独特的红外光学系统设计特点

红外光学系统的设计人员需要考虑对设备结构和生产成本有很大影响的关键规格。下面描述了最重要的需求。

波长红外区域的最大可实现的理论分辨率

利用瑞利准则估计最大分辨率:

r = 0.61λ/ NA．

• r—光学设备能够识别的最小物体尺寸

• λ.——辐射波长

• 纳-光学器件的数值孔径

根据该标准，具有热辐射（λ - 约10μm）的光学装置的分辨率比可见光光学装置（λ-约0.55μm）低20倍。

根据瑞利准则，可以通过增加数值孔径(NA)来提高光学分辨率。但在实际应用中，由于光学像差的存在，实际分辨率往往低于理论极限。因此，设计和制造的一个关键目标是通过校正光学像差来尽可能接近理论极限。

用于红外光学材料的高成本

红外光学系统中使用的光学材料的成本相当高，这可能是设计器件的主要成本驱动因素。为了降低最终价格，光学工程师优化系统，使昂贵的光学材料最小化。第一步是尽量减少光学元件的数量，使它们尽可能的薄。减少光学元件数量的一种方法是使用非球面，这是红外光学中常用的一种方法。

衍射光学元件（DOE）有时用于此目的。通常，DOE是受透射光相受影响的相位光学表面。DOE通常包括在光学基板表面上的圆形区域，如菲涅耳透镜。DOE和菲涅耳透镜之间的差异是，DOE在相邻区域之间保持严格的相位差2π。DOE最有用的优点之一是它们的分散特征。DOE的分散与折射光学元件的分散相反。这使得可以在不使用其他元素的情况下校正色差。它还降低了光学元件的轴向厚度，从而降低了成本。此外，DOE有助于校正更高阶的光学像差。

需要帮助设计定制光学或成像镜头？在这里了解更多关于我们的设计服务。

高吸收系数的红外光学材料

红外光学材料通常具有较高的吸收系数(如锗)，从而降低了光学系统的效率。它可以减少在传感器上的入射光量，从而降低信噪比。此外，传感器上的少量光可能会导致一些数据的误报。这是红外光学中推荐最小化光学元件的另一个原因。

要了解更多关于IR光学材料的选择，请查看我们以前的帖子这里．

一些红外光学材料的高折射率

用于IR光学生产的一些光学材料具有高折射系数;锗的折射系数约为4.这意味着空气和光学材料折射指数之间的差异相当高。这导致通过光学材料/空气界面传播的光量减小，从而减少了有用光的量。反射光可能导致眩光和背景噪音。

为了减少这种情况，需要高质量的光学涂层。另一种方法是降低入射光在两个环境界面上的角度。这也会减少反射光的数量。

金属热辐射的光谱范围

热辐射(长波红外辐射)的光谱范围为8-15µm。在正常条件下，金属的最大热辐射强度约为8-12 μ m。如果设备的任何部分由金属制成的传感器的视野(不是光学)，发射的辐射可以到达传感器敏感层。因此，杂散辐射的水平可能会非常高，造成图像对比度的损失和获得的数据的损坏。热光学设备需要高灵敏度的传感器，这一事实可能会加剧这种情况。

在光学机械设计过程中必须小心，以排除在传感器的视野中放置金属部件的可能性。

水仙效应

水仙效应描述了图像上的“冷”（暗）背景点。由于传感器和其他装置部件之间的亮度差异，存在该点。实际上，暗点是传感器的图像。

任何热门光学装置的传感器敏感表面吸收红外辐射，并且几乎不会发出它。如果设备光学方案具有错误的分布，则背景光噪声非常均匀。在图像的中心，可以看到暗点。当传感器的图像被某些表面反射并聚焦在图像平面上时，会发生这种情况。结果，我们可以以暗点的形式看到传感器图像（由于其低辐射容量）。正确设计的光学系统不包括回波传感器图像的存在。

温度折射率系数

在光学红外器件的生产中，一些光学材料的折射率与温度变化密切相关。这可能导致光学质量的退化和获得的数据失真。折射率的温度系数决定了温度变化对光学材料折射率的影响程度。该系数越低，温度影响越小。

为了提高IR光学装置的热稳定性，需要考虑温度系数。

结论

IR光学系统的设计需要光学设计的专业知识和技能。在设计期间需要解决这些问题以获得优质的光学系统。

想了解更多吗？这篇文章提供了红外和热光学的一般概述详情请参阅光学材料适用于热和IR成像在这个链接。