红外镜头的主要类型及其设计方法
常规的一次成像镜头，比如F数为2，视场在3.5°~30°左右，焦距在25mm~200mm之间，设计比较简单，一般在不采用非球面和衍射面（即二元光学元件）的情况下，三片透镜就能达到要求。 如果探测器没有冷光阑，那么可以把孔径光阑放在第一片透镜上，第一片透镜也就是入瞳。第一片透镜的口径大概就等于系统的焦距除以F数。比如焦距为150mm，F数为2，那么第一片透镜的口径大概就是75mm左右。一般非致冷型的红外焦平面探测器可以采用这种结构的镜头。因为目前非致冷型的红外焦平面探测器的性能还是比较差，所以可能要把F数做到1左右，以收集到足够的能量，减小系统的噪声等效温差（NETD）。如采用带冷光阑的红外焦平面探测器，比如用斯特林（Stirling）循环致冷机致冷的焦平面探测器，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，这会给光学设计带来一定难度。同时，因为镜头的孔径光阑位于整个光学系统之后，镜头的径向尺寸会大大增加。比如，焦距还是150mm，F数还是2，此时第一片透镜的口径就不是75mm左右了，可能会达到150mm。以冷光阑为孔径光阑的红外镜头，如果只采用球面透镜，三片透镜也能达到要求。其设计方法是，采用+、-、+结构，在中波红外波段，可采用Si、Ge、Si的组合，在长波红外波段，可采用Ge、AMTIR-1、Ge的组合。可以找一个结构相似的镜头数据，或找一个专利，或在光学设计软件中找一个例子，设置好焦距的目标值，用SYNOPSYS™、CODE V或Zemax软件优化，很快就可以得到满意的结果。常规的一次成像镜头，如果继续增大口径，加长焦距，我们就会发现，镜头的径向尺寸会迅速增大到无法实现的地步。比如，设计一个焦距350mm、F/2、2°视场的两次成像镜头，可以选一个焦距50mmF/2、14°视场的以冷光阑为孔径光阑的一次成像镜头，再加一个7倍望远系统，望远系统的入射孔径175mm，出射孔径25mm。或者选一个焦距25mm、F/2、28°视场的以冷光阑为孔径光阑的一次成像镜头，再加一个14倍望远系统，望远系统的入射孔径175mm，出射孔径12.5mm。最后把望远系统和成像镜头接在一起进行优化，优化时还是把冷光阑作为孔径光阑，在Zemax的优化程序中，用操作数ENPP把入瞳控制在系统的第一面上。采用这样的方法，既可满足冷光阑的匹配要求，又能够控制透镜的尺寸。当然，代价是镜头的长度较长，镜片较多。某些焦距更长、口径更大的红外光学系统，即使采用两次成像结构，把入瞳控制在第一片透镜上，透镜的尺寸仍然无法接受。比如，设计一个焦距440mm、F/1.46、视场1.6°的红外镜头。此镜头的入瞳直径达到300mm，即使采用两次成像结构，把入瞳控制在第一片透镜上，第一片透镜的通光孔径仍然要有300mm。 此时可采用折反射式结构。折反射式系统由反射式系统与折射式校正透镜组组合而成，既具有反射式系统口径可以做得很大的优点，同时也具有折射式系统的可做到大相对孔径、大视场的优点。具体来说，就是在经典的卡塞格伦（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）双反射镜系统后面加校正透镜组来实现。仍然采用两次成像结构，以焦平面探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑，把入瞳放在主反射镜上。这样，就可以满足100%的冷光阑效应，保证红外焦平面探测器的良好性能，同时有效地控制主反射镜的尺寸。 除了大口径长焦距镜头以外，还有一类红外镜头要求有很大的视场，比如60°甚至90°视场。下面的例子是我们设计的一个特大视场中波红外镜头，用于256×256元斯特林（Stirling）致冷中波焦平面探测器，像元尺寸为30μm×30μm，焦距5.43mm，F/2，对角线视场90°。由于镜头的焦距很短，要保持一定的后工作距离，必须采用反远距物镜的结构型式。由于红外焦平面探测器是装在杜瓦里面，杜瓦窗口到焦平面的距离长达25.6mm，再给镜筒的机械结构留出空间，镜头的反远比（即后工作距离与焦距之比）高达5.4。由于必须以冷光阑为孔径光阑，对于这种超大视场的镜头来说，远离光学系统的孔径光阑破坏了光学系统的对称性，更增加了光学设计的难度。随着红外探测器技术的发展和应用的需求，双色红外镜头的使用也越来越多。对双色红外镜头的要求是，用一个镜头对中/长波或中/短波两个波段同时消像差，两个波段的像面在同一个面上，或者离开很小一段距离。可以用光学设计软件的多重结构功能进行设计。近年来红外变焦距镜头的使用越来越广泛。红外变焦距镜头的原理和设计方法与可见光的变焦距镜头相似。当光学系统从短焦距变到长焦距，即从大视场变到小视场时，变倍组往后移，补偿组往前移，在改变系统焦距的同时，保持像面位置不变。同时光学系统的F数也保持不变。镜头的设计难度在于要以冷光阑作为孔径光阑，而且透镜数目不能太多。一般要采用两次成像结构，以满足100%冷光阑效率并且控制透镜的尺寸。红外变焦距镜头也需要用光学设计软件的多重结构功能进行设计。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2022-11-11
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