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红外光学系统的设计原理

红外光学系统是指在光波的红外波段工作的系统,即接收或发送红外光的光学系统。一般来说,红外光学系统是一类光学系统,它与其他光学系统在光能接收、传输、成像等光学概念上没有区别。但是,由于红外光学系统工作波长在红外区域,而光电探测器作为接收元件,因此它有着自身的特点,不同于一般的光学系统。

红外光学系统的波长范围越来越宽,目前可用的红外传输材料种类很少。像差校正,特别是色差校正,是非常困难的。因此,红外光学系统在结构上采用非球面反射系统或折射-反射系统。随着红外应用范围的不断扩大和红外热成像技术的不断发展,投影物镜已不能满足大视场、大孔径的要求。因此,近年来,高折射率、低色散的晶体材料被广泛应用于各种折射透镜。红外光学系统是一种红外探测器。为了提高检测灵敏度,提高信噪比,系统采用了包活浸没透镜、场透镜和光锥的二次聚光系统(又称探测器光学系统),并用光引擎扫描各种光学扫描仪。从设计原理上讲,大多数红外光学系统都是采用几何光学方法设计的。

红外光学系统的特点

由于其独特的红外辐射特性,与一般的光学系统特别是视觉和摄影系统相比,红外光学系统具有不同的特点。

1)红外辐射源的辐射波段位于1um以上的不可见区。普通光学玻璃对2.5μm是不透明的。在所有可能穿透红外波长的材料中,只有少数材料具有必要的机械性能,并且可以给定一定的尺寸。这极大地限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用,使得反射式和反射式光学系统占据了更重要的地位。

2)几乎所有的红外系统都是光电系统。它的接收器不是一个人的睡眠或照相底片,而是各种光电器件。因此,相应光学系统的性能和质量应该以光学系统的灵敏度和信噪比为基础,而不是以光学系统的分辨率为基础。这是因为分辨率往往受到光电器件尺寸的限制,从而相应地降低了对光学系统的要求。

3)小视场和大孔径。在应用单元探测器的情况下,由于红外探测器的接收面积较小,一般红外光学系统的光场不是很大,可以考虑轴的外像差较小。
因为反射系统没有色差,所以在大多数情况下,这样的反射系统可以消除球并满足正弦条件。同时,这类系统对象的要求也不太高,对灵敏度要求也很高。因此,大多数光学系统采用大相对孔径,即小F。一般来说,由于处理的限制,F的数目是2-3。

4)各种扫描仪的应用越来越多,为了达到扫描空间目标的目的,采用了跟踪加热成像和热成像技术。扫描仪可以放在成像系统前面,体积大,功耗高,但对光学系统的成像质量影响很小。另外,采用这种扫描系统的光学系统对主体的后焦距有一定的要求,对主体的后焦距也有一定的特殊要求。

5)红外波段的波长约为可见光波长的5-20倍。这样,由于衍射极限的限制,热成像系统的温度较低,这意味着高分辨率的热成像系统必须具有大的孔径。这使得这个系统沉重而昂贵。

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