红外光学系统的设计者需要考虑对器件结构复杂性和生产成本有很大影响的关键参数。最重要的要求如下。
在波长红外范围内可达到的最大理论分辨率
利用瑞利准则估计最大分辨率:
r = 0.61λ/ NA．
r-可被光学设备识别的物体的最小尺寸
λ——辐射波长
NA-光学器件的数值孔径
根据该判据，热辐射光学器件的分辨能力(λ -约10µm)比可见光光学器件的分辨能力(λ -约0.55µm)低20倍。
提高光学分辨率的瑞利准则:需要增加数值孔径(NA)。
根据瑞利准则，光学分辨率可以通过增大数值孔径来提高。但在实际应用中，由于光学像差的存在，实际分辨率往往低于理论极限。因此，通过校正光学像差，使其尽可能接近理论极限是设计和制造的关键目标。
红外光学光学材料成本高
红外光学系统中使用的光学材料成本较高，是设计器件的主要成本驱动因素。为了降低最终价格，光学工程师对系统进行优化，使昂贵的光学材料最小化。第一步是尽量减少光学元件的数量，使它们尽可能薄。减少光学元件数量的一种方法是使用非球面，这是红外光学中常见的做法。
衍射光学元件(DOE)有时用于这一目的。通常，DOE是一个受透射光相位影响的相位光学表面。DOE通常包括在光学基片表面的圆形区域，如菲涅耳透镜。DOE和菲涅耳透镜的区别在于，DOE在相邻区域之间保持严格的相位差2π。DOE最有用的优点之一是它的色散特性。DOE的色散与折变光学元件的色散相反。这使得在不使用额外元素的情况下校正色差成为可能。它还减少了光学元件的轴向厚度，从而降低了成本。此外，DOE有助于校正高阶光学像差。
利用DOE校正色差
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高吸收系数的红外光学材料
红外光学材料通常具有较高的吸收系数(如锗)，从而降低了光学系统的效率。它可以减少入射到传感器上的光量，降低信噪比。此外，传感器上的少量光可能会导致一些数据误报。这也是为什么在红外光学中建议尽量减少光学元件的另一个原因。
想了解更多关于红外光学材料的选择，请查看我们之前的帖子在这里．
某些红外光学材料折射率高
一些用于红外光学生产的光学材料具有较高的折射系数;锗的折射系数约为4。这意味着空气和光学材料的折射率差相当大。这导致通过光学材料/空气界面的光的数量减少，从而减少了有用的光的数量。反射光可能导致眩光和背景噪音。
比较由两种不同材料制成的具有不同波长的聚焦透镜。因为锗透镜反射光线的数量较高。
N-BK7透镜- 91.5%的光被聚焦。
锗透镜- 38.1%的光被聚焦。
在OpticStudio软件中进行仿真。
为了减少这种情况，需要高质量的光学涂层。另一种方法是降低入射光在两个环境界面上的角度。这也减少了反射光的数量。
金属热辐射的光谱范围
热辐射(长波红外辐射)的光谱范围为8-15µm。在正常条件下，金属的最大热辐射强度约为8-12µm。如果设备的任何金属部分在传感器的视野范围内(非光学)，发射的辐射可以到达传感器的敏感层。因此，杂散辐射水平可能非常高，导致图像对比度的损失和所获得的数据的损坏。热光学器件需要高度敏感的传感器，这一事实可能会加剧这种情况。
在光学机械设计时必须小心，以排除将金属部件放置在传感器视野内的可能性。
那喀索斯效应
那喀索斯效应描述了图像背景上“冷”(暗)点的存在。这个光点的存在是由于传感器和其他器件之间的亮度不同。事实上，黑点是传感器的图像。
原图像为光学光谱．
中央暗(冷)圈和周围环都是水仙效应的结果。
任何热光器件的传感器敏感表面都能吸收红外辐射，而且几乎不发射。如果器件光学方案分布错误，则背景光噪声非常不均匀。在图像的中心可以看到黑点。当传感器的图像被某个表面反射并聚焦在成像平面上时，就会发生这种情况。因此，我们可以看到传感器图像中的黑点(因为它的辐射能力很低)。正确设计的光学系统可以排除回波传感器图像的存在。
温度系数的折射率
一些用于生产光学红外器件的光学材料的折射率值与温度变化密切相关。这可能会导致光学质量的下降和获得的数据失真。折射率的温度系数决定了温度变化对光学材料折射率的影响有多大。这个系数越低，温度的影响就越小。
为了提高红外光学器件的热稳定性，需要考虑温度系数。
结论
红外光学系统的设计需要专业的光学设计知识和技能。在设计过程中需要解决这些问题，以获得高质量的光学系统。
想要了解更多?这篇文章提供了红外和热光学的概述并查看详细信息适用于热成像和红外成像的光学材料在这个链接。
