红外光学系统
1 第二章 红外光学系统
光学系统在红外系统中的作用十分类似于用于接收目标回波的雷达天线,就是接收辐射能量，并把它传送给探测器。可见光和红外本质上都是电磁波，只是谱段不同，用于可见光系统设计的工程光学的基本理论和设计方法，同样可用于红外光学系统的设计。本章2.1至2.4节对光学
首先对此作简要介绍。但是，红外光学系统基本结构、材料、薄膜以及涉及光学系统与探测器耦合的辅助光学系统，有其特殊的一面，应予阐述。
2．1 光学基本定律
2．1．1 光的波动性
光的波动理论认为，光源是一个辐射电磁波的波源，光的传播就是波动的传播。光在真空中传播的速度为3×108m/s，在任何别的介质中的光速都要比真空中光速小。
光波是横波，其振动方向垂直于传播方向。机械简谐振动产生的横波的波动方程可表达为：
)2cos(),(tzAtzy
式中： ),(tzy为t时刻，空间位置为z处的机械位移；
A为振幅，为振动频率，2为园频率，为初始相位角。
具有同一振动相位的空间两个相邻点之间的距离可称为波长，例如两个相邻波峰或相邻波谷之间的距离。波长的倒数称为波数，其单位常取cm-1。在光谱学中使用波数比使用波长更方便。波动传播的速度即波峰或波谷传播速度，有：
TV
机械波是机械振动产生的，而电磁波则是电磁振荡产生的，反映为电场强度E和磁感应强度B的时空变化，其规律可用麦克斯韦方程表述。由于光对物质的作用主要是电场的作用，在光学中大多数情况下只研究电场强度E的规律，E矢 2 量即电矢量，也称为光矢量。
E矢量、B矢量和传播方向矢量相互垂直，构成右手螺旋。相对于传播轴，E矢量的分布不一定是均匀分布的，这种分布的不均匀性称为偏振。实际光源有数目众多且相互无关的发光分子，它们的电矢量虽然还是垂直于传播方向，其取向与大小都随时间作无规则的变化，但各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光（图中a），只有单一取向的称为线偏振光，介于两者之间的是部分偏振光。
振动位相相同的各点在某一时刻所构成的曲面称为波面。波面可以是平面、球面或任何曲面。在各向同性的介质中，光能沿着波面的法线方向传播。在几何光学中，我们把光源发出的光抽象成无数条能传播能量的光线，光线也就是波面
的法线。
光束由无数条光线组成，可以建立光束和波面的对应关系，如平行光束对应平面波，会聚或发散光束对应球面波。点光源发出的光束是发散的同心光束，经过实际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束，与之对应的光波则为非球面波。利用几何光学建立的光线、波面等概念，可将本质上十分复杂的光能传播与光学成像问题归结为简单的数学问题。 图2.3 自然光和偏振光 图2.2 偏振面为XY平面的偏振光 3
2．1．2 几何光学基本定律
2．1．2．1 光的直线传播和独立传播
光的直线传播定律、光的独立传播定律和光的折射和反射定律是几何光学理论的基础。
几何光学认为：在各向同性的均匀介质中，光是沿直线方向传播的。不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。应当指出：这两条定律是在光的波动性可以忽略的前提下才能成立的。实际上，当光通过小孔或狭缝时，光的传播就会偏离直线，发生衍射现象。如果考虑光的波动性，当两束有固定相位差的相干光作用于同一点时，会产生光的干涉现象。例如：同一点发出、经不同传播途径的光线在空间某点交会时，交会点的光强不是光强的简单叠加，可能增强，也可能减弱，取决于它们的相位差。因此，光的独立传播是有前提的。
当光的波动性可以忽略，运用几何光学的基本概念和计算方法，可大大简化光学系统设计过程。当然，设计高空间分辨率、高光谱分辨率的光电仪器时，干涉、衍射效应的影响不可忽略，而且利用干涉、衍射效应还可研制出干涉仪、分光光度计等专用仪器。
2．1．2．2 反射和折射定律
光在不同介质的界面上将发生反射和折射。反射和折射定律指出：折射、反射、入射光线和界面法线在同一平面上，其入射角、反射角和折射角符合以下关系：
反射定律： II
折射定律（斯涅尔定律）： InInsinsin 图2.5 折射和反射定律 图2.4 离光源各种距离上的波面和光线 4 折射率是表征透明介质光学性质的主重要参数。各种波长的光在真空中的传播速度为c,在不同介质中的速度v各不相同，都比真空中的速度慢。介质的折射率定义为：
