简述红外镜头设计的特点

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1.1 大相对孔径，而且要求光学系统的弥散接近衍射极限

理想光学系统的艾利斑直径等于2.44λF。两个大气窗口，中波红外的波长为3~5μm，长波红外的波长为8~12μm，而现在典型的红外焦平面探测器像元尺寸一般为15~30μm。如果F数太大的话，艾利斑直径将远远大于像元尺寸。因此，红外镜头的F数一般为1~2，属于大相对孔径系统。

当F数为2的时候，波长5μm的艾利斑直径等于24.4μm，当F数为1的时候，波长10μm的艾利斑直径也等于24.4μm，已经非常接近像元尺寸。因此，为了实现探测器能够达到的空间分辨率，要求光学系统的弥散达到或接近衍射极限，光学设计的难度较大。

1.2 采用致冷型红外焦平面探测器的光学系统，通常要求以冷光阑为其孔径光阑

在致冷型的红外焦平面探测器中，为了避免杂散光和镜筒内部热辐射对红外焦平面探测器的影响，提高其探测性能，在红外焦平面探测器的杜瓦中设计了冷光阑（cold shield或cold stop）。只有进入该冷光阑的红外辐射才能到达红外焦平面探测器。这样，就可以有效地避免杂散光对红外焦平面探测器的影响。而用于这种带冷光阑的红外焦平面探测器的光学系统，为了充分发挥冷光阑的效益，必须以该冷光阑为其孔径光阑。这样，红外光学系统的孔径光阑就位于整个光学系统之后，甚至远离光学系统，破坏了光学系统的对称性，使得无法利用光学系统的对称性来消除垂轴像差，增加了光学设计的难度。

而且，在这种情况下，也不能像可见光镜头那样做成可变光阑。同时也不能做成通用镜头，而必须根据冷光阑的大小及其与焦平面的距离来设计与该焦平面探测器相匹配的镜头。

1.3 冷反射（Narcissus）现象

Narcissus是拉丁语，来源于希腊语Narkissos，是希腊神话中因爱恋自己在水中的倒影而憔悴致死的美少年，死后化为水仙花。因此也用这个词来指水仙花。但也有不少词典中没有提及它的出处，直接把它解释为水仙花。因此早期的一些中文文献中把红外光学系统中的Narcissus现象说成“水仙花”效应，令人一头雾水。

现在一般都把它翻译成冷反射现象或冷反射效应。因为红外探测器比它周围的环境冷，它的辐射有可能通过光学系统中的某些面反射回来又落在探测器上，从而形成一个探测器自身的冷像，在像面的中心出现黑斑。最简单的例子就是如果红外光学系统前面有垂直于光轴放置的平板窗口，像面上就会出现冷反射的鬼像。因此，在红外镜头的设计中要尽量避免出现冷反射。比如把光学系统前面的平板窗口倾斜放置。

1.4 红外光学材料种类有限，而且透过率普遍较低

现在普遍使用的红外透射材料还是晶体和玻璃两大类。

与透可见光的光学玻璃相比，符合使用要求、具备理想的物理化学性能的红外材料种类非常有限。

红外透射材料的折射率一般较高，这对于设计者来说是喜忧参半。好处是高折射率材料可以减小表面曲率，对像差校正有利。缺点是高折射率意味着高反射率，表面的反射损失会大大增加，因此红外光学材料的透过率普遍较低。

光学材料表面反射率R ≈ (n-1)2 / (n+1)2

如果折射率n = 1.5，反射率R ≈ 0.04，两个面的透过率大约为92%。

如果折射率n = 3.4，反射率R ≈ 0.30，两个面的透过率大约为49%。

如果折射率n = 4，反射率R ≈ 0.36，两个面的透过率大约为41%。

硅的折射率大约等于3.4，锗的折射率大约等于4，在没有镀增透膜的情况下，硅的透过率只有50%左右，锗的透过率更低，只有40%左右。

1.5 应尽量控制镜片的数量，以减小能量的损失

红外光学材料透过率普遍较低，即使镀了增透膜，其透过率也不能与可见光玻璃相比。尤其是某些宽波段或多波段的红外光学系统，其增透膜的设计难度更大，透过率更低。

此外，目前红外探测器的响应率或灵敏度也比可见光的探测器低很多。

基于以上原因，如果镜片太多的话，能量损失会很大。因此，应尽可能控制镜片的数量，以减小能量的损失。

来源：武汉墨光

化学光学通用材料控制

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首次发布时间：2022-11-11

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