如今符合海洋等级规格的热成像仪已得到了广泛使用，能够安装在各尺寸远洋轮的多个位置。

如今，几乎所有营业场所会部署各种形式的安全热成像仪技术。近年来，热成像监控设备已逐渐成为标配产品，以实现更好的保护、识别和投资回报。热安全热成像仪可在低光和可见度较差的区域中表现良好，并能够消除办公室以及仓库附近的诸多视觉伪装（例如茂密的树叶）。此外，CCTV热成像仪还可以与智能传感器和分析技术相结合，助力减少错误警报的数量。标准CCTV装置必须沿可见视线放置才能有效运行，同时还需要昂贵的额外照明才能提供基本功能；而热检测系统更加经济实惠，支持长期运行。

尽管红外热成像仪和标准“夜视”装置均可在弱光或其他情况下提高可见度，但实际上它们是两种不同的产品，依赖于不同的技术。其关键区别在于，夜视热成像仪（在电影中看到的夜视热成像仪，夜间显示粒状的绿色和白色）依赖适量的环境光，以放大其无法检测到的物体。出于各种原因，传感器无法应对太多的光线，但是许多人并未意识到，在完全黑暗的环境中，夜视技术也不能胜过人眼。因此，许多夜视热成像仪都配备了附加的红外照明功能，以便提供更大波长的可放大电磁信号，以帮助传感器在非常黑暗的条件下工作。这些是肉眼看不见的，但使用夜视仪的其他人都可以轻易检测到；这在许多应用中并不构成问题，但却无法良好用于军事或监视用途。虽然夜视可以在适当的条件下提供更自然的图像，但如果物体被雾气、烟雾、灰尘或伪装遮挡，其效果远不如热成像。

当前许多热成像仪都可用于工业用途，英国市场提供各种不同的配置和制造标准，以适应富有挑战性的应用和环境。其中包括经认证可用于易爆气体区域的热成像仪（例如石化行业）；采矿等地下应用；制糖和谷物处理等行业存在大量空气传播尘埃颗粒的区域。如果您的工业红外热成像仪需要特定认证，请与供应商联系并咨询制造指南，以确认满足所有相关标准（例如ATEX和IECEx批准用于1区爆炸性环境）。

总结

由于红外热成像仪具有众多型号、设计和灵敏度，因此在确定产品或配件之前，必须准确了解您要购买的产品。购买应考虑的关键因素包括：

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