紅外鏡頭的主要類型及其設(shè)計(jì)方法

墨光科技

2020年4月28日 15:07

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1.1 常規(guī)的一次成像鏡頭

常規(guī)的一次成像鏡頭，比如F數(shù)為2，視場(chǎng)在3.5°~30°左右，焦距在25mm~200mm之間，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般在不采用非球面和衍射面（即二元光學(xué)元件）的情況下，三片透鏡就能達(dá)到要求。

如果探測(cè)器沒有冷光闌，那么可以把孔徑光闌放在第一片透鏡上，第一片透鏡也就是入瞳。第一片透鏡的口徑大概就等于系統(tǒng)的焦距除以F數(shù)。比如焦距為150mm，F(xiàn)數(shù)為2，那么第一片透鏡的口徑大概就是75mm左右。

一般非致冷型的紅外焦平面探測(cè)器可以采用這種結(jié)構(gòu)的鏡頭。因?yàn)槟壳胺侵吕湫偷募t外焦平面探測(cè)器的性能還是比較差，所以可能要把F數(shù)做到1左右，以收集到足夠的能量，減小系統(tǒng)的噪聲等效溫差（NETD）。

如采用帶冷光闌的紅外焦平面探測(cè)器，比如用斯特林（Stirling）循環(huán)致冷機(jī)致冷的焦平面探測(cè)器，為了充分發(fā)揮冷光闌的效益，必須以該冷光闌為其孔徑光闌，這會(huì)給光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度。同時(shí)，因?yàn)殓R頭的孔徑光闌位于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)之后，鏡頭的徑向尺寸會(huì)大大增加。比如，焦距還是150mm，F(xiàn)數(shù)還是2，此時(shí)第一片透鏡的口徑就不是75mm左右了，可能會(huì)達(dá)到150mm。

以冷光闌為孔徑光闌的紅外鏡頭，如果只采用球面透鏡，三片透鏡也能達(dá)到要求。

其設(shè)計(jì)方法是，采用+、-、+結(jié)構(gòu)，在中波紅外波段，可采用Si、Ge、Si的組合，在長(zhǎng)波紅外波段，可采用Ge、AMTIR-1、Ge的組合。

可以找一個(gè)結(jié)構(gòu)相似的鏡頭數(shù)據(jù)，或找一個(gè)專利，或在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中找一個(gè)例子，設(shè)置好焦距的目標(biāo)值，用SYNOPSYS?、CODE V或Zemax軟件優(yōu)化，很快就可以得到滿意的結(jié)果。

1.2 大口徑長(zhǎng)焦距兩次成像鏡頭

常規(guī)的一次成像鏡頭，如果繼續(xù)增大口徑，加長(zhǎng)焦距，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，鏡頭的徑向尺寸會(huì)迅速增大到無(wú)法實(shí)現(xiàn)的地步。

比如，設(shè)計(jì)一個(gè)焦距350mm、F/2、2°視場(chǎng)的兩次成像鏡頭，可以選一個(gè)焦距50mmF/2、14°視場(chǎng)的以冷光闌為孔徑光闌的一次成像鏡頭，再加一個(gè)7倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入射孔徑175mm，出射孔徑25mm。或者選一個(gè)焦距25mm、F/2、28°視場(chǎng)的以冷光闌為孔徑光闌的一次成像鏡頭，再加一個(gè)14倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入射孔徑175mm，出射孔徑12.5mm。

最后把望遠(yuǎn)系統(tǒng)和成像鏡頭接在一起進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)還是把冷光闌作為孔徑光闌，在優(yōu)化程序中，用操作數(shù)enpp把入瞳控制在系統(tǒng)的第一面上。

采用這樣的方法，既可滿足冷光闌的匹配要求，又能夠控制透鏡的尺寸。當(dāng)然，代價(jià)是鏡頭的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，鏡片較多。

