CN112882198A - 一种红外热成像光学系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外热成像光学系统，沿光轴从物面到像平面，依次包括弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、光阑S、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4；所述弯月形负光焦度透镜L1对轴外主光线的角放大率倒数1/γ满足：1.5≤1/γ≤2.4。本发明还提供一种红外热成像光学系统在医学领域的应用。本发明红外热成像光学系统实现了大相对孔径、大视场以及高照度均匀性的光学系统设计，既具备高空间分辨率成像能力，又实现低噪声等效温差以及成像视野大的能力，可满足红外热成像设备对高性能红外光学系统的测温需求，有利于在医用技术中广泛应用及推广。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种红外热成像光学系统及其应用。
背景技术
在医学领域，通过红外热成像技术采集人体表层的热辐射信号，精确测量人体各区域的温度场分布，用于人体健康检查及病理诊断，正在成为一种新维度的辅助诊断方法。在西医领域，将红外热成像技术应用于人体健康检查、疾病的生理与病理反应研究。比如美国的临床研究报告中指出，红外热成像诊断技术检测肿瘤的时间比CT早6～12月。红外热成像诊断法与传统影像诊断法之间具有密切的相关性,结合临床症状而作出的诊断准确率能高达93％以上。在中医领域，通过红外采集设备获得人体组织代谢、气血运行等功能变化中红外辐射强弱信号，通过计算机处理后，以不同颜色表达成像，即人体体表温度分布图像。红外成像能显示出人体能量代谢状态，这种影像检查方法具有客观、准确、对人体无损伤，可重复操作等优点。通过对人体各部位的寒热偏离的分析，实现人体“寒、热、虚、实、脏腑、经络”等信息的数字化图像表达，被称为“中医第5诊”、“中医热CT”，为中医诊断及健康辨识提供多维可视化信息。
随着人类生活水平的提高，对健康的更加关注，红外热成像技术可以起到早期预防与早期发现的作用，在医学健康检查与病理诊断方面发挥着越来重要的作用。长波红外光学系统是实现对人体热辐射精确测量与成像的核心组件，其性能的优劣是红外热成像系统实现人体温度精确测量的关键。针对人体体表温度测量的红外光学系统具有其特殊性，比如需要实现高的温度分辨率测量，光学系统需要实现大相对孔径以提高设备的测温灵敏度；也需要实现对人体位置的精细辨识，以判别病理或生理发生的具体区域，光学系统需要实现高物理分辨率；此外，为方便对人体全身温度场信息收集，光学系统应在近距离对人体实现全身范围的成像，可以避免扫描拼接引起的设备复杂度高及开发成本昂贵的问题，要求光学系统具备大视场成像的功能。当前红外热成像系统温度分辨率或空间分辨率不高，主要受限于光学系统的技术开发不足，难以实现人体全身温度场的精细测量与辨识，不利于深入研究人体热分布与健康的关联机理，以及建立精细辨识的物理模型。
红外热成像技术在医学领域有极大的发展空间及广阔的发展前景。红外热成像设备通过测量温度差异性实现人体热结构的精细分析，以及受应用环境的限制，采用的红外热成像光学系统不同于通常所用的红外光学系统。它对光学系统的要求较高，既要具备高空间分辨率成像能力，又要实现低噪声等效温差以及成像视野大的能力。目前热成像设备中的红外光学系统难以兼具上述要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种红外热成像光学系统及其应用，该红外热成像光学系统实现了大相对孔径、大视场以及高照度均匀性的光学系统设计，既具备高空间分辨率成像能力，又实现低噪声等效温差以及成像视野大的能力，可满足红外热成像设备对高性能红外光学系统的测温需求，有利于在医用技术中广泛应用及推广。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种红外热成像光学系统，其特征在于：沿光轴从物面到像平面，依次包括弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、光阑S、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4；
所述弯月形负光焦度透镜L1对轴外主光线的角放大率倒数1/γ满足：
1.5≤1/γ≤2.4。
在上述方案中，本发明双凸正光焦度透镜L2与双凹负光焦度透镜L3之间的光阑S为孔径光阑S。另外，弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4的面型均为球面或非球面。弯月形负光焦度透镜L1对轴外主光线的角放大率倒数1/γ的设定可以大大降低大角度入射光线进入到红外热成像光学系统产生的畸变高级像差，从而进一步提高空间分辨率成像能力。
