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红外光学系统的设计原理

红外光学系统是指工作在光波红外波段的系统,是接收或发送红外线的光学系统光波。总的来说,红外光学系统是光学系统的一个范畴,在光能接收、传输、成像等光学概念上与其他光学系统没有区别。但是,由于红外光学系统的工作波长为红外区和光电探测器作为接收元件,所以它有自己的特点,有别于一般的光学系统。

红外光学系统的波长范围趋于宽广,目前可用的红外透射材料种类较少。像差校正,尤其是色差,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、大口径的要求。因此,近年来,高折射率低色散晶体材料已广泛用于各种折射透镜。红外光学系统是一种红外探测器。为提高探测灵敏度,提高信噪比,系统采用了二次聚光系统(也称探测器光学系统)的包住浸没透镜、场透镜和光锥,并采用光引擎扫描与各种光学扫描仪。从设计原理上看,大部分红外光学系统都是采用几何光学设计的。

红外光学系统的特点

由于红外辐射的独特性质,与一般光学系统,特别是视觉和照相系统相比,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。普通光学玻璃不透光到2.5um。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被赋予一定的尺寸。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为重要的地位。

2)几乎所有的红外系统都是光电系统。它的接收器不是人的睡眠或照相底片,而是各种光电设备。因此,相应光学系统的性能和质量应根据光学系统的灵敏度和信噪比,而不是光学系统的分辨率。这是因为分辨率往往会受到光电器件尺寸的限制,从而相应降低对光学系统的要求。

3)小视场和大光圈。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,轴外像差可以考虑较少。
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,满足正弦条件。同时,这类系统对象的要求也不是很高,对灵敏度的要求也很高。因此,大多数光学系统采用大相对孔径,即小F。一般来说,由于加工的限制,F的数量为2-3。

4) 各种扫描仪的应用越来越多,以通过跟踪加热成像和热成像技术来达到对空间目标进行扫描的目的。扫描仪可以放置在成像系统之前,体积大,功耗高,但对光学系统的图像质量影响很小。此外,该扫描系统的光学系统对主体的后焦距有要求,对它有一些特殊要求。

5)红外波段的波长约为可见光的5-20倍。这样,由于衍射极限,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较大的孔径。这使得系统沉重且成本高昂。

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