vcn
介质相对于真空的折射率称为绝对折射率。由于标准条件下空气的折射率与真空折射率非常接近，也把介质相对于空气的相对折射率叫做折射率。
反射定律可视为折射定律的一种特殊情况。在折射定律的公式中，只要令nn 便得 II，折射定律就可以转化为反射定律。从物理上讲，折射率不可能为负值，但是这样的人为的定义在工程光学中有实用价值。工程光学的所有光线追迹公式都是根据折射定律导出的，遇到反射界面，追迹公式不变，只需令nn代入，就同样可得出正确的结果。
设n大于n，即光线由光密介质进入光疏介质，按折射定律有I大于I，增大入射角至折射角达90°时不发生折射，光在界面上发生全反射。此时的入射角称为临界角。
nnnnIm90sinsin
空气的折射率近似为1，锗的折射率为4，如光线从锗入射到空气，可算得临界角为14.5°，入射角再大的光线全部反射回锗中。
光纤是运用全反射原理的典型例子，除此之外，光学仪器常常利用光在棱镜中的全反射来转折光路。与平面反射镜，全反射棱镜有许多优越之处。首先，全反射时无能量损失，而由镀铝或镀介质膜的反射表面都有一定能量吸收。其次，它容易制成多种多样组合的反射面，能满足高精度要求。
5
2．1．2．3 费马原理
光在各向均匀介质中的传播规律，可由前述几何光学的几个基本定律来完全确定，而研究光在不均匀介质中的传播更有普遍的意义。为此，必须回答这样一个问题：光由任一介质中的A点至另一介质中的B点，是沿着怎样的路径传播的？费马原理指出：光沿着所需时间为极值的路径传播。 图2.6 全反射棱镜的应用 6
设有K层均匀介质，光从介质1的A点传至介质K的B点所需时间为：
kiiikiiikklncvlvlvlvlvlt113322111
这里的iiln被称为光在介质i的光程。借助光程的概念可将光在非真空介质中所走的路程折算为光在真空介质中的路程的长度。这样便于比较光在不同介质所走路程的长短。
如果光线在折射率连续改变的介质中，从A点传输到B点，根据费马原理，实际上它是按光程最小的路径在传输。即应满足：
0BAndl
费马原理是光学基本定律的推论，光的反射和折射定律完全可得出费马原理的论断。我们可先讨论界面反射的情况。
从图中可看出：A点发出而被CC’反射的光线，除光线ADB外，都不能透过BA B l1
n1 l2
n2 l3
n3 lk
nk
图2.7 费马原理
图2.8 从反射定律得出费马原理的论断 7 点。这是因为遵守反射定律的光线ADB的光程较其他任一光线AD’B都小。
对于折射的情况，可作同样的分析。如果A点和B点在CC’的异侧，用对总光程求极值的方法，可以证明：总光程取得极小时，入射光线和折射光线满足折射定律。
根据费马原理，我们能对几何光学理想成像的条件有较深刻的理解。一个物点发出的发散光束经光学元件的折射或反射后，最终能否会聚于同一个像点，完全取决于光束的各根光线的光程是否相等。例如：旋转椭球凹面镜的一个焦点A上发出的光线，都能通过该椭球面的另一个焦点B。这是因为椭圆两个焦点引至椭圆上任一点的两个向径之和为一常数，光程ADB等于任意另一光程AD‘B，光程为常量。即物点A经旋转椭球凹面镜的反射能生成理想的像点B。
根据光的波动理论，与光波传输中的相位延迟直接有关的是光程，不是简单的几何路程。物点发出的各光线代表向各个方向传播的子波，如果各光线的光程相等，它们的相位延迟也相等，彼此之间无相位差，子波叠加结果是相互增强，形成理想的像点。
2．1．3 红外光学元件的反射损失
红外光学系统的能量损失应包括光学元件介质吸收和在界面反射两部分，由于红外材料的折射率较高，反射引起的损失不可低估。光在两种不同介质界面上的反射和折射可完整地用由电磁场理论导出的菲涅耳公式表达，它概括了反射和折射时电磁波的电矢量及磁矢量的振幅、相位变化关系。我们不准备详述菲涅耳公式，为便于讨论红外光学元件的反射损失，仅引用从该公式导出的能量反射率公式。
光在两种不同介质界面上的（能量）反射率为：
）（）（）（）（IItgIItgIIIIR2222sinsin21
当0I时，式中的正弦和正切可用弧度表示，再利用小角度的折射定律nIIn 可得：
2nnnnR
利用上式可分别计算光从空气正入射到玻璃（n=1.5）、锗片（n=4）和硅片图2.9 旋转椭球凹面镜理想成像符合等光程原理 8 （n=3.42）时的反射率：
04.015.115.12玻璃R
36.014142锗片R
