红外光学系统设计方案

一、简介

红外光学系统的基本功能是接收和聚集目标所发出的红外辐射并传递到探测器产生电信号。红外光学系统与普通（可见光）系统设计区别主要在应用的光学材料上。

红外光学系统设计应满足如下要求：

1.小的尺度，由整机尺寸要求确定；

2.具有尽可能达的相对孔径；

3.有确定的视场角；

4.所选波段内有最小的辐射能损失；

5.在各种气象条件下或在振动和抖动条件下具有稳定的光学性能。

二、红外光学设计中常用的材料

中波35微米和814微米是大气传输的两个窗口，现有的红外探测器主要接收这两个波段的红外辐射，普通的光学玻璃在这两波段不能适用，目前国内红外光学设计最常用的红外材料是鍺（Germanium）、硅（Silicon）、硒化锌（Znse），硫化锌（Zns）,国外还有新型的红外材料AMTIR(AMTIR1-6)。

鍺材料

因其高折射率在长波红外光学设计中被广泛的应用。Ge材料在波长2.06微米折射率为4.1；在波长10微米折射率为4。

透过率曲线

硅材料

其长波范围透过率不高，主要应用在中波和鍺材料搭配使用。Silicon材料在1.4微米折射率为3.49；4微米折射率为3.43。

透过率曲线

硒化锌材料

硒化锌是淡黄色透明晶体，在部分可见光波段和红外波段具有很好的透过率，适合做成像透镜，目前国产的Znse材料性能不好，国外材料造价太高并未能大规模的应用，只在长波校正色差用。

透过率曲线

硫化锌材料

硫化锌分为热压硫化锌和气相沉积（CVD）硫化锌两种。热压硫化锌主要用作导引头前的整流罩，CVD硫化锌多用作透镜设计。

透过率曲线

AMTIR材料

AMTIR-1在国外应用比较广泛。它是Ge-As-Se的混合材料，1um波长折射率为2.6055，10um波长折射率为2.4977。从透过率曲线图看AMTIR-1材料对中波红外和长波红外有很高的透过率，并且均匀性好。

红外光学系统的分类

透射式

反射式

混合式

红外光学系统的设计方法

红外光学系统的设计方法和可见光类似,设计中主要应用几何光学理论构建模型,对各个镜片分配光焦度,应用像差理论矫正像差以达到设计指标的要求。红外材料的高折射率和较低的色散使在设计红外光学系统时应用较少的镜片就能很好的矫正像差。但是红外材料价格昂贵，为了减少材料的使用，设计时常采用非球面，以减少镜片的使用。

Even Asphere

上述公式是非球面解的二次项展开，为近似结果。

Binary

在国外二元衍射面被广泛的应用于红外光学系统中。红外光学材料比较单一，一些材料不能做到很大的口径而且造价昂贵，二元面具有负色散特性，能很好的矫正色差，另外红外材料的折射率对温度比较敏感，随着温度的变化光学系统会产生离焦，而红外光学系统又多用于军用，要求能适应大范围的温度变化，二元面有负热差特性，使有消热差要求的光学系统大大简化。

二元光学最早由MIT的林肯实验室于989年提出。

以二阶或多台阶的表面微位相结构来实现光的变换，以衍射光学方式成像。

二元光学相位原理

二元元件的负色散特性

二元面的负热差特性

应用二元面设计的红外光学系统，这个光学系统是为FLIR设计。

红外光学系统设计举例

望远镜头

望远镜头视场比较小，一般矫正边缘球差，轴向色差，边缘孔径的正弦差。

给NEC-三荣公司设计的Th9100望远镜头。

广角光学系统

广角光学系统需要矫正七种像差。值得注意的是在矫正畸变后因出射角度比较大，会导致大视场能量下降很快。

显微光学系统

显微光学系统在红外中用的比较少。显微设计中因为像比物大，直接导致入射到单位像元的能量降低，而红外探测器灵敏度不高，所以需要较大的NA来达到响应需要。

非制冷探测器和制冷探测器设计区别

在长波红外探测器中应用最为广泛的是美国和法国生产的非制冷探测器，这种探测器价格相对较低，但噪声等效温差大，适合民用。这种探测器需要较高的入射能量，一般设计F/#不小于1.2。较小的F/#导致系统的前口径很大。首先大尺寸的材料制备困难，其次大口径的镜片受到重力的影响会产生变形，导致成像不清晰。对于更高要求的军用不适用。制冷探测器的NETD值小，一般可以接受F/2~F/4的光圈范围，能够设计较长焦距的镜头。目前军用较高要求的镜头都采用制冷探测器。

为了减小器件和镜筒内热辐射的影响，在探测器内部设置有冷光栏，设计时一般要求100%冷光栏效应，也就是说使用冷屏做光栏。在设计中会导致入瞳不在头片位置，头片的尺寸会非常大，为此设计中都会设置中继系统以减小头片物镜的尺寸。

审核编辑：汤梓红