紅外光學系統設計方案

一、簡介

紅外光學系統的基本功能是接收和聚集目標所發出的紅外輻射并傳遞到探測器產生電信號。紅外光學系統與普通（可見光）系統設計區別主要在應用的光學材料上。

紅外光學系統設計應滿足如下要求：

1.小的尺度，由整機尺寸要求確定；

2.具有盡可能達的相對孔徑；

3.有確定的視場角；

4.所選波段內有最小的輻射能損失；

5.在各種氣象條件下或在振動和抖動條件下具有穩定的光學性能。

二、紅外光學設計中常用的材料

中波35微米和814微米是大氣傳輸的兩個窗口，現有的紅外探測器主要接收這兩個波段的紅外輻射，普通的光學玻璃在這兩波段不能適用，目前國內紅外光學設計最常用的紅外材料是鍺（Germanium）、硅（Silicon）、硒化鋅（Znse），硫化鋅（Zns）,國外還有新型的紅外材料AMTIR(AMTIR1-6)。

鍺材料

因其高折射率在長波紅外光學設計中被廣泛的應用。Ge材料在波長2.06微米折射率為4.1；在波長10微米折射率為4。

透過率曲線

硅材料

其長波范圍透過率不高，主要應用在中波和鍺材料搭配使用。Silicon材料在1.4微米折射率為3.49；4微米折射率為3.43。

透過率曲線

硒化鋅材料

硒化鋅是淡黃色透明晶體，在部分可見光波段和紅外波段具有很好的透過率，適合做成像透鏡，目前國產的Znse材料性能不好，國外材料造價太高并未能大規模的應用，只在長波校正色差用。

透過率曲線

硫化鋅材料

硫化鋅分為熱壓硫化鋅和氣相沉積（CVD）硫化鋅兩種。熱壓硫化鋅主要用作導引頭前的整流罩，CVD硫化鋅多用作透鏡設計。

透過率曲線

AMTIR材料

AMTIR-1在國外應用比較廣泛。它是Ge-As-Se的混合材料，1um波長折射率為2.6055，10um波長折射率為2.4977。從透過率曲線圖看AMTIR-1材料對中波紅外和長波紅外有很高的透過率，并且均勻性好。

紅外光學系統的分類

透射式

反射式

混合式

紅外光學系統的設計方法

紅外光學系統的設計方法和可見光類似,設計中主要應用幾何光學理論構建模型,對各個鏡片分配光焦度,應用像差理論矯正像差以達到設計指標的要求。紅外材料的高折射率和較低的色散使在設計紅外光學系統時應用較少的鏡片就能很好的矯正像差。但是紅外材料價格昂貴，為了減少材料的使用，設計時常采用非球面，以減少鏡片的使用。

Even Asphere

上述公式是非球面解的二次項展開，為近似結果。

Binary

在國外二元衍射面被廣泛的應用于紅外光學系統中。紅外光學材料比較單一，一些材料不能做到很大的口徑而且造價昂貴，二元面具有負色散特性，能很好的矯正色差，另外紅外材料的折射率對溫度比較敏感，隨著溫度的變化光學系統會產生離焦，而紅外光學系統又多用于軍用，要求能適應大范圍的溫度變化，二元面有負熱差特性，使有消熱差要求的光學系統大大簡化。

二元光學最早由MIT的林肯實驗室于989年提出。

以二階或多臺階的表面微位相結構來實現光的變換，以衍射光學方式成像。

二元光學相位原理

二元元件的負色散特性

二元面的負熱差特性

應用二元面設計的紅外光學系統，這個光學系統是為FLIR設計。

紅外光學系統設計舉例

望遠鏡頭

望遠鏡頭視場比較小，一般矯正邊緣球差，軸向色差，邊緣孔徑的正弦差。

給NEC-三榮公司設計的Th9100望遠鏡頭。

廣角光學系統

廣角光學系統需要矯正七種像差。值得注意的是在矯正畸變后因出射角度比較大，會導致大視場能量下降很快。

顯微光學系統

顯微光學系統在紅外中用的比較少。顯微設計中因為像比物大，直接導致入射到單位像元的能量降低，而紅外探測器靈敏度不高，所以需要較大的NA來達到響應需要。

非制冷探測器和制冷探測器設計區別

在長波紅外探測器中應用最為廣泛的是美國和法國生產的非制冷探測器，這種探測器價格相對較低，但噪聲等效溫差大，適合民用。這種探測器需要較高的入射能量，一般設計F/#不小于1.2。較小的F/#導致系統的前口徑很大。首先大尺寸的材料制備困難，其次大口徑的鏡片受到重力的影響會產生變形，導致成像不清晰。對于更高要求的軍用不適用。制冷探測器的NETD值小，一般可以接受F/2~F/4的光圈范圍，能夠設計較長焦距的鏡頭。目前軍用較高要求的鏡頭都采用制冷探測器。

為了減小器件和鏡筒內熱輻射的影響，在探測器內部設置有冷光欄，設計時一般要求100%冷光欄效應，也就是說使用冷屏做光欄。在設計中會導致入瞳不在頭片位置，頭片的尺寸會非常大，為此設計中都會設置中繼系統以減小頭片物鏡的尺寸。

審核編輯：湯梓紅