记录——红外成像光学系统进展与展望

本人不是做红外的，看到一篇综述就看看作为了解和知识储备。

1、红外光学系统需解决主要问题

红外辐射的波长比可见光的大一个数量级，容易发生衍射；红外光学材料的折射率大且种类较少，用不同材料组合进行光学像差校正的选择范围小。红外波段的辐射能量与可见光波段的辐射能量相差几个数量级，为获得足够多的红外辐射能量，红外/热成像系统需要采用大孔径成像光学系统；一般而言，红外/热成像系统需要观察远距离（例如 5000 m）的场景，因此需要采用长焦距（例如 200 mm）的光学系统；为控制红外辐射的衍射，红外成像光学系统的相对孔径需要取较大值（例如 F 数取值 1～4），典型可见光相机镜头的 F 数取值 1～22。

以上这些要求都将增加红外成像光学系统的设计和加工难度。

2、红外成像光学技术的发展

第一代：基于光机扫描成像的红外光学系统，特别是产生了基于锗材料光学元件的长波红外光学系统。

存在问题：1）红外成像光学系统需要定制，结构复杂，传递函数较低，光学元件数量多，系统装调要求高；
                  2）不能实现与红外探测器的有效集成，红外成像光学系统的尺寸、重量较大；
                  3）折射式红外成像光学系统的“水仙花效应”较为严重（当目标红外辐射通量密度低于红外成像光学系统自身红外辐                            射通量密度时，则红外成像光学系统产生的红外辐射作为主要背景杂散光被红外探测器接收）。

第二代：为克服第一代问题，尤其是水仙花效应。

发展内容：1）发展了无热化技术，改善光学系统因温度变化引起的离焦 。
                  2）发展了折射元件表面加工衍射面的混合光学元件和非球面光学元件，提高成像质量，简化光学系统。
                  3）面向长焦距、远距离红外/热成像系统应用，发展了轴向反射红外光学系统，通过折叠光路减小系统轴向尺寸，如                         卡塞格林光学系统。因轴向反射系统有较大遮挡，减小了有效入射辐射，又发展了无遮挡的离轴反射系统。

                  4）面向热瞄镜、单兵热像仪等轻量化、小型化非制冷热像仪的应用，发展了种类繁多的非制冷红外光学系统。

                  5）发展了标准化、通用化和系列化的可更换、固定焦距单视场红外光学系统，满足高品质、大规模、低成本。
                  6）发展了光机电一体化的双视场、三视场和大变倍比连续变焦红外光学系统，满足高性能军事应用。
                  7）面向多样化的应用需求，发展了集成多种技术优势的轻量化、高性能和紧凑的光学系统。

第三代：保持第二代优势，继续优化功能

优化内容：1）在保持红外光学系统体积不变条件下，同时优化红外/热成像系统的作用距离和灵敏度。

                  2）在最小化透镜数量、最大化光学系统透过率的条件下，同时实现中波红外和长波红外波段的清晰成像以及双波段                            像素级融合成像。

                  3）降低红外/热成像系统的体积、重量、功耗和成本。

                  4）面向计算成像的红外光学系统，通过智能计算充分发挥光学系统的潜能。

发展内容：1）发展变 F 数制冷红外成像光学系统

                  2）发展折反式红外成像光学系统

                  3）发展双波段“画中画”红外成像光学系统

                  4） 发展折反射周视红外成像光学系统

                  5） 发展自由曲面红外成像光学系统

                  6） 发展微型非制冷红外成像光学系统

                  7） 发展计算成像红外光学系统

参考文献：王岭雪, 蔡毅. 红外成像光学系统进展与展望[J]. 红外技术, 2019, 41(01):5-16.

 

临时需要，抱佛脚，总结一下红外系统制冷和无热化知识(有些内容是几年前的文献，不一定适合现有技术)：

制冷：红外热成像制冷技术，是为使热成像系统正常工作，将其探测器元件冷却至低温或深低温的技术，又称低温恒温器技术。

红外制冷系统需要考虑的指标：冷光阑。

红外系统对热辐射敏感，制冷红外探测器本身有一个窗口，就是冷栏；光学设计时，要保证光学系统的出瞳和探测器的冷栏位置一致且口径大小相等，这时，系统是100％的冷栏效率；若出瞳口径比冷栏口径大，则把眼睛放在探测器靶面位置，则有一部分有用信息会被冷栏遮挡；所以使用制冷型红外探测器的光学系统设计，必须保证100％冷栏效率。

无热化：所有光学材料的折射率、透镜厚度及表面面形均会随环境温度变化。与可见光材料相比，红外材料的热效应尤为明显，使得透镜的光焦度发生变化，导致光学系统产生离焦，从而造成系统成像质量下降。因此，为了保证小型无人机携带微型光电吊舱时在不同地域、不同环境温度条件下均能正常成像，需要对红外光学系统进行无热化设计。

冷反射：

制冷探测器的探测深度常常比非制冷探测器高出1-2个数量级，因此制冷热像仪的性能比一般非制冷热像仪要好得多。为了保证探测器能正常工作，需要将其置于温度极低的杜瓦瓶内冷却，一般为液氮级温度77k，而光学系统和被测目标一般都是处于室温条件下，约为300k，之间像差约220k，由于镜筒其他部分与低温腔之间温度差异明显，导致了一种成像缺陷-Narcissus效应，既冷反射现象，又称之为温差再生效应。

冷反射是制冷热成像系统特有的现象，是指探测器自身发出的光线，经前面光学系统元件的反射又返回来到达像面为探测器所接收，相当于看到了自己的冷像，其表现形式为在屏幕中央或某个位置存在黑斑。

无热化的几种方式：

（1）机械主动无热化。采用温度传感器测出环境温度的变化量，然后计算由此温度变化产生的像面位移量，并利用电机驱动透镜沿光轴方向移动，从而实现温度补偿。

（2）机械被动无热化。在光学系统的结构设计中，利用高膨胀系数材料与低膨胀系数材料的相互配合，调节两种材料的长度，通过不同膨胀系数材料的膨胀和收缩，使得红外光学系统中的一组或整组透镜沿光轴方向移动，从而实现温度补偿。

（3）光学被动补偿法。利用不同光学材料所具有的热特性差异，通过多种不同特性光学材料及结构材料的配合，可以实现温度补偿。

与制冷红外成像系统相比，非制冷(无热化)红外成像系统具有体积小、重量轻等特点，在微型光电吊舱系统中更具优势。

 

小结与感想：

从红外成像光学系统的发展来看，光学系统的发展主要集中在轻量化、小型化，这就使得光学系统需要使用多种技术或元件实现。比如，已经大量运用的非球面，目前运用火热的自由曲面，以及在处理个别问题有优势的衍射元件。而光学系统为了实现小型化，首要问题进行光路转折与镜片数量简化，即从折射式向反射发展，并且为实现无遮拦、高像质，离轴反射式也应用广泛。光学系统的进一步发展，可能就是从传统光学进入到以超表面、超构材料为代表的微纳光学，虽然现在并为有实质性的应用，但发展的趋势不会改变。

另外，理论可行，但加工最为致命。

就光学设计来说，掌握各个功能的使用是基础(自由曲面、衍射面。。。)，实际上其最基本的原理部分才是最重要的，即几何光学和物理光学都应掌握，以及熟悉微纳加工工艺甚至相关理论。

有时间再补充。。。