3.0142.3142.32硅片R
以上推导只考虑了一个折射面，对于有两个平行平面的平板，正入射时平板的透过率计算如下：
设：平板的折射率为n，平板两侧为空气，平板与空气之间的反射率记做ρ；
平板厚度为x，吸收系数为α，
平板透过率T是多次透射的结果，每次透射的能量百分比为T0,T1,…
201TT
iTT
第一次出射的能量的损失应包括两次反射和一次路程X吸收，故
xxeeT20111
经过一次来回反射，第二次出射相对于第一次出射的能量衰减是二次反射和一次长度为2x的路程吸收引起的。
xeTT2201
以后各次出射能量均较前一次衰减同样倍数。总透过率为：
xxeeTTTT22221011 图2.10 光通过平板时的能量损失 TR1 法线
201T
衍射光学在红外仿真光学系统中的应用
增刊红外成像系统仿真、测试与评价技术：摘要797
的红外成像制导武器性能的测试与评估，由于费用高、周期长以及来自国际社会的压力大，采用外
场打靶的方法受到限制，而通过实验室半事物仿真的方法具有明显的优势。动态红外图像转换技术
是红外成像系统半实物仿真的关键技术之一。低温背景动态红外图像转换技术是指在实验室条件下
产生具有低温背景的红外目标，为被测试的空间红外成像系统提供红外目标和背景图象源。实现低
温背景动态红外图像转换的困难在于，由于只要温度不为零的物体都要辐射电磁波，红外图像转换
器件自身也会有热辐射，影响低温背景的实现。简要介绍近年来出现的低温背景动态红外图像转换
技术，包括低温工作电阻阵列、低温工作量子阱激光二极管阵列、半导体屏技术。对这3种技术进
行了详细的描述，包括基本原理、发展概况及其在低温背景动态红外景象模拟器中的应用。在此基
础上，提出一种利用数字微镜阵列调制红外激光，结合大范围衰减降低背景辐射，获得低温背景红
外动态图像转换的新方法。
关键词：低温背景；红外图像产生；半实物仿真
红外景象仿真器技术发展概况
周起勃
（上海技术物理研究所，上海200083）
摘要：描述了当前国际上红外景象仿真技术的发展动态，归纳了各种器件的发展过程，包括前
期已应用的Bly电池、液晶光阀、热电阻阵列、DMD数字微镜阵列、变形镜器件、IRCRT、扫描激
光器件等。当前正在发展的激光二极管阵列、红外等离子器件、和光子晶体等新型量子/光子红外景
象投影器。介绍了目前已应用的红外景象仿真系统，及其存在的问题。指出了当代先进的红外景象
仿真器期望的指标和发展方向，分辨率（＞1024×1024）、动态范围（16-bit）、实现高帧频（＞400Hz）、
高温度（2500K），解决多光谱景象仿真技术。介绍了上海技术物理研究所正在开展的红外景象仿真
研究工作，重点介绍包括DMD数字微镜阵列红外景象仿真、电阻阵列红外景象仿真和目标与背景
红外动态图像建模等方面的研究进展。简要描述了上述技术的基本原理、研究过程和方法，并列出
红外光谱仪组成
红外光谱仪是一种用于分析和测量物质在红外光谱范围内的吸收、散射、透射等光谱信息的仪器。它主要由以下几个组成部分组成：
1. 光源：红外光谱仪通常使用的光源是红外线辐射源，常见的有热辐射源（如灯丝）、红外激光等。光源的选择取决于所需的波长范围和应用要求。
2. 光学系统：光学系统用于控制和引导光线，包括准直器、透镜、光栅等。准直器用于使光线平行，透镜用于聚焦和调整光线，光栅用于分散光谱。
3. 样品室：样品室是放置样品的区域，通常由透明的窗口和可调节的样品支架组成。样品室的设计旨在最大限度地减少干扰和背景信号。
4. 探测器：探测器用于测量样品光谱的强度，常见的红外探测器包括半导体探测器（如铟锗探测器、硅探测器）和光电倍增管。不同类型的探测器适用于不同的红外波长范围。
5. 信号处理系统：信号处理系统用于接收和处理探测器输出的光信号。它包括放大器、滤波器、放大器等，用于增强和调节光信号的强度和质量。
6. 数据显示和记录系统：红外光谱仪通常配备了数据显示和记录系统，用于显示和记录样品的光谱数据。这些系统可以是计算机软件、显示屏、打印机等。
以上是典型红外光谱仪的主要组成部分，不同型号和应用的红外光谱仪可能会有一些变化和附加功能。红外光谱仪的设计和组成旨在提供准确、可靠的光谱测量和分析能力，以满足科学研究、工业应用和医学诊断等领域的需求。
红外镜片技术要求
红外镜片技术要求
1.引言
1.1 概述
概述
