光學鏡頭——紫外成像技術

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光學鏡頭——紫外成像技術

2020-09-25

引言

隨著數碼相機、智能手機、安防監控等鏡頭應用的趨于成熟，車載成像、紅外熱成像等新興領域，將成為光學鏡頭產業增長的新力量。人工智能、物聯網等前沿技術的逐步落地，正將光學鏡頭應用至國民經濟更廣闊的領域，光學鏡頭將成為未來信息化世界的眼睛。不管哪一種類的鏡頭，其基本用途都是收集物體所散射或發射的光線，并在圖像傳感器上重現物體的圖像。不同波長光線的折射率不同，同一點發出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，導致產生色差；波長跨度越大，色差也越明顯。在進行光學系統設計時要針對不同的波長范圍，因此光學成像鏡頭按其應用的波長可分為紫外成像鏡頭、可見光成像鏡頭和紅外成像鏡頭等。前兩期我們說了紅外鏡頭，這期我們來談談應用波長更短的紫外成像鏡頭。

一、紫外線

本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發射電磁波；電磁波從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線和伽馬射線等。光也是一種電磁波，紫外線通常是指波長在100—400nm之間的電磁波，相對于人眼不可見。

對于波長在190—285nm范圍內的太陽光紫外線，在穿過大氣層的過程中，幾乎完全被地球的臭氧層所吸收；而且即使在臭氧層以下的大氣里，其它組份的散射作用以及地表臭氧，也對其有吸收作用，即這個波段的紫外線在地表的背景輻射幾乎為零，這就使得地表附近形成了一個天然“暗室”——這里幾乎完全探測不到自然產生的該波段紫外線，也稱為“日盲”紫外線。地球上如果出現日盲紫外線，通常只有三種情況：一是自然異常氣象，例如強閃電之類；二是非自然的危險信號，例如槍支開火、火藥爆炸、火災和高壓輸電線漏電產生的電暈等；三是人為制造的日盲紫外光源。這意味著，如果在“暗室”中測到日盲紫外信號，就意味著特定事件的發生。

二、紫外成像

在日盲紫外光譜區，背景噪音極低，日全盲紫外成像技術同紅外探測技術和可見光探測術相比，具有以下優點：
1) 全天時、全天候：白天檢測完全跟不受強烈太陽光影響，也不受環境變化（霧、霾及晝夜變化）及其它高溫干擾源的影響；
2) 直觀、無需圖像處理：日全盲紫外圖像無背景干擾，成像直觀，不需要進行復雜的圖像處理，如導彈來襲，根本無需復雜的圖像處理，“發現即目標”；
3) 精度高：抗干擾能力強，適用于各種復雜環境（夜間、惡劣氣候、電磁干擾等），能實現厘米級的高精度定位；
4) 靈敏度高：含成像的響應時間達到10ms級；
5) 監測范圍廣：能夠在數公里外進行實時檢測，通過架設云臺或直升機觀察等方式，能夠覆蓋很大一片區域；
6) 結構簡單：無需低溫冷卻、無需進行掃描，檢測成像系統體積小、重量輕，功耗低。
日全盲紫外成像是以日盲技術為核心，在飛機破霧盲降、船舶破霧引航、導彈告警、天基預警、森林火情告警、電網安全監測、海上搜救、衛星導航以及刑事偵查等方面逐步廣泛應用。電力系統和高鐵系統，使用日全盲紫外成像技術，實現靈敏度高的電暈和電弧檢測，以發現早期局部缺陷，提出預警；并能監控設備運行，避免設備帶病運行，避免重大事故的發生。利用森林火情能夠發出日盲紫外信號的原理，能夠遠距離實時監測森林火情，同時屏蔽其他高溫物體干擾，解決現有紅外與可見火情告警虛警率高的問題。

除了能遠距離成像，紫外成像還可以用于近距離刑偵拍照，主要是搜索潛在指紋、腳印，隱藏血印、纖維等物證等，即利用紫外成像拍攝某些潛在的、反差微弱的或受背景干擾的手印痕跡，適用于拍照玻璃、塑料、搪瓷、油漆、照片和膠帶粘滯層等物體表面上遺留的手印。玻璃因強烈吸收254nm短波紫外線呈黑色，汗液指紋則因有50%的反射率而呈白色，黑白色的反差很大，因此紫外成像能將細微特征表現的非常清晰。

三、紫外成像鏡頭

雖然只要紫外光足夠強，曝光時間足夠長，一般的可見光鏡頭也可以透過紫外線，但一般的光學玻璃在紫外區域有天然的吸收帶，因此專業的紫外成像鏡頭必須使用特殊的紫外光學材料（紫外玻璃或晶體）來制造透鏡，紫外光學系統也需要進行色差校正以保證系統具有良好的性能，但由于可選擇的紫外光學材料有限且色散系數差別較小，因此紫外光學系統的色差校正有一定的難度。有些紫外鏡頭會采用反射式光學系統設計方案，相比折射式光學系統能更好地進行色差校正。此外，白天與夜晚，天光背景輻射的可見光比值要遠遠大于紫外光，為了提高系統的信噪比，需要大相對孔徑的紫外鏡頭；相對孔徑大的鏡頭的像差校正需選擇折射率高的光學材料，而紫外光學材料的折射率均較低（n<1.46），導致紫外透鏡數量的增加或透鏡厚度的增加，并因此降低了光學系統的透射比，部分抵消了大相對孔徑獲得的大通光量的效果。因此其光學透鏡組一般具有以下特征：
1) 無鍍膜或很少鍍膜；
2) 無膠合鏡片，即使有也是非熒光膠水；
3) 鏡片數量越少越好。
紫外鏡頭作為紅外鏡頭和可見光鏡頭的擴展，具有潛在廣泛的應用前景及應用需求，將在紫外天文學、天際通信、火情監控、環境監測和軍事預警等領域發揮越來越大的作用。

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