红外光学系统设计—

1、红外光学糸统设计孙浩 50601004Email:Supshyaho o. com .cnMSN: sunhao_hbu简介:红外光学系统的基本功能是接收和聚集目标所发 出的红外辐射并传递到探测器产生电信号。红外 光学系统与普通（可见光）系统设计区别主要在 应用的光学材料上。红外光学系统设计应满足如下要求：1 小的尺度，由整机尺寸要求确定；2 具有尽可能达的相对孔径；3 有确定的视场角；4 所选波段内有最小的辐射能损失；5 在各种气象条件下或在振动和抖动条件下具有 稳定的光学性能。1红外光学设计中常用的材料中波3 5微米和 14微米是大气传输的两个窗口，现有的红外探测器主要接收这两个波段 的红

2、外辐射，普通的光学玻璃在这两波段不能 适用，目前国内红外光学设计最常用的红外材 料是錯(Germanium)、硅(Silicon)、硒 化锌(Znse),硫化锌(Zns),国外还有新型 的红外材料AMTI R(AMTI R1-6)o錯材料因其高折射率在长波红外光学设计中被广泛 的应用。Ge材料在波长2.06微米折射率为 4.1;在波长1 0微米折射率为4 -透过率曲线Germanium100 ri；806040!S-25102030Wavelength (micrometers)硅材料其长波范围透过率不高，主要应用在中波和錯 材料搭配使用。Silicon材料在1.4微米折射 率为3.49； 4

3、微米折射率为3.43。透过率曲线00201W5UJSUP.I1:E:L604020Silicon?i§ii?i£- 4 Wavelength (micrometers)50100硒化锌材料 硒化锌是淡黄色透明晶体，在部分可见光波段和红外波段具有很 好的透过率，适合做成像透镜，目前国产的Znse材料性能不好, 国外材料造价太高并未能大规模的应用，只在长波校正色差用。透过率曲线80102511030Wavelength (microns)6050403020 £ U.2SS 一 ESUEJJL硫化锌材料硫化锌分为热压硫化锌和气相沉积（CVD） 硫化锌两种。热压硫化锌主

4、要用作导引头前 的整流罩，CVD硫化锌多用作透镜设计。透过率曲线10O/X）灿TOO600Oto400Multi-Spectral ZnS （多光谱 ZnS）3002001000X0 cooo3X020CO15C01C00Wwnumbor on-1AMTI R材料 AMTIR-1在国外应用比较广泛。它是Ge-As-Se的混合材料,波长折射率为2.6055, 10um波长折射率为2.4977。从透 过率曲线图看AMTIR-1材料对中波红外和长波红外有很高的透过 率，并且均匀性好。AMUR 1(omorphous material transmitting infrared radiation)2

5、007-6-19红外光学系统的分类透射式2007-6-19红外光学系统的分类反射式DHPoar Hlcroi UncUrarad Ta Icnzoj:红外光学系统的分类混合式红外光学系统的设计方法红外光学系统的设计方法和可见光类似，设 计中主要应用几何光学理论构建模型，对各 个镜片分配光焦度，应用像差理论矫正像差 以达到设计指标的要求。红外材料的高折射 率和较低的色散使在设计红外光学系统时应 用较少的镜片就能很好的矫正像差。但是红 外材料价格昂贵，为了减少材料的使用，设 计时常采用非球面，以减少镜片的使用。Even Asphere9cr246810121416z = + ap + a2? +

6、a3/ + + a5z +a” + a7r + ag7 _1 + 71 - ( 1 + k)C27 2上述公式是非球面解的二次项展开，为近似纟吉果。Conic coffi<；riMii shariat cd with tfilTvreni surfateSil riMce TypeConic ciiiutant gH+Ktirclr01Patel hola-!0Hyperbola< 1<0Fml；llC Ellipse八KuD0<P< 1Oblate Ellipse>0>11 dSZf/Ifte>/n Ri/fjeti mtt! i rtifI

7、c-lr'.L i »|x- < »|i-讥、» ViIhtur»inntf, fVAN)2007-6-19Binary在国外二元衍射面被广泛的应用于红外光学 系统中。红外光学材料比较单一，一些材料 不能做到很大的口径而且造价昂贵，二元面 具有负色散特性，能很好的矫正色差，另外 红外材料的折射率对温度比较敏感，随着温 度的变化光学系统会产生离焦，而红外光学 系统又多用于军用，要求能适应大范围的温 度变化，二元面有负热差特性，使有消热差 要求的光学系统大大简化。二元光学最早由MIT的林肯实验室于1989 年提出。以二阶或多台阶的表面微位相结构

8、来实现光 的变换，以衍射光学方式成像。二元光学相位原理2007-6-19Binary2007-6-19Binarye（x,y）,常规光学2007-6-19Binary二元元件的负色散特性272007-6-19Binary传统折射元件：焦距随波长的 5i二元元件：厶i-L-=(=小 f 二/H9KS二元元件的色散表达式为、“)='心、川心Zi i二元元件的焦距随波长的塩大而纟1N小BOE阿贝常数为负，且与基底材料特性无关咗心=二广，对中红外波段，入=3“. 2. = 4/77Z,入=5/.则vD = -2272007-6-19BinaryBOE与传统光学元件组合，很容易实现消色差从光焦度