红外镜片技术是一种应用于红外光学系统的重要技术。红外光学系统在军事、安防、医疗、通信等领域具有广泛的应用前景。红外镜片作为红外光学系统中的核心组件，起到对红外辐射的收集和传导的作用，对整个系统的性能起着至关重要的影响。
本文将重点介绍红外镜片技术的要求。首先，将概述红外镜片技术的基本原理，包括红外辐射的特性、红外光学成像原理等内容。其次，将介绍红外镜片的材料要求，包括光学性能、机械性能、化学稳定性等方面。最后，将对红外镜片技术要求进行总结，并展望未来发展方向。
通过本文的阅读，读者将能够了解红外镜片技术的基本概念和原理，并对红外镜片的材料要求有一个全面的认识。同时，也能够认识到红外镜片技术在红外光学系统中的重要性和应用前景，为红外光学系统的设计提供参考和指导。
文章结构部分的内容可以写作如下：
1.2 文章结构
本文将按照以下顺序论述红外镜片技术要求：
首先，在引言部分（1.1）中，我们将对整个文章进行概述，介绍红外镜片技术的背景和重要性，并明确文章的目的。
接下来，在正文部分（2）中，我们将分两个小节来详细介绍红外镜片技术的要求。在2.1小节中，我们将阐述红外镜片的基本原理，包括其作用原理、工作原理和光学特性。在2.2小节中，我们将探讨红外镜片的材料要求，包括光学透过率、耐热性、机械强度等方面的要求。通过这两个小节的介绍，读者将对红外镜片技术的要求有一个全面的了解。
最后，在结论部分（3）中，我们将总结红外镜片技术的要求，并强调其在现实应用中的意义。在3.1小节中，我们将对整篇文章进行总结，概括红外镜片技术要求的核心内容。在3.2小节中，我们将展望红外镜片技术未来的发展趋势，提出对这一领域的进一步探索和研究方向。
通过以上的文章结构，我们将全面而系统地介绍红外镜片技术要求，使读者能够深入理解这一领域的知识，并为未来的研究和应用提供参考。
1.3 目的
大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计
第４２卷第２期 Ｖｏ１．４２ ＮＯ．２ 红外与激光工程 Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年２月 Ｆｅｂ．２０１３
大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计
王海洋，李力，金宁，付艳鹏，李训牛
（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）
摘 要：针对中波制冷型６４０ｘ５１２凝视焦平面探测器，设计了一个大变倍比中波红外连续变焦光学系统。
该系统采用三次成像技术，其工作波段为３．７～４．８Ｉｘｍ，Ｆ数为４，变倍比为３０：１，可实现２３～７０１ ｍｍ连续变
焦，变焦轨迹平滑，满足１００％冷光阑效率。该系统采用硅、锗和硒化锌三种红外材料，通过引入非球面
和衍射面来校正系统的轴外像差和高级像差。系统在３０ｌｐ／ｍｍ处，全焦距范围内调制传递函数（ＭＴＦ）
均在０．１５以上，接近衍射极限。设计结果表明，大变倍比中波红外连续变焦光学系统具有变倍比大、
分辨率高、结构紧凑、像质好等优点。
关键词：三次成像； 连续变焦系统； 红外光学设计
中图分类号：Ｏ４３９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０ｌ３）０２—０３９８—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ
ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ
Ｗａｎｇ Ｈａｉｙａｎｇ，Ｌｉ Ｌｉ，Ｊｉｎ Ｎｉｎｇ，Ｆｕ Ｙａｎｐｅｎｇ，Ｌｉ Ｘｕｎｎｉｕ
（Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０２２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅ ｃｏｏｌ ６４０ ｘ５１２ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｔａｒｉｎｇ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ，ａ ＭＷＩＲ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍａｇｅｄ ｔｈｒｉｃｅ．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
