各种红外热像仪上的红外光学镜头的设计

各种红外热像仪上的红外光学镜头的设计

红外成像是通过透镜组汇聚被探测的光信号到探测器上，再由探测器及其后道进行光信号到电信号的转换。探测器和应用领域不同，光学系统所使用的透镜材料亦不同。针对不同红外透镜材料的特性，加工手段和工艺装备也各不相同。

红外光学镜头设计

红外镜头的设计，需要根据探测器的像元和尺寸、具体运用的场合，还有性价比等因素来综合考虑进行设计。一般来说，红外晶体尤其是Ge、 ZNS原材料价格等比较昂贵，因此在不少设计中，设计师们会采用非球面或者衍射面来减少镜片数量同时兼顾优异的成像效果。由于非球面和二元面的加工和检测也比较昂贵，因此尽量不要采用多个非球面或者衍射面。

SWIR镜头

SWIR镜头，尤其是扩展型波段的SWIR短波红外镜头，能够采用的材料需要考虑宽波段透过可加工、透可见光等因素，因此ZNSE、ZNS、CaF2等成为普遍的选择，另外，还有一些少见的玻璃。但是，需要注意的是，一般情况下这些玻璃没有库存，生产频率也不高，因此在采用之前，需要确定这些材料是否可以准时交货并且具有持续供货的可能。比如肖特或小原光学，某些材料每年只生产一次，如果你错过了这个采购机会，就要再等待一年。

MWIR镜头

MWIR镜头通常是配合中波制冷型探测器使用，光栏置于镜头后方，因此镜片比较大，还要考虑所谓的冷光栏效果（鬼影、反射，又叫冷屏效果）。制冷镜头和探测器体积虽然庞大，但是探测距离可以达到很远，如焦距150 mm、 300 mm， 可以看到10 km到30 km的距离。

LWIR镜头

LWIR的设计是商业化主导的，就是既要便宜又要效果好。因此非球面采用的比较普遍。另外，随着商业应用的普及，如车载夜视、枪瞄、手机等运用，硫系玻璃开始变为这类应用的宠儿。由于可以低温模压成型，硫系玻璃镜头的价格可以做到很低（如果数量很大的话）。

在极寒和极热的条件下，尤其是温差很大的时候，红外透镜的曲率、镜片厚度、镜筒及镜片材料的折射率变化导致镜头离焦，为保证成像清晰需要对镜头从新聚焦，需要电动或者手动调焦，为消除温度变化带来的不利影响，需要无热化设计，通常设计师们会采用不同的光学材料，进行光学补偿（温差），或者采用机械材料与光学材料变化趋势相反的设计，进行光机补偿。也有一种AF自动调焦设计，是通过软件技术，不断地逼近焦平面，从而电动调焦自动聚焦。

双视场、三视场设计

双视场、三视场设计，指的是一组镜片，在不同的位置，可以获得固定的不同的焦距，比如25 mm、50 mm、75 mm。这类镜头的光学设计只需考虑三个焦点处的成像品质，而无需考虑变化过程中的像质变化。这是一种非常实在的设计，比如在小焦距25 mm的情况下很容易发现目标，迅速切换到50 mm或者75 mm焦距，可以放大看清楚目标。

连续变焦镜头

连续变焦镜头（连续变倍）可以算是最有挑战性的镜头了，而且变倍比越高，难度越高。目前市面上出现的20x变倍比的镜头来自于一家叫做Ophir的公司，镜头采用了三个光路的切换，达到15-300 mm的连续变焦效果。除了光学的方面的高挑战性，机械结构的难度也异常地高。

变焦设计

反射式设计

反射式设计一般出现在长焦距的镜头上，这是为了减小镜头的体积（太长），在光路中加入反射镜片进行折返，以缩短长度。由于是红外宽波段，一般的金属膜就可以达到反射的效果。

折反设计

测温、成像镜头

测温镜头的设计和成像镜头的设计有些不同的考虑点。由于需要测温，因此镜头设计的关注点在于减少杜绝反射或杂光等，会妥善处理光栏的位置大小。其相对照度均匀性为评价镜头好坏最主要的指标之一。一个好的镜头设计，需要综合考虑光机配合的效果，缺一不可。市场上也有很好的光机模拟软件，专门提升光机配合的效果。

可以说，机械设计非常重要，轻量化设计在车载、机载上有严格的要求，更不用说在军事上的运用了。最近，商业运用的红外也越来越广泛，消费者不愿提着笨重的红外镜头，他们更喜爱那些像塑料一样轻的产品，因此，关注红外光学镜头的设计非常重要。

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