背景介绍在安防和监控领域，远距离红外 (IR) 成 像技术在监控、追踪和定位方面发挥着越来越重要的 作用。预计用于商业、两用安防和监控应用的红外系 统的全球市场会快速增长，其规模将在2025 年达到总 计 2.43 亿美元，[1] 年均复合增长率 (CAGR) 为 6.1% (2019-2025)。
利用红外成像技术，红外相机配备有高性能红外镜头， 红外镜头能够有效捕捉到发射出的红外辐射，并将其 聚焦到探测器阵列上，可以在极远范围内拍摄人员和 车辆图像。
用于远距离安防和监控的红外光学镜头的生产受近期以 下市场趋势影响：
图 1：安防和监控摄像头所采用的红外成像技术
- 接近衍射极限红外系统的发展
随着红外探测器 像元尺寸的减小，分辨率的不断增加，这就要求 红外光学镜头要尽可能的接近衍射极限。这对红 外光学元件的加工，装配提出了更高的要求。 - 无人机在安防和监控方面的应用愈加频繁
无人机载荷有着严格的 SWaP（尺寸、重量和功率） 限制，因此需要新的创新型光学机械设计。 - 对多光谱功能的需求
对多光谱功能系统的需求大增，包括短波红外 (SWIR) + 中波红外 (MWIR)、中波红外 (MWIR) + 长波红外 (LWIR) 以及可见和近红外波段，因此对光 电载荷规格提出了新要求。 - 在各类环境条件下均可持续运行
安防和监控任务昼夜进行，同时还需承受下雨或起 雾等恶劣的能见度条件。因此，光学镜头必须经久 耐用，在各类环境条件下均可保持高性能表现。
难题 鉴于上述趋势，光学制造商面临以下挑战：如何 在现代安防和监控成像系统的限制要求下生产出高性能 光学产品。
为此，应考虑到以下关键因素：
- 具备远距离探测、识别与辨识 (DRI) 功能
- 镜头匹配的探测器类型（波段，制冷或非制冷）
- 探测器分辨率和像元尺寸
- 焦距和F数
- 尺寸和重量限制 SWaP 限制， 特别是无人机系统的限制）
- MTF要求
- 环境要求
出于这些考虑，Ophir 采用了创新型设计和制造技术。
图 2：折叠式光学变焦镜头设计
解决方案 采用下述红外光学元件构造方式，Ophir 得以应对远距离安防和监控系统的严峻挑战：
连续变焦镜头设计
由于连续变焦镜头仅包含一个变焦镜头，而非多个单视场角 (FOV) 镜头，因此可在减少体积和重量的情况下实现高的性能。为确保安防和监控任务的灵活性，在使用过程中，用户可以随意改变放大倍数。
创新的光学设计
- 先进的红外材料可减少元件数量，解决无热化、消色差、尺寸及重量问题。
- 折叠式光学设计还可减少尺寸和重量（见图 2）。
- 衍射极限的光学设计可实现最高性能
创新的机械设计
使用以下部件，机械设计确保了恶劣环境条件下的耐用性，确保了在不同环境条件下的高度准确性和稳定性：
- 高精度的机械部件
- 具备高度准确性和稳定性的基座与硬质涂层部件
- 优质材料，实现无热化与 SWaP 设计
- 适应各种恶劣环境条件的组件
先进的生产能力
凭借先进的自主生产能力，公司可制造出适用于特定应用的部件，部件形状多样，应用材料丰富。此外，为获得更长焦距，具备高精度的大尺寸光学元件生产能力也是很重要，因此我们先进的镜头生产能力正是应对此类挑战的关键因素之一。
光学镀膜也对光学性能起着重要作用。Ophir 采用高耐久性 (HD) 和低反射硬碳 (LRHC) 增透膜，大幅提高产品在极端环境条件下的性能与耐用性。此类镀膜还适用于多光谱应用。
产品功能
为满足安防和监控应用的需要，Ophir 为提供了全套产品，其主要特性如下：
- 在整个变焦范围内保持光轴一致
- 在整个变焦范围内保持固定F数
- 在整个变焦范围内保持齐焦性
- 在低温和恶劣的环境条件也可工作
- 保持高图像质量
- 快速变倍实现视场切换
- 兼容主要的中波红外和长波红外探测器