所述弯月形负光焦度透镜L1的光焦度ΦL1与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.35≤φL1/φ≤-0.25。
所述双凸正光焦度透镜L2的光焦度ΦL2与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.40≤φL2/φ≤0.55。
所述双凹负光焦度透镜L3的光焦度ΦL3与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.75≤φL3/φ≤-0.60。
所述双凸正光焦度透镜L4的光焦度为ΦL4与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.90≤φL4/φ≤1.05。
所述弯月形负光焦度透镜L1、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4的材料均为硫系玻璃材料，硫系玻璃材料为IG2，IG4或IG6；
所述双凹负光焦度透镜L3的材料为晶体材料，晶体材料为ZnS或ZnSe。
红外热成像光学系统的光圈F#在0.9到1.2之间；红外热成像光学系统的成像物距范围为1m～3m。
一种上述的红外热成像光学系统在医学领域的应用，其特征在于：红外热成像光学系统作为医用红外热成像的光学成像装置，与非制冷红外探测器匹配使用，以近距离实现人体全身温度场成像，实现对人体全身温度场信息的收集。
红外热成像光学系统的焦距f、非制冷红外探测器的对角线长度H和视场角为ω满足：
ω≥80°。
红外热成像光学系统光的焦度为Φ，Φi为第i个透镜的光焦度，hi为第一近轴光线在第i个透镜入射表面的径向高度，xi为第i个透镜的消热差系数，αH为成像光学系统结构材料的线膨胀系统，L为成像光学系统镜筒的长度，满足：
本发明的红外热成像光学系统的结构材料采用铝合金，为了在不同温度环境下稳定工作，实现了被动无热化设计，在不同温度下无需改变红外热成像光学系统与非制冷红外探测器之间的距离，保证清晰成像，因此满足以上关系。
另外，本发明为了提高不同视场目标在非制冷红外探测器上的能量一致性，像方实现了接近远心光路的设计，远心度控制在3.5°以内，并通过设计引入光阑彗差，实现像面照度分布由现有技术下与视场角余弦四次方成正比提升到优于与视场角余弦一次方成正比，照度均匀性大幅提升。
本发明的红外热成像光学系统的优点为：
1)该红外热成像光学系统成像视场大，在医学领域应用中无需扫描即可在近距离实现覆盖人体全身的热成像；
2)该红外热成像光学系统的全视场照度均匀性优于90％，保证了边缘照度较高；
3)成像分辨率高，适应640*512，17μm大靶面红外探测器；
4)畸变小，全视场畸变低于2％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明红外热成像光学系统实现了大相对孔径、大视场以及高照度均匀性的光学系统设计，既具备高空间分辨率成像能力，又实现低噪声等效温差以及成像视野大的能力，可满足红外热成像设备对高性能红外光学系统的测温需求，有利于在医用技术中广泛应用及推广。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成结构示意图；
图2为本发明光学系统成像物距1m时光学传递函数曲线图；
图3为本发明光学系统成像物距1.5m时光学传递函数曲线图；
图4为本发明光学系统成像物距3m时光学传递函数曲线图；
图5为本发明光学系统照度均匀性分布曲线图；
图6为本发明光学系统畸变分布曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图6所示，本发明红外热成像光学系统沿光轴从物面到像平面Ima依次包括弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、光阑S、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4。其中，该双凸正光焦度透镜L2与双凹负光焦度透镜L3之间设有孔径光阑S。另外，弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4的面型均为球面或非球面。为降低大角度入射光线进入到光学系统产生的畸变高级像差，弯月形负光焦度透镜L1对轴外主光线的角放大率倒数1/γ满足：
1.5≤1/γ≤2.4。
具体地说，弯月形负光焦度透镜L1的光焦度ΦL1与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.35≤φL1/φ≤-0.25。