红外生命探测仪用光学系统的设计
文章编号：１６７２—８７８５（２０１１）１１—０００５—０５
红外生命探测仪用光学系统的设计
郑德忠 孙黎明
（燕山大学河北省测试计量技术及仪器重点实验室，河北秦皇岛０６６００４）
摘 要：为了使红外生命探测仪的光学系统具有更大的探测范围，提出了一种新型红 外双视场光学探测系统。该光学系统为变焦距光学系统，它利用轴向移动变焦方式使 透镜组实现变倍和温度补偿，简化了机电系统结构。该光学系统的工作波段为８＾ｖ １４ ｇｍ，焦距为３５＾一１４０ ＩｎＩＹｌ，变倍比为３倍。由于选择锗（Ｇｅ）和硒化锌（ＺｎＳｅ）作为透镜 材料，Ｆ数 １．１，满足ｌＯ０％冷光阑效率。在１５ ｌｐ／ｍｍ空间频率处，其光学传递函数 值大于０．５。在限定光学系统的工作温度范围和设定变倍透镜组的参数后，利用ＯＳＬＯ 光学设计软件进行了像质补偿分析，其结果满足成像要求。
关键词：红外光学系统；光学设计；双视场； ＯＳＬＯ光学设计
中图分类号：ＴＨ７４ 文献标识码： Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—８７８５．２０１１．１１．００２
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｌｉｆｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ＺＨＥＮＧ Ｄｅ—ｚｈｏｎｇ，ＳＵＮ ｋｉ—ｍｉｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ， Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｌｅｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｆｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｖｅ ａ ｌａｒｇｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ，ａ ｎｅｗ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｕａｌ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔｓ ｌｅｎｓ ｇｒｏｕｐ ｚｏｏｍｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｙ ａｘｉａｌ ｍｏｔｉｏｎ，ｉｔｓ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｂａｎｄ ｏｆ ８ ｔｏ １４ ｕｍ．ａ ｆｏｃａｌ ｒａｎｇｅ ｏｆ ３５ ｔｏ １４０ ｉｎｉｎ ａｎｄ ａ ｚｏｏｍ ｒａｔｉｏ ｏｆ ３．Ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｕｓｅｓ Ｇｅ ａｎｄ ＺｎＳｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｌｅｎｓ，ｉｔｓ Ｆ ｎｕｍｂｅｒ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ １．ｉ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ １００％．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ０．５ ａｔ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ １５ ｌｐ／ｍｍ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｔｓ ｌｅｎｓ ｇｒｏｕｐ ａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ，ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＯＳＬＯ ＬＴ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．
