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光学镜头——紫外成像技术

2020-09-25

引言

随着数码相机、智能手机、安防监控等镜头应用的趋于成熟，车载成像、红外热成像等新兴领域，将成为光学镜头产业增长的新力量。人工智能、物联网等前沿技术的逐步落地，正将光学镜头应用至国民经济更广阔的领域，光学镜头将成为未来信息化世界的眼睛。不管哪一种类的镜头，其基本用途都是收集物体所散射或发射的光线，并在图像传感器上重现物体的图像。不同波长光线的折射率不同，同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，导致产生色差；波长跨度越大，色差也越明显。在进行光学系统设计时要针对不同的波长范围，因此光学成像镜头按其应用的波长可分为紫外成像镜头、可见光成像镜头和红外成像镜头等。前两期我们说了红外镜头，这期我们来谈谈应用波长更短的紫外成像镜头。

一、紫外线

本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁波；电磁波从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x-射线和伽马射线等。光也是一种电磁波，紫外线通常是指波长在100—400nm之间的电磁波，相对于人眼不可见。

对于波长在190—285nm范围内的太阳光紫外线，在穿过大气层的过程中，几乎完全被地球的臭氧层所吸收；而且即使在臭氧层以下的大气里，其它组份的散射作用以及地表臭氧，也对其有吸收作用，即这个波段的紫外线在地表的背景辐射几乎为零，这就使得地表附近形成了一个天然“暗室”——这里几乎完全探测不到自然产生的该波段紫外线，也称为“日盲”紫外线。地球上如果出现日盲紫外线，通常只有三种情况：一是自然异常气象，例如强闪电之类；二是非自然的危险信号，例如枪支开火、火药爆炸、火灾和高压输电线漏电产生的电晕等；三是人为制造的日盲紫外光源。这意味着，如果在“暗室”中测到日盲紫外信号，就意味着特定事件的发生。

二、紫外成像

在日盲紫外光谱区，背景噪音极低，日全盲紫外成像技术同红外探测技术和可见光探测术相比，具有以下优点：
1) 全天时、全天候：白天检测完全跟不受强烈太阳光影响，也不受环境变化（雾、霾及昼夜变化）及其它高温干扰源的影响；
2) 直观、无需图像处理：日全盲紫外图像无背景干扰，成像直观，不需要进行复杂的图像处理，如导弹来袭，根本无需复杂的图像处理，“发现即目标”；
3) 精度高：抗干扰能力强，适用于各种复杂环境（夜间、恶劣气候、电磁干扰等），能实现厘米级的高精度定位；
4) 灵敏度高：含成像的响应时间达到10ms级；
5) 监测范围广：能够在数公里外进行实时检测，通过架设云台或直升机观察等方式，能够覆盖很大一片区域；
6) 结构简单：无需低温冷却、无需进行扫描，检测成像系统体积小、重量轻，功耗低。
日全盲紫外成像是以日盲技术为核心，在飞机破雾盲降、船舶破雾引航、导弹告警、天基预警、森林火情告警、电网安全监测、海上搜救、卫星导航以及刑事侦查等方面逐步广泛应用。电力系统和高铁系统，使用日全盲紫外成像技术，实现灵敏度高的电晕和电弧检测，以发现早期局部缺陷，提出预警；并能监控设备运行，避免设备带病运行，避免重大事故的发生。利用森林火情能够发出日盲紫外信号的原理，能够远距离实时监测森林火情，同时屏蔽其他高温物体干扰，解决现有红外与可见火情告警虚警率高的问题。

除了能远距离成像，紫外成像还可以用于近距离刑侦拍照，主要是搜索潜在指纹、脚印，隐藏血印、纤维等物证等，即利用紫外成像拍摄某些潜在的、反差微弱的或受背景干扰的手印痕迹，适用于拍照玻璃、塑料、搪瓷、油漆、照片和胶带粘滞层等物体表面上遗留的手印。玻璃因强烈吸收254nm短波紫外线呈黑色，汗液指纹则因有50%的反射率而呈白色，黑白色的反差很大，因此紫外成像能将细微特征表现的非常清晰。

三、紫外成像镜头

虽然只要紫外光足够强，曝光时间足够长，一般的可见光镜头也可以透过紫外线，但一般的光学玻璃在紫外区域有天然的吸收带，因此专业的紫外成像镜头必须使用特殊的紫外光学材料（紫外玻璃或晶体）来制造透镜，紫外光学系统也需要进行色差校正以保证系统具有良好的性能，但由于可选择的紫外光学材料有限且色散系数差别较小，因此紫外光学系统的色差校正有一定的难度。有些紫外镜头会采用反射式光学系统设计方案，相比折射式光学系统能更好地进行色差校正。此外，白天与夜晚，天光背景辐射的可见光比值要远远大于紫外光，为了提高系统的信噪比，需要大相对孔径的紫外镜头；相对孔径大的镜头的像差校正需选择折射率高的光学材料，而紫外光学材料的折射率均较低（n<1.46），导致紫外透镜数量的增加或透镜厚度的增加，并因此降低了光学系统的透射比，部分抵消了大相对孔径获得的大通光量的效果。因此其光学透镜组一般具有以下特征：
1) 无镀膜或很少镀膜；
2) 无胶合镜片，即使有也是非荧光胶水；
3) 镜片数量越少越好。
紫外镜头作为红外镜头和可见光镜头的扩展，具有潜在广泛的应用前景及应用需求，将在紫外天文学、天际通信、火情监控、环境监测和军事预警等领域发挥越来越大的作用。

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