一、簡介

紅外光學(xué)系統(tǒng)的基本功能是接收和聚集目標(biāo)所發(fā)出的紅外輻射并傳遞到探測器產(chǎn)生電信號。紅外光學(xué)系統(tǒng)與普通（可見光）系統(tǒng)設(shè)計區(qū)別主要在應(yīng)用的光學(xué)材料上。

紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)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(dá)的相對孔徑；

3.有確定的視場角；

4.所選波段內(nèi)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(wěn)定的光學(xué)性能。

二、紅外光學(xué)設(shè)計中常用的材料

中波35微米和814微米是大氣傳輸?shù)膬蓚€窗口，現(xiàn)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(xué)玻璃在這兩波段不能適用，目前國內(nèi)紅外光學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)計中被廣泛的應(yīng)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(yīng)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(chǎn)的Znse材料性能不好，國外材料造價太高并未能大規(guī)模的應(yīng)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(dǎo)引頭前的整流罩，CVD硫化鋅多用作透鏡設(shè)計。

透過率曲線

AMTIR材料

AMTIR-1在國外應(yīng)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(xué)系統(tǒng)的分類

透射式

反射式

混合式

紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法

紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法和可見光類似,設(shè)計中主要應(yīng)用幾何光學(xué)理論構(gòu)建模型,對各個鏡片分配光焦度,應(yīng)用像差理論矯正像差以達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的要求。紅外材料的高折射率和較低的色散使在設(shè)計紅外光學(xué)系統(tǒng)時應(yīng)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(shè)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(jié)果。

Binary

在國外二元衍射面被廣泛的應(yīng)用于紅外光學(xué)系統(tǒng)中。紅外光學(xué)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(fù)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(xué)系統(tǒng)會產(chǎn)生離焦，而紅外光學(xué)系統(tǒng)又多用于軍用，要求能適應(yīng)大范圍的溫度變化，二元面有負(fù)熱差特性，使有消熱差要求的光學(xué)系統(tǒng)大大簡化。

二元光學(xué)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光的變換，以衍射光學(xué)方式成像。

二元光學(xué)相位原理

二元元件的負(fù)色散特性

二元面的負(fù)熱差特性

應(yīng)用二元面設(shè)計的紅外光學(xué)系統(tǒng)，這個光學(xué)系統(tǒng)是為FLIR設(shè)計。

紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計舉例

望遠(yuǎn)鏡頭

望遠(yuǎn)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(shè)計的Th9100望遠(yuǎn)鏡頭。

廣角光學(xué)系統(tǒng)

廣角光學(xué)系統(tǒng)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(dǎo)致大視場能量下降很快。

顯微光學(xué)系統(tǒng)

顯微光學(xué)系統(tǒng)在紅外中用的比較少。顯微設(shè)計中因為像比物大，直接導(dǎo)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(dá)到響應(yīng)需要。

非制冷探測器和制冷探測器設(shè)計區(qū)別

在長波紅外探測器中應(yīng)用最為廣泛的是美國和法國生產(chǎn)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(shè)計F/#不小于1.2。較小的F/#導(dǎo)致系統(tǒng)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(chǎn)生變形，導(dǎo)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(shè)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(nèi)熱輻射的影響，在探測器內(nèi)部設(shè)置有冷光欄，設(shè)計時一般要求100%冷光欄效應(yīng)，也就是說使用冷屏做光欄。在設(shè)計中會導(dǎo)致入瞳不在頭片位置，頭片的尺寸會非常大，為此設(shè)計中都會設(shè)置中繼系統(tǒng)以減小頭片物鏡的尺寸。

審核編輯：湯梓紅