双凸正光焦度透镜L2的光焦度ΦL2与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.40≤φL2/φ≤0.55。
双凹负光焦度透镜L3的光焦度ΦL3与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.75≤φL3/φ≤-0.60。
双凸正光焦度透镜L4的光焦度为ΦL4与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.90≤φL4/φ≤1.05。
本发明的弯月形负光焦度透镜L1、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4的材料均为硫系玻璃材料，硫系玻璃材料可选IG2，IG4或IG6。而双凹负光焦度透镜L3的材料为晶体材料，晶体材料可选ZnS或ZnSe。
本发明红外热成像光学系统的光圈F#在0.9到1.2之间，红外热成像光学系统的成像物距范围为1m～3m。
本实施例光学系统的光学参数具体如下表所示。
| 面序号 | 名称 | 曲率半径 | 间隔mm | 材料 | 通光孔径mm |
| 1 | 弯月形负光焦度透镜L1 | 57.79785 | 9.81 | IG6 | Φ46.1 |
| 2 | 23.16252 | 35.45 | Φ30.2 | ||
| 3 | 双凸正光焦度透镜L2 | 34.74925 | 8.02 | IG6 | Φ21.9 |
| 4 | -2003.582 | 2.41 | Φ20.4 | ||
| 5 | 光阑S | ∞ | 6.15 | Φ15.4 | |
| 6 | 双凹负光焦度透镜L3 | -28.09258 | 4.45 | ZnS | Φ15.6 |
| 7 | 47.24925 | 0.21 | Φ17.8 | ||
| 8 | 双凸正光焦度透镜L4 | 22.75205 | 7.98 | IG6 | Φ20.5 |
| 9 | -46.28936 | 9.52 | Φ20.4 | ||
| 10 | 像面 | ∞ | / | Φ7.0 |
在本发明实例中，弯月形负光焦度透镜L1前、后表面S1、S2，双凸正光焦度透镜L2前、后表面S3、S4以及双凸正光焦度透镜L4前、后表面S7、S8为非球面，非球面满足下列表达式：
式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数，非球面系数如下表所示：
| 面序号 | K | A | B | C | D |
| Sl | 0 | 2.416E-5 | -3.152E-8 | 4.052E-11 | -3.950E-14 |
| S2 | 0 | 5.757E-5 | 7.439E-8 | 3.563E-11 | -1.716E-12 |
| S3 | 0 | -1.607E-5 | -3.257E-8 | -8.505E-10 | -2.433E-13 |
| S4 | 0 | -2.099E-5 | -8.566E-8 | -1.055E-9 | 5.680E-12 |
| S7 | -2.799 | -1.093E-5 | 2.051E-8 | -4.860E-10 | -6.548E-12 |
| S8 | -1 | 2.976E-5 | 1.053E-8 | 2.616E-10 | -1.317E-11 |
在本发明实例中，由上述透镜组成的光学系统达到如下技术指标：(1)工作波段：8μm～13μm；(2)焦距：8.5mm；(3)视场：80°；(4)探测器：640*512，17μm；(5)相对孔径：F#/1.1；(6)畸变：不大于2％；(7)照度均匀性：不低于90％。
本发明的红外热成像光学系统在医学领域的应用为：红外热成像光学系统作为医用红外热成像的光学成像装置，以近距离实现人体全身温度场成像，实现对人体全身温度场信息的收集。
该红外热成像光学系统具备大视场成像能力，设光学系统焦距为f，非制冷红外探测器对角线长度为H，视场角为ω，满足：
ω≥80°。
该红外热成像光学系统用于拍摄人体热像时，与640*512，17μm的非制冷红外探测器匹配工作，640阵列方向对应竖直方向，512阵列方向对应水平方向，在不同成像距离下成像范围满足：
| 序号 | 成像距离(m) | 竖直成像宽度(m) | 水平成像宽度(m) |
| 1 | 1.5 | 1.92 | 1.54 |
| 2 | 2.0 | 2.56 | 2.05 |
| 3 | 2.5 | 3.20 | 2.56 |
为了提高不同视场目标在非制冷红外探测器上的能量一致性，像方实现了接近远心光路的设计，远心度控制在3.5°以内，并通过设计引入光阑彗差，实现像面照度分布由现有技术下与视场角余弦四次方成正比提升到优于与视场角余弦一次方成正比，照度均匀性大幅提升。
