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    [原创]红外镜头的主要类型及其设计方法 [复制链接]

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    离线小火龙果
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 01-10
    1.1 常规的一次成像 ?,7!kTRH  
    gdD|'h  
    镜头常规的一次成像镜头,比如F数为2,视场在3.5°~30°左右,焦距在25mm~200mm之间,设计比较简单,一般在不采用非球面和衍射面(即二元光学元件)的情况下,三片透镜就能达到要求。 9O&m7]3  
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    如果探测器没有冷光阑,那么可以把孔径光阑放在第一片透镜上,第一片透镜也就是入瞳。第一片透镜的口径大概就等于系统的焦距除以F数。比如焦距为150mm,F数为2,那么第一片透镜的口径大概就是75mm左右。常规的一次成像镜头,比如F数为2,视场在3.5°~30°左右,焦距在25mm~200mm之间,设计比较简单,一般在不采用非球面和衍射面(即二元光学元件)的情况下,三片透镜就能达到要求。一般非致冷型的红外焦平面探测器可以采用这种结构的镜头。因为目前非致冷型的红外焦平面探测器的性能还是比较差,所以可能要把F数做到1左右,以收集到足够的能量,减小系统的噪声等效温差(NETD)。 如采用带冷光阑的红外焦平面探测器,比如用斯特林(Stirling)循环致冷机致冷的焦平面探测器,为了充分发挥冷光阑的效益,必须以该冷光阑为其孔径光阑,这会给光学设计带来一定难度。同时,因为镜头的孔径光阑位于整个光学系统之后,镜头的径向尺寸会大大增加。比如,焦距还是150mm,F数还是2,此时第一片透镜的口径就不是75mm左右了,可能会达到150mm。以冷光阑为孔径光阑的红外镜头,如果只采用球面透镜,三片透镜也能达到要求。其设计方法是,采用+、-、+结构,在中波红外波段,可采用Si、Ge、Si的组合,在长波红外波段,可采用Ge、AMTIR-1、Ge的组合。可以找一个结构相似的镜头数据,或找一个专利,或在光学设计软件中找一个例子,设置好焦距的目标值,用SYNOPSYS™、CODE V或Zemax软件优化,很快就可以得到满意的结果。 { Zv%DV4_$  
    9 Vq   
    1.2 大口径长焦距两次成像镜头常规的一次成像镜头。 " 4#&tNQ  
    s@&3;{F6D  
    如果继续增大口径,加长焦距,我们就会发现,镜头的径向尺寸会迅速增大到无法实现的地步。 比如,设计一个焦距350mm、F/2、2°视场的两次成像镜头,可以选一个焦距50mmF/2、14°视场的以冷光阑为孔径光阑的一次成像镜头,再加一个7倍望远系统,望远系统的入射孔径175mm,出射孔径25mm。或者选一个焦距25mm、F/2、28°视场的以冷光阑为孔径光阑的一次成像镜头,再加一个14倍望远系统,望远系统的入射孔径175mm,出射孔径12.5mm。最后把望远系统和成像镜头接在一起进行优化,优化时还是把冷光阑作为孔径光阑,在Zemax的优化程序中,用操作数ENPP把入瞳控制在系统的第一面上。采用这样的方法,既可满足冷光阑的匹配要求,又能够控制透镜的尺寸。当然,代价是镜头的长度较长,镜片较多。 {,uSDI Oj$  
    Y$XzZ>VW  
    1.3 折反射式大口径长焦距两次成像镜头 9=$ pV==  
    5cf?u3r!qJ  
    某些焦距更长、口径更大的红外光学系统,即使采用两次成像结构,把入瞳控制在第一片透镜上,透镜的尺寸仍然无法接受。比如,设计一个焦距440mm、F/1.46、视场1.6°的红外镜头。此镜头的入瞳直径达到300mm,即使采用两次成像结构,把入瞳控制在第一片透镜上,第一片透镜的通光孔径仍然要有300mm。此时可采用折反射式结构。折反射式系统由反射式系统与折射式校正透镜组组合而成,既具有反射式系统口径可以做得很大的优点,同时也具有折射式系统的可做到大相对孔径、大视场的优点。具体来说,就是在经典的卡塞格伦(Cassegrain)或里奇-克雷季昂(Ritchey-Chretien)双反射镜系统后面加校正透镜组来实现。仍然采用两次成像结构,以焦平面探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,把入瞳放在主反射镜上。这样,就可以满足100%的冷光阑效应,保证红外焦平面探测器的良好性能,同时有效地控制主反射镜的尺寸。 o|d:rp!^  
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    1.4 特大视场红外镜头 [)}P{y [&  
    m{ani/bt  
    除了大口径长焦距镜头以外,还有一类红外镜头要求有很大的视场,比如60°甚至90°视场。下面的例子是我们设计的一个特大视场中波红外镜头,用于256×256元斯特林(Stirling)致冷中波焦平面探测器,像元尺寸为30μm×30μm,焦距5.43mm,F/2,对角线视场90°。由于镜头的焦距很短,要保持一定的后工作距离,必须采用反远距物镜的结构型式。由于红外焦平面探测器是装在杜瓦里面,杜瓦窗口到焦平面的距离长达25.6mm,再给镜筒的机械结构留出空间,镜头的反远比(即后工作距离与焦距之比)高达5.4。由于必须以冷光阑为孔径光阑,对于这种超大视场的镜头来说,远离光学系统的孔径光阑破坏了光学系统的对称性,更增加了光学设计的难度。 l"[.Q>d  
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    1.5 中长波或中短波双色镜头 5Q%)|(U'  
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    随着红外探测器技术的发展和应用的需求,双色红外镜头的使用也越来越多。对双色红外镜头的要求是,用一个镜头对中/长波或中/短波两个波段同时消像差,两个波段的像面在同一个面上,或者离开很小一段距离。可以用光学设计软件的多重结构功能进行设计。 p=UW ^95  
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    1.6 变焦距红外镜头 _,0.h*c  
    ,7cw%mQA  
      近年来红外变焦距镜头的使用越来越广泛。红外变焦距镜头的原理和设计方法与可见光的变焦距镜头相似。当光学系统从短焦距变到长焦距,即从大视场变到小视场时,变倍组往后移,补偿组往前移,在改变系统焦距的同时,保持像面位置不变。同时光学系统的F数也保持不变。  镜头的设计难度在于要以冷光阑作为孔径光阑,而且透镜数目不能太多。一般要采用两次成像结构,以满足100%冷光阑效率并且控制透镜的尺寸。红外变焦距镜头也需要用光学设计软件的多重结构功能进行设计。
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    mang2004 光币 +6 - 01-19
    elsaqueen 光币 +5 优秀文章,支持! 01-10
     
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    光券
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    只看该作者 1楼 发表于: 01-10
    楼主对定焦镜头的总结全面又到位,要是能把变焦叙述详细一点就锦上添花了
    离线yu-xuegang
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    光券
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    只看该作者 2楼 发表于: 01-11
    现在制冷红外也不局限于一次项目的结构。IRPHO的变焦红外镜头就是颠覆性的,引起了国内红外镜头的哗然,很多公司纷纷仿制。3镜组移动变倍,增大了变倍比,缩短了筒长,抛弃了一次成像结构,光阑放在冷屏,结构短小。
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