红外光学系统是指接收或发射红外光波的光学系统。作为光学系统的一个类别，红外光学系统在光能的传递、成像和接收等光学概念上并没有本质的区别。但由于工作在红外波段，一般以光电探测器件作为光能的接收元件，因此与一般光学系统相比，也有其自身的一些特点。对红外光学系统可以有不同的分类方式：按其工作原理来分，可分为主动式和被动式两类，前者以自带的红外光源照明目标，系统接收目标反射的红外光，后者则直接探测目标的红外辐射。按其工作方式来分，可分为扫描系统和凝视系统。上次我们简要介绍了下红外光学系统，这次我们来介绍下红外光学系统的工作方式以及与普通光学系统相比所具有的特点。
红外光学系统（二）
红外光学系统是指接收或发射红外光波的光学系统。作为光学系统的一个类别，红外光学系统在光能的传递、成像和接收等光学概念上并没有本质的区别。但由于工作在红外波段，一般以光电探测器件作为光能的接收元件，因此与一般光学系统相比，也有其自身的一些特点。上次我们简要介绍了下红外光学系统，这次我们来介绍下红外光学系统的工作方式以及与普通光学系统相比所具有的特点。
红外光学系统的工作方式与探测器的发展紧密相关。早期红外探测系统通常采用光机扫描的方法，使小型探测器相对于目标顺序扫描整个视场。这种工作方式又分为串行扫描与并行扫描(推帚式扫描)两种，如下图所示。前者是由小型探测器首先扫描视场上方的一个窄条带，从左扫至右，然后下移至第二排窄条带，重复扫描过程，直至记录目标的整个幅面。事实上应当是探测器静止不动，而是被探测的图像扫过探测器。因此串行扫描要求有正交方向的两个运动，这就要求系统中有两个独立扫描的反射镜。也可以用一块具有复合运动功能的反射镜。推帚式扫描是一种并行扫描方式，它以一维探测器阵列按“推式扫骨”方式扫描物空间。相对于串行扫描方式，并行扫描探测器要复杂一些，像元数量比较多，但相应的机械结构要简化得多。
如果系统在所要求覆盖的空间范围内，对目标成像于充满光学系统焦平面的红外探测器，则称为凝视红外成像系统。显然，这种系统取消了光机扫描机构，减小了体积和重量，使结构更加紧凑，而且探测器单元有较长的积分时间，因而有更高的灵敏度。凝视红外成像系统的应用是红外成像技术发展到高级阶段的一种标志。
红外焦平面阵列探测器是利用半导体材料制成的光伏元件或光导元件。光导元件是利用半导体的光电导随光照的变化，把光照强度转化为电流信号。光优元件是一种结型光电器件，它利用光生伏特效应把光照强度转化为电压信号。金属一半导体形成的肖特基势垒层也能产生光伏效应。
红外光学系统与普通光学系统相比，具有以下不同的特点：
首先，红外辐射波段位于不可见区，而普通光学玻璃对2.5u 以上的光波不透明，因此在材料的选择上自由度很小。在设计时除了要选择透红外波段的材料，还必须考虑材料的机械能、应满足的尺寸等，这就使透镜系统在红外光学系统中的应用受到一定的限制，而反射式和折反射式光学系统占有较大的比例。同时，光学系统的结构应尽量简单，以减少能量的损失。
其次，红外光学系统的接收器不是人眼或胶片，而是光电探测器。因此，光学系统的性能以它和探测器匹配的灵敏度、信噪比为主要评价依据，而不是单纯考虑光学系统的分辦率。
第三，由于红外辐射波长较长,相应的衍射极限较低。早期的红外探测器分辨率低，对光学系统的像质要求也相应较低。但随着红外探测器分辨率的提高，对光学系统的要求也越来越高，而要得到较高的分辨率必须要有大的相对孔径。对于光机扫描结构，光学系统的视场较小，属于大孔径小视场系统，但要考虑对像面弯曲或畸变的特殊要求。对于凝视成像系统，由于探测器像元数比扫描型要多得多，相应的光学系统视场也必须与此匹配,并且要充分发挥探测器的效能。
第四,由于中波红外和长波红外是绝大多数热能存在的区域，所以红外光学系统的热效应也是一个需要考虑的问题。由于红外探测器敏感于热能，任何能够到达探测器的热辐射都会降低系统的灵敏度，甚至造成图像异常。某些红外探测器必须在深冷的条件下工作，需要封装在杜瓦瓶中，这时需要考虑光学系统的孔径光阑与杜瓦瓶冷阑的匹配问题。同时,光学元件的折射率会随温度变化，并且光学、机械元件都会由于热膨胀而产生变形，由此而导致的像差称为热差。因此在设计时需要对此进行分析，必要时还需要采用消热差的设计方法。
相关文献：
《几何光学 像差 光学设计》（第三版）——李晓彤 岑兆丰
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