1.1 常規(guī)的一次成像 e[>c>F^
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鏡頭常規(guī)的一次成像鏡頭，比如F數(shù)為2，視場在3.5°~30°左右，焦距在25mm~200mm之間，設(shè)計比較簡單，一般在不采用非球面和衍射面（即二元光學元件）的情況下，三片透鏡就能達到要求。 +s`HTf
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如果探測器沒有冷光闌，那么可以把孔徑光闌放在第一片透鏡上，第一片透鏡也就是入瞳。第一片透鏡的口徑大概就等于系統(tǒng)的焦距除以F數(shù)。比如焦距為150mm，F(xiàn)數(shù)為2，那么第一片透鏡的口徑大概就是75mm左右。常規(guī)的一次成像鏡頭，比如F數(shù)為2，視場在3.5°~30°左右，焦距在25mm~200mm之間，設(shè)計比較簡單，一般在不采用非球面和衍射面（即二元光學元件）的情況下，三片透鏡就能達到要求。一般非致冷型的紅外焦平面探測器可以采用這種結(jié)構(gòu)的鏡頭。因為目前非致冷型的紅外焦平面探測器的性能還是比較差，所以可能要把F數(shù)做到1左右，以收集到足夠的能量，減小系統(tǒng)的噪聲等效溫差（NETD）。 如采用帶冷光闌的紅外焦平面探測器，比如用斯特林（Stirling）循環(huán)致冷機致冷的焦平面探測器，為了充分發(fā)揮冷光闌的效益，必須以該冷光闌為其孔徑光闌，這會給光學設(shè)計帶來一定難度。同時，因為鏡頭的孔徑光闌位于整個光學系統(tǒng)之后，鏡頭的徑向尺寸會大大增加。比如，焦距還是150mm，F(xiàn)數(shù)還是2，此時第一片透鏡的口徑就不是75mm左右了，可能會達到150mm。以冷光闌為孔徑光闌的紅外鏡頭，如果只采用球面透鏡，三片透鏡也能達到要求。其設(shè)計方法是，采用+、-、+結(jié)構(gòu)，在中波紅外波段，可采用Si、Ge、Si的組合，在長波紅外波段，可采用Ge、AMTIR-1、Ge的組合。可以找一個結(jié)構(gòu)相似的鏡頭數(shù)據(jù)，或找一個專利，或在光學設(shè)計軟件中找一個例子，設(shè)置好焦距的目標值，用SYNOPSYS™、CODE V或Zemax軟件優(yōu)化，很快就可以得到滿意的結(jié)果。 )zKZ<;#y
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1.2 大口徑長焦距兩次成像鏡頭常規(guī)的一次成像鏡頭。 5Nt40)E}sN
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如果繼續(xù)增大口徑，加長焦距，我們就會發(fā)現(xiàn)，鏡頭的徑向尺寸會迅速增大到無法實現(xiàn)的地步。 比如，設(shè)計一個焦距350mm、F/2、2°視場的兩次成像鏡頭，可以選一個焦距50mmF/2、14°視場的以冷光闌為孔徑光闌的一次成像鏡頭，再加一個7倍望遠系統(tǒng)，望遠系統(tǒng)的入射孔徑175mm，出射孔徑25mm。或者選一個焦距25mm、F/2、28°視場的以冷光闌為孔徑光闌的一次成像鏡頭，再加一個14倍望遠系統(tǒng)，望遠系統(tǒng)的入射孔徑175mm，出射孔徑12.5mm。最后把望遠系統(tǒng)和成像鏡頭接在一起進行優(yōu)化，優(yōu)化時還是把冷光闌作為孔徑光闌，在Zemax的優(yōu)化程序中，用操作數(shù)ENPP把入瞳控制在系統(tǒng)的第一面上。采用這樣的方法，既可滿足冷光闌的匹配要求，又能夠控制透鏡的尺寸。當然，代價是鏡頭的長度較長，鏡片較多。 .8v[ss6:
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1.3 折反射式大口徑長焦距兩次成像鏡頭 }Qqi013E L