三视场红外搜索光学系统的设计
第３４卷第３期 ２０１３年５月 应用光学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖ０１．３４ ＮＯ．３ Ｍａｖ ２Ｏ１３
文章编号：１００２—２０８２（２０１３）０３—０３９７—０５
三视场红外搜索光学系统的设计
胡 博，杨子建，韩昆烨，高 婧，王 凌，张宣智
（西安应用光学研究所，陕西西安７１００６５） 摘 要：设计一款实际工程应用的红外三视场光学系统，其中大中视场利用透镜组切换变倍，小
视场和大视场利用反射镜切换变倍。设计中采用二次成像的方式，３个视场共用二次成像透镜
组，保证１００ 冷屏效率，减小第１片透镜的过口径。同时，采用非球面技术校正系统的球差和
彗差，通过光学设计软件ＣＯＤＥ Ｖ仿真，得出最大的点列斑为１１ ｔｚｍ左右，并且ＭＴＦ接近衍射
极限。成像质量完全满足使用要求。最后，该系统利用反射镜折叠光路实现了系统结构紧凑、体 积小的特点。
关键词：红外光学系统；二次成像；非球面；光学设计 中图分类号：ＴＮ２１６；ＴＨ７０３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２Ｏ１３３４．０３０１００３
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ—ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ
ＨＵ Ｂｏ，ＹＡＮＧ Ｚｉ—ｊｉａｎ，ＨＡＮ Ｋｕｎ—ｙｅ，ＧＡＯ Ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕａｎ—ｚｈｉ
（Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｅｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ—ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｆｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅ—
ｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｉｄｅ ａｎｄ ｍｉｄｄｌｅ ＦＯＶ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓｅｓ ｇｒｏｕｐ，ａｎｄ ｔｈｅ
红外消热差系统概述
红外消热差系统概述
摘要分析了温度改变对红外光学材料、镜筒材料的影响，温度效应对光学元件的曲率半径、中心厚度的影响。给出了红外消热差光学系统同时满足消热差和消色差的条件，并总结了现今红外消热差的几个主要方式。通过对红外消热差系统的国内外发展现状进行调研，总结了国内外红外消热差光学系统的研究情况。 关键词 温度影响 消热差系统 发展现状 由于红外系统使用环境的不确定性，红外光学系统需要在很大的温度范围内
保持稳定的性能。红外光学系统的焦距通常会由于温度的改变而改变，从而降低
了系统的成像质量，因此需要采用一些技术来消除温度的影响，于是出现了红外
消热差系统。早至1943年，国外就有人提出了光学系统的热补偿理论，到目前
为止，国内外许多学者都在这方面进行了研究，红外光学系统的设计及基础理论
得到进一步完善。本文将对国内外学者对红外消热差系统的研究成果进行总结。
一、红外消热差系统需满足条件
为了消除或减少温度效应对成像质量的影响，在设计过程中需要通过一定的
补偿技术，使红外光学系统在一个比较大的温度范围内保持焦距不变或者变化很
小，从而保持良好的成像质量，这称为红外消热差设计。若红外光学系统要同时
满足消热差和消色差，需满足以下方程：
ϕ=∑𝜙𝑖𝑗𝑖=1 (6)
∑(𝑇𝑖𝜙𝑖)𝑗𝑖=1=−𝛼𝐻𝜙 (7)
∑(𝜙𝑖𝜐𝑖)=0𝑗𝑖=1 (8)
其中，ν是阿贝数，𝛼𝐻为仪器壳体的线膨胀系数，Φ为全系统的光焦度。(6)
式为构成系统的各单透镜的光焦度与总光焦度关系；(7)式为补偿像面离焦需满
足的条件，称为热补偿条件；(8)式为消轴向色差条件。
折射元件的阿贝数为，
𝜈𝑟=𝑁𝑀−1𝑁𝑆−𝑁𝐿 (9)