为证明公司实力，我们介绍以下三款长有效焦距 (EFL) 变焦镜头，它们在远距离安防和监控应用中均有出色表现：
图 3：Ophir 最长焦距远距离连续变焦镜头。
从左到右： 28-850mm f/5.5、45-900mm f/4.0 及 SupIR 50-1350mm f/5.5
SupIR® 28-850mm f/5.5
该镜头的主要特性：
- 覆盖中波红外光谱范围，波长为 3μ 至 5μ
- 兼容像素间距为 15μ 的高清探测器 (1280 x1024)
- 30 倍变焦比
- 折叠式设计
- 光轴一致性良好
- 工作范围较远（探测范围超过 20 km，详见图 7）
图 4：SupIR 28-850mm f/5.5 MTF 性能
图 4 为镜头在窄视场 (NFOV) 与宽视场 (WFOV) 下的 MTF。可以看出，WFOV 和 NFOV MTF 均接近衍射极限，
SupIR® 45-900mm f/4
该镜头由 15-300mm f/4 镜头与 3 倍光学增距镜组成。它们构成变焦镜头，有效焦距可达 900mm，具备 20 倍变焦比，在整个变焦范围内实现固定F数为 4.0。
图 5 给出该镜头在 WFOV 和 NFOV 下的 MTF 图。 可以看出WFOV 和 NFOV MTF均接近衍射极限。
图 5：SupIR 45-900mm f/4 MTF 性能
SupIR® 50-1350mm f/5.5
该系列的第三款镜头为 50-1350mm f/5.5 变焦镜头，产品在 28-850mm 镜头的基础上另配了一个增距镜。与 28-850mm 变焦镜头类似，这款产品支持 SXGA 1280 x 1024 分辨率，15μ 焦平面阵列 (FPA) 格式，性能接近衍射极限。作为目前公司产品系列中焦距最长的镜头，该产品符合空中及监控应用对远距离热成像光学元件的严苛要求，其探测距离可超过 26km。
图 6 是 50-1350mm f/5.5 镜头在 WFOV 和 NFOV 下的 MTF 图表该产品的 MTF 性能与构成的 28-850mm 变焦镜头相差无几。因此，在整个焦平面上，其宽窄视场角上的矢向 MTF 均接近衍射极限。
图 6.SupIR 50-1350mm f/5.5 MTF 性能
图 7 给出此类镜头的 DRI 性能值，其中 SupIR 50- 1350mm f/5.5 镜头的探测范围可超过 26km。我们使用 美国陆军夜视实验室 (U.S Army Night Vision Lab) 的 FLIR92 模型计算 DRI 范围，假设大气衰减系数值为 0.2km-1。如图 4-6 所示，由于镜头具备较长的有效焦 距，且 NFOV MTF 值较高，因此 DRI 距离较远。
图 7：各镜头的探测、识别与辨识范围。
结论 对于小像元尺寸探测器和远距离探测光学系统而 言，其光学、机械及变倍的配置和部件是实现高性能的 关键所在。
当涉及到无人机载荷等受限平台时，产品必须采用在全变 焦范围内均可实现高光学性能的轻量化设计。
为在恶劣环境条件下获得高分辨率成像，镜头必须具备 较长的焦距和高变比，此外还需要高耐性用镀膜确保光 学系统具有高的且稳定的透过率。
凭借全新设计与先进生产能力的绝佳组合，Ophir 推出 具备高图像质量、高分辨率和连续变焦功能的产品，产 品在恶劣环境条件下也可实现远距离探测，从而满足了 安防和监控市场中下一代远距离热成像应用的需求。
参考文献
1. Maxtech International Inc.: “The world market for
commercial and dual use infrared imaging and infrared
thermometry equipment”, 2020.