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某些焦距更長、口徑更大的紅外光學系統(tǒng)，即使采用兩次成像結(jié)構(gòu)，把入瞳控制在第一片透鏡上，透鏡的尺寸仍然無法接受。比如，設(shè)計一個焦距440mm、F/1.46、視場1.6°的紅外鏡頭。此鏡頭的入瞳直徑達到300mm，即使采用兩次成像結(jié)構(gòu)，把入瞳控制在第一片透鏡上，第一片透鏡的通光孔徑仍然要有300mm。此時可采用折反射式結(jié)構(gòu)。折反射式系統(tǒng)由反射式系統(tǒng)與折射式校正透鏡組組合而成，既具有反射式系統(tǒng)口徑可以做得很大的優(yōu)點，同時也具有折射式系統(tǒng)的可做到大相對孔徑、大視場的優(yōu)點。具體來說，就是在經(jīng)典的卡塞格倫（Cassegrain）或里奇-克雷季昂（Ritchey-Chretien）雙反射鏡系統(tǒng)后面加校正透鏡組來實現(xiàn)。仍然采用兩次成像結(jié)構(gòu)，以焦平面探測器的冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，把入瞳放在主反射鏡上。這樣，就可以滿足100%的冷光闌效應(yīng)，保證紅外焦平面探測器的良好性能，同時有效地控制主反射鏡的尺寸。 |([ |F|"
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1.4 特大視場紅外鏡頭 kdam]L:9
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除了大口徑長焦距鏡頭以外，還有一類紅外鏡頭要求有很大的視場，比如60°甚至90°視場。下面的例子是我們設(shè)計的一個特大視場中波紅外鏡頭，用于256×256元斯特林（Stirling）致冷中波焦平面探測器，像元尺寸為30μm×30μm，焦距5.43mm，F(xiàn)/2，對角線視場90°。由于鏡頭的焦距很短，要保持一定的后工作距離，必須采用反遠距物鏡的結(jié)構(gòu)型式。由于紅外焦平面探測器是裝在杜瓦里面，杜瓦窗口到焦平面的距離長達25.6mm，再給鏡筒的機械結(jié)構(gòu)留出空間，鏡頭的反遠比（即后工作距離與焦距之比）高達5.4。由于必須以冷光闌為孔徑光闌，對于這種超大視場的鏡頭來說，遠離光學系統(tǒng)的孔徑光闌破壞了光學系統(tǒng)的對稱性，更增加了光學設(shè)計的難度。 mF6 U{=
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1.5 中長波或中短波雙色鏡頭 q_R^Q>ZIe
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隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，雙色紅外鏡頭的使用也越來越多。對雙色紅外鏡頭的要求是，用一個鏡頭對中/長波或中/短波兩個波段同時消像差，兩個波段的像面在同一個面上，或者離開很小一段距離。可以用光學設(shè)計軟件的多重結(jié)構(gòu)功能進行設(shè)計。 m?@0Pf}xa
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1.6 變焦距紅外鏡頭 ]bui"-tlK
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近年來紅外變焦距鏡頭的使用越來越廣泛。紅外變焦距鏡頭的原理和設(shè)計方法與可見光的變焦距鏡頭相似。當光學系統(tǒng)從短焦距變到長焦距，即從大視場變到小視場時，變倍組往后移，補償組往前移，在改變系統(tǒng)焦距的同時，保持像面位置不變。同時光學系統(tǒng)的F數(shù)也保持不變。 鏡頭的設(shè)計難度在于要以冷光闌作為孔徑光闌，而且透鏡數(shù)目不能太多。一般要采用兩次成像結(jié)構(gòu)，以滿足100%冷光闌效率并且控制透鏡的尺寸。紅外變焦距鏡頭也需要用光學設(shè)計軟件的多重結(jié)構(gòu)功能進行設(shè)計。