1.3 折反射式大口徑長(zhǎng)焦距兩次成像鏡頭

某些焦距更長(zhǎng)、口徑更大的紅外光學(xué)系統(tǒng)，即使采用兩次成像結(jié)構(gòu)，把入瞳控制在第一片透鏡上，透鏡的尺寸仍然無(wú)法接受。

比如，設(shè)計(jì)一個(gè)焦距440mm、F/1.46、視場(chǎng)1.6°的紅外鏡頭。此鏡頭的入瞳直徑達(dá)到300mm，即使采用兩次成像結(jié)構(gòu)，把入瞳控制在第一片透鏡上，第一片透鏡的通光孔徑仍然要有300mm。

此時(shí)可采用折反射式結(jié)構(gòu)。折反射式系統(tǒng)由反射式系統(tǒng)與折射式校正透鏡組組合而成，既具有反射式系統(tǒng)口徑可以做得很大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有折射式系統(tǒng)的可做到大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

具體來(lái)說(shuō)，就是在經(jīng)典的卡塞格倫（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）雙反射鏡系統(tǒng)后面加校正透鏡組來(lái)實(shí)現(xiàn)。仍然采用兩次成像結(jié)構(gòu)，以焦平面探測(cè)器的冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，把入瞳放在主反射鏡上。這樣，就可以滿足100%的冷光闌效應(yīng)，保證紅外焦平面探測(cè)器的良好性能，同時(shí)有效地控制主反射鏡的尺寸。

1.4 特大視場(chǎng)紅外鏡頭

除了大口徑長(zhǎng)焦距鏡頭以外，還有一類紅外鏡頭要求有很大的視場(chǎng)，比如60°甚至90°視場(chǎng)。

下面的例子是我們?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)特大視場(chǎng)中波紅外鏡頭，用于256×256元斯特林（Stirling）致冷中波焦平面探測(cè)器，像元尺寸為30μm×30μm，焦距5.43mm，F(xiàn)/2，對(duì)角線視場(chǎng)90°。

由于鏡頭的焦距很短，要保持一定的后工作距離，必須采用反遠(yuǎn)距物鏡的結(jié)構(gòu)型式。由于紅外焦平面探測(cè)器是裝在杜瓦里面，杜瓦窗口到焦平面的距離長(zhǎng)達(dá)25.6mm，再給鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)留出空間，鏡頭的反遠(yuǎn)比（即后工作距離與焦距之比）高達(dá)5.4。

由于必須以冷光闌為孔徑光闌，對(duì)于這種超大視場(chǎng)的鏡頭來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌破壞了光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性，更增加了光學(xué)設(shè)計(jì)的難度。

1.5 中長(zhǎng)波或中短波雙色鏡頭

隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，雙色紅外鏡頭的使用也越來(lái)越多。對(duì)雙色紅外鏡頭的要求是，用一個(gè)鏡頭對(duì)中/長(zhǎng)波或中/短波兩個(gè)波段同時(shí)消像差，兩個(gè)波段的像面在同一個(gè)面上，或者離開很小一段距離。可以用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的多重結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.6 變焦距紅外鏡頭

近年來(lái)紅外變焦距鏡頭的使用越來(lái)越廣泛。紅外變焦距鏡頭的原理和設(shè)計(jì)方法與可見光的變焦距鏡頭相似。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)從短焦距變到長(zhǎng)焦距，即從大視場(chǎng)變到小視場(chǎng)時(shí)，變倍組往后移，補(bǔ)償組往前移，在改變系統(tǒng)焦距的同時(shí)，保持像面位置不變。同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)也保持不變。

鏡頭的設(shè)計(jì)難度在于要以冷光闌作為孔徑光闌，而且透鏡數(shù)目不能太多。一般要采用兩次成像結(jié)構(gòu)，以滿足100%冷光闌效率并且控制透鏡的尺寸。

紅外變焦距鏡頭也需要用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的多重結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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