其中NM为物质对中波的折射率，NL为物质对长波的折射率，NS为物质对
短波的折射率。
衍射元件的阿贝数为，
𝜈𝑑=𝜆𝑀𝜆𝑆−𝜆𝐿 (10) 其中λ为波长。
(6)~(8)的根为
红外及紫外激光器整体结构及功能介绍
《红外及紫外激光器整体结构及功能介绍》
一、引言
红外及紫外激光器是当今高科技领域的一个重要研究领域。它不仅在军事、医疗、通信等领域有着广泛的应用，同时也在科学研究与工业生产中发挥着关键作用。本文将从整体结构和功能两方面对红外激光器和紫外激光器进行介绍，帮助读者全面深入地理解这一领域。
二、红外激光器整体结构及功能介绍
2.1 红外激光器的基本结构
红外激光器通常由泵浦源、增益介质、共振腔和输出光学系统四部分组成。其中，泵浦源提供激发能量，增益介质是产生激光的关键材料，共振腔用于形成激光，输出光学系统则将激光输出到外部。
2.2 红外激光器的功能
红外激光器主要用于红外光源发射，具有高单色性、方向性好、高亮度等特点。它在红外通信、红外传感器、医疗仪器、激光打印等领域有着广泛的应用。
三、紫外激光器整体结构及功能介绍
3.1 紫外激光器的基本结构
紫外激光器也由泵浦源、增益介质、共振腔和输出光学系统四部分组成，与红外激光器相似。不同之处在于其增益介质和泵浦源的选择，以及准分子激光器的特殊结构。
3.2 紫外激光器的功能
紫外激光器具有波长短、能量高、光斑质量好等特点，可用于光刻、激光医疗、材料加工等领域。紫外激光器对于环境影响更小，具有更广泛的应用前景。
四、总结与展望
红外及紫外激光器作为当今高科技领域的重要技术之一，其整体结构和功能不仅在科研实验室中发挥着关键作用，同时也在工业生产和市场应用中展现出巨大的潜力。通过本文的介绍，读者可以更全面、深入地了解红外激光器和紫外激光器的整体结构和功能。期待未来，随着技术的不断发展和突破，红外及紫外激光器必将迎来更广阔的发展空间，为人类社会带来更多的福祉和便利。
个人观点与理解
我个人认为，红外及紫外激光器作为激光技术中的重要分支，其在各个领域的广泛应用将会成为未来科技发展的主要趋势。特别是在医疗领域，红外及紫外激光器的应用将会给医学诊断、治疗带来革命性的变革。对于环境保护和资源利用方面，该技术也将为人类社会带来更多的利好。希望在未来，科技研究者们可以进一步加大对红外及紫外激光器的研究力度，推动该领域的不断发展与创新。红外及紫外激光器作为激光技术领域的重要分支，正日益成为科研和工业生产中不可或缺的关键设备。它们在医疗、通信、环境监测、材料加工等领域都发挥着重要作用，同时也在科学研究和军事领域中具有广泛的应用。本文将继续深入探讨红外及紫外激光器的工作原理、应用领域以及未来发展趋势，希望能够更全面地了解这一领域的重要性和潜力。
光学补偿中波红外变焦光学系统设计
第３２卷第ｌ１期 ２０１０年１１月 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂ１．３２ Ｎ０．１１ ＮＯＶ． ２０１０
光学补偿中波红外变焦光学系统设计
陈吕吉，李 萍
（昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）
摘要：针对３２０×２４０凝视焦平面阵列探测器，设计了一个变倍比为１２ 的中波光学补偿连续变焦光学
系统。该系统由７片透镜和两个反射镜构成，可实现２６．７ｍｍ／８０ｍｍ／１６０ｍｒｎ／３２０ ｒｎｌｎ四档变焦，工作 波段为３．７～４．８ ｇｍ，满足１００％冷光阑效率。设计结果表明，该系统具有结构简单、透过率高、体积
小、像质高等优点。 关键词：中波红外；红外光学系统；连续变焦；光学补偿
中图分类号：ＴＮ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—８８９１（２０１０）１ １—０６４５—０４
Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＭＷＩＲ Ｚｏｏｍ Ｓｙｓｔｅｍ
ＣＨＥＮＬｖ－ｊｉ，ＬＩＰｉｎｇ
（Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０２２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｚｏｏｍ ｒａｎｇｅ ｏｆ １２：１ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｍｅｄｉｕｍ－ｗａｖｅ ３２０×２４０ ｓｔａｒｉｎｇ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＡ１ ｄｅｔｅｃｔｏｒ￣Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ｓｅｖｅｎ ｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ ｔｗｏ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ．ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ２６．７ ｍｍ／８０ ｍｍ／１６０ｍｒｎ／３２０ ｍｉｌｌ ｆｏｕｒ ｆｉｅｌｄ ｏｆ－ｖｉｅｗ ａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ３．７～４．８
ｇｍ ａｎｄ ｓａｒｉｓｆｙ １ ００％ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ￣ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｄ．ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ，ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｚｏｏｍ，ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ
30x制冷型中波消热差红外变焦光学系统设计
第２８卷第２期 ２０１３年４月 光电技术应用 ＥＬＥＣＴＲ０一ＯＰＴＩＣ ＴｅＣＨＮＯＬ０ＧＹ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．２８．Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２０１３
・红外技术・
３０ｘｆＮ冷型中波消热差红外变焦光学系统设计
高金红，付跃刚，刘智颖，侯振岩
（长春理工大学光电工程学院，吉林长春１３００２２）
摘要：针对像素为６４０ｘ５１２、探测器的像元尺寸为２０ ｍ的制冷型凝视焦平面阵列探测器，设计了变倍比为３０的中波红外 连续变焦光学系统。系统工作波段为３．７—４．８ Ｉｘｍ，Ｆ数为３．７，焦距变化范围为１１．６４—３４９．２ ｍｍ。系统由两部分组成：变焦系统和 二次成像系统，共ｌ２片透镜。其中，二次成像系统的主要作用是实现１００％冷光阑效率的同时，减小光学系统的径向尺寸。系统 的空间分辨率达到２１ ｌｐ／ｍｍ，在２５ ｔｘｍ内能量集中在７５％以上，系统成像质量较好，在一４０一＋６０℃的温度范围内实现了光学被动 式消热差的设计。 关键词：红外变焦；制冷探测器；高变倍比；二次成像 中图分类号：ＴＮ２１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１２５５（２０１３）一０２—００１３—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｏｌｅｄ Ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｔｈｅｒｍａｌ Ｚｏｏｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒａｔｉｏ ｏｆ ３０
ＧＡＯ Ｊｉｎ－ｈｏｎｇ，ＦＵ Ｙｕｅ－ｇａｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈｉ－ｙｉｎｇ，ＨＯＵ Ｚｈｅｎ－ｙａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃｏｏｌｅｄ ｓｔａｒｉｎｇ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＡ）ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ６４０ｘ５１２ ｐｉｘｅｌ ａｎｄ ２０ ｍ ｐｉｘ－