紅外光學鏡頭的設計，不同鏡頭有不同方法

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作者：黃勝弟 南京波長光電科技股份有限公司總經理

紅外成像是通過透鏡組匯聚被探測的光信號到探測器上，再由探測器及其後道進行光信號到電信號的轉換。探測器和應用領域不同，光學系統所使用的透鏡材料亦不同。針對不同紅外透鏡材料的特性，加工手段和工藝裝備也各不相同。

紅外光學鏡頭設計

紅外鏡頭的設計，需要根據探測器的像元和尺寸、具體運用的場合，還有性價比等因素來綜合考慮進行設計。一般來說，紅外晶體尤其是Ge、 ZNS原材料價格等比較昂貴，因此在不少設計中，設計師們會採用非球面或者衍射面來減少鏡片數量同時兼顧優異的成像效果。由於非球面和二元面的加工和檢測也比較昂貴，因此盡量不要採用多個非球面或者衍射面。

SWIR鏡頭

SWIR鏡頭，尤其是擴展型波段的SWIR短波紅外鏡頭，能夠採用的材料需要考慮寬波段透過可加工、透可見光等因素，因此ZNSE、ZNS、CaF2等成為普遍的選擇，另外，還有一些少見的玻璃。但是，需要注意的是，一般情況下這些玻璃沒有庫存，生產頻率也不高，因此在採用之前，需要確定這些材料是否可以準時交貨並且具有持續供貨的可能。比如肖特或小原光學，某些材料每年只生產一次，如果你錯過了這個採購機會，就要再等待一年。

SWIR鏡頭

MWIR鏡頭

MWIR鏡頭通常是配合中波製冷型探測器使用，光欄置於鏡頭後方，因此鏡片比較大，還要考慮所謂的冷光欄效果（鬼影、反射，又叫冷屏效果）。製冷鏡頭和探測器體積雖然龐大，但是探測距離可以達到很遠，如焦距150 mm、 300 mm， 可以看到10 km到30 km的距離。

冷屏鬼影

LWIR鏡頭

LWIR的設計是商業化主導的，就是既要便宜又要效果好。因此非球面採用的比較普遍。另外，隨著商業應用的普及，如車載夜視、槍瞄、手機等運用，硫系玻璃開始變為這類應用的寵兒。由於可以低溫模壓成型，硫系玻璃鏡頭的價格可以做到很低（如果數量很大的話）。

LWIR鏡頭

在極寒和極熱的條件下，尤其是溫差很大的時候，紅外透鏡的曲率、鏡片厚度、鏡筒及鏡片材料的折射率變化導致鏡頭離焦，為保證成像清晰需要對鏡頭從新聚焦，需要電動或者手動調焦，為消除溫度變化帶來的不利影響，需要無熱化設計，通常設計師們會採用不同的光學材料，進行光學補償（溫差），或者採用機械材料與光學材料變化趨勢相反的設計，進行光機補償。也有一種AF自動調焦設計，是通過軟體技術，不斷地逼近焦平面，從而電動調焦自動聚焦。

雙視場、三視場設計

雙視場、三視場設計，指的是一組鏡片，在不同的位置，可以獲得固定的不同的焦距，比如25 mm、50 mm、75 mm。這類鏡頭的光學設計只需考慮三個焦點處的成像品質，而無需考慮變化過程中的像質變化。這是一種非常實在的設計，比如在小焦距25 mm的情況下很容易發現目標，迅速切換到50 mm或者75 mm焦距，可以放大看清楚目標。

雙視場

連續變焦鏡頭

連續變焦鏡頭（連續變倍）可以算是最有挑戰性的鏡頭了，而且變倍比越高，難度越高。目前市面上出現的20x變倍比的鏡頭來自於一家叫做Ophir的公司，鏡頭採用了三個光路的切換，達到15-300 mm的連續變焦效果。除了光學的方面的高挑戰性，機械結構的難度也異常地高。

變焦設計

反射式設計

反射式設計一般出現在長焦距的鏡頭上，這是為了減小鏡頭的體積（太長），在光路中加入反射鏡片進行折返，以縮短長度。由於是紅外寬波段，一般的金屬膜就可以達到反射的效果。

折反設計

測溫、成像鏡頭

測溫鏡頭的設計和成像鏡頭的設計有些不同的考慮點。由於需要測溫，因此鏡頭設計的關注點在於減少杜絕反射或雜光等，會妥善處理光欄的位置大小。其相對照度均勻性為評價鏡頭好壞最主要的指標之一。一個好的鏡頭設計，需要綜合考慮光機配合的效果，缺一不可。市場上也有很好的光機模擬軟體，專門提升光機配合的效果。

可以說，機械設計非常重要，輕量化設計在車載、機載上有嚴格的要求，更不用說在軍事上的運用了。最近，商業運用的紅外也越來越廣泛，消費者不願提著笨重的紅外鏡頭，他們更喜愛那些像塑料一樣輕的產品，因此，關注紅外光學鏡頭的設計非常重要。

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