本发明红外热成像光学系统的结构材料采用铝合金，为了在不同温度环境下稳定工作，实现了被动无热化设计，在不同温度下无需改变红外热光学系统与非制冷红外探测器之间的距离，保证清晰成像，设红外热光学系统光焦度为Φ，Φi为第i个透镜的光焦度，hi为第一近轴光线在第i个透镜入射表面的径向高度，xi为第i个透镜的消热差系数，αH为光学系统结构材料的线膨胀系统，L为光学系统镜筒的长度，满足：
本发明实例中，光学系统成像视场达到80°以上，在1.5m物距时可以实现高1.92m、宽1.53m成像范围，实现对人体全身体表的一次性成像，避免了红外热成像设备需要扫描成像才可覆盖人体全身成像的问题。在本发明实例中，光学系统可以与非制冷红外探测器匹配，用于医学领域的红外热成像设备，实现红外成像，用于温度测量等任务。
图2～图4表征了本发明实例中光学系统在不同成像物距时的光学传递函数曲线分布。图2是物距1m时的设计结果，平均光学传递函数值在达到了0.5@30lp/mm；图3是物距1.5m时的设计结果，平均光学传递函数值在达到了0.51@30lp/mm；图4是物距3m时的设计结果，平均光学传递函数值在达到了0.49@30lp/mm，成像质量优异。
图5表征了本发明实例中光学系统照度均匀性曲线分布，全视场下的照度均匀性优于90％。
图6表征了本发明实例中光学系统畸变设计曲线分布，全视场相对畸变不大于2％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红外热成像光学系统，其特征在于：沿光轴从物面到像平面，依次包括弯月形负光焦度透镜L1、双凸正光焦度透镜L2、光阑S、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4；
所述弯月形负光焦度透镜L1对轴外主光线的角放大率倒数1/γ满足：
1.5≤1/γ≤2.4。
2.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：所述弯月形负光焦度透镜L1的光焦度ΦL1与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.35≤φL1/φ≤-0.25。
3.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：所述双凸正光焦度透镜L2的光焦度ΦL2与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.40≤φL2/φ≤0.55。
4.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：所述双凹负光焦度透镜L3的光焦度ΦL3与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
-0.75≤φL3/φ≤-0.60。
5.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：所述双凸正光焦度透镜L4的光焦度为ΦL4与红外热成像光学系统的光焦度φ满足以下关系：
0.90≤φL4/φ≤1.05。
6.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：所述弯月形负光焦度透镜L1、双凹负光焦度透镜L3以及双凸正光焦度透镜L4的材料均为硫系玻璃材料，硫系玻璃材料为IG2，IG4或IG6；
所述双凹负光焦度透镜L3的材料为晶体材料，晶体材料为ZnS或ZnSe。
7.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统，其特征在于：红外热成像光学系统的光圈F#在0.9到1.2之间；红外热成像光学系统的成像物距范围为1m～3m。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的红外热成像光学系统在医学领域的应用，其特征在于：红外热成像光学系统作为医用红外热成像的光学成像装置，与非制冷红外探测器匹配使用，以近距离实现人体全身温度场成像，实现对人体全身温度场信息的收集。
9.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统在医学领域的应用，其特征在于：红外热成像光学系统的焦距f、非制冷红外探测器的对角线长度H和视场角为ω满足：
ω≥80°。
10.根据权利要求1所述的红外热成像光学系统在医学领域的应用，其特征在于：红外热成像光学系统光的焦度为Φ，Φi为第i个透镜的光焦度，hi为第一近轴光线在第i个透镜入射表面的径向高度，xi为第i个透镜的消热差系数，αH为成像光学系统结构材料的线膨胀系统，L为成像光学系统镜筒的长度，满足：
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