9、分配来看，不增加绝对光焦度2007-6-19Binary二元面的负热差特性对折射元件温度升高，光焦度增大，焦距缩短对二元元件了 =加-2q Js为直底材料的热膨胀系数 Ci温度升高，光焦度减少，焦距增长2007-6-19应用二元面设计的红 外光学系统，这个光学 系统是为FLIR设计.卜wecure »ICXnn. Z<> 2O«<wr( mx"5 b4 ,3s Mt MLDCmS'yu* IaHu»4w«1Caaa &u*acCuu卩,r*2匕:« 亠to t®r> Pierrot/t

10、r«j b« ?<*<<.-.«»C>4*Focal length367mmF/#1.6Field or view2.5° X2°FPA640 X 512 (25 u m)*71 1 tYl1 V V 1 1 tYl1 I dllbllllbMOIl/J U Ill Illb 2刃和§7 2 Jwzrw i XUTi&r r -3S TO is esM »co»s.g 1(.RM)0 n【C3i"Em rrwirrcv xicruca rr# hxllwttctr

11、ATM frmmncy d< rioc3 r«« ioumwX X WTHK I/ I 45? rc i».5N?e nrctciciowwitm »w*o«etcr in c«c<g w *ju.xr»»eie. e»T-*»W«W* - XM CYCd fr* Mp.L WTi红外光学系统设计举例 1.望远镜头望远镜头视场比较小, 一般矫正边缘球差，轴 向色差，边缘孔径的正 弦差.给NEC-三荣公司设计 的Th9100望远镜头.1 Specrnim range2 Coa

12、lingItenSpecification8.5toll.5|Mn(Average IR transmission of a lens： 98% or more) 8 曲 Dum OR transmission of a lens 93% or mo Mulri AR coatms with water reslitence.J3 Field of view(H： Horizontal. Wmca】)4 Focal leiisihH: 10.95 (+3%. -0%) (H infinity)UG3%0%) 0 infinity) 61.6mni = 3 %5 F number6 Focus

13、rangeJ7 MTFS Distonion1.0* Focus position is located anywhere, incident radiation value should 代 tnain constant.A is 2mtomfiniiv.*zBis 4m e infinity/叫代 d hke g decide A o【B depending on your price.50% or more (On axis. Frequencr 13.5 cycl&mm)30% oi niQK (Except foi axn, FicqucacY 13.5 cydt'i

14、um)3% or less9 Distance benveen an ins diaphiagm 23.7 mm (Refer io figuie 2.) and a sensor10 Sensor11 O*her requirementSensor pitch; 37pm X 3 7 !血Niimlw oFpIxoh: 220 (H)x240 (V)1) The 严 lens (object side) should be nxed2) Ghost should be small as possible as practical we鋤usting ide Lens Focus.2007-6

15、-19红外光学系统设计举例2007-6-19红外光学系统设计举例C-YcrwoTrc Dir-rcTroy ktrYHQlDb LGHS OGSIGTCQ SIH 3DUF OCT IS 二MS:ATA AOA 8 C<3CQ TO 12 C002 MICRONSICLDJ2< XffA : IZOHFIGURATZC-4 2 CF 32007-6-19红外光学系统设计举例Lens #1Lens #2TH91-382 (Telephoto Lens)TH9100 Standard Lens2007-6-19红外光学系统设计举例2007-6-19红外光学系统设计举例2007-6-19

16、红外光学系统设计举例U-GV/ 102SUtl HRO DSIGr<iTM00, eo a era： rii|Ki 二 siatiBw tn广角光学系统广角光学系统需要矫 正七种像差.值得注意 的是在矫正畸变后因 出射角度比较大，会导2007-6-19红外光学系统设计举例致大视场能量下降很 快.2007-6-19红外光学系统设计举例显微光学系统2007-6-19红外光学系统设计举例显微光学系统在红外 中用的比较少显微设 计中因为像比物大，直 接导致入射到单位像Tran3mAH !Qr1T M -25J为呂HriH If元的能量降低，而红外 探测器灵敏度不高，所 以需要较大的NA来达 到响应需要. 非制冷探测器和制冷探测器设计区别.在长波红外探测器中应用最为广泛的是美国和法国生产的非制 冷探测器，这种探测器价格相对较低，但噪声等效温差大，适合民 用这种探测器需要较高的入射能量，一般设计F/#不小T1.2.较小的F/#导致系统的前口径很大首先大尺寸的材料制备困难, 其次大口径的镜片受到重力的影响会产生变形，导致成像不清晰.对于更高要求的军用不适用制冷探测器的NETD值小，一般可以接受F/2F/ 4的光范围，能