浅述红外光学系统中的F数

光学系统中的F数表征的是这个系统收集的光能量的大小。F数大小等于系统焦距/入瞳直径（见下图），其中系统焦距指从镜头的光学中心到焦点的距离，入瞳直径由孔径光阑决定，孔径光阑限制了入射到系统光束宽度的大小，也可以理解为入射的光通量大小。因此，不难理解F数可用于表达系统的分辨率和灵敏度。焦距相同时，F数越小，通光口径越大，进入系统的光子能量越多，目标的辨识能力越强，灵敏度越好。

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具体到红外成像系统，其光学系统通常由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合而成。该体统收集的光能量来自于物体的红外辐射，通过一系列折射、反射和投射后，红外辐射能量最终聚射到红外探测器上。此时，F数表达了红外光学系统对红外辐射的会聚能力。

图像来源：《制冷型中波红外光学系统无热化设计》

实际应用中，红外成像系统需要观察远距离（如5000m或更远）的场景，常采用长焦距（如200mm）光学系统。此时，更小的F数虽然灵敏度更高，但有效探测距离也更近。为达到观测距离与成像效果的最佳匹配，红外成像系统的F数一般不会很小或很大，取值多在1～4，典型可见光相机镜头的F数取值1～22。