直视型光电成像系统与

曼金折反射镜。
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校正透镜中间，接收器造 成中心挡光，为此发展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正透镜的 中心部分镀上铝或银等反射层作次镜用，将焦点引到主反射镜之 外。
上一页
微光与主动红外成像系统相比最主要的优点是被动式工 作，不用人工照明而是靠夜天自然光照明景物，故隐 蔽性好，但景物之间反差小，图像较平淡，层次不够 分明，且系统工作受自然照度和大气透明度影响大 。
上一页
下一页
6.1.2 直视型(被动)微光成像系
6.2.1 6.2.2 6.2.3
夜视成像系统的光学系统 主动红外成像的照明系统 像管的小型化直流高压电源
上一页
下一页
6.1.1 直视型主动红外成像系统
主动红外成像系统主要部件包括红外照明光源、物镜、 红外变像管及目镜等，工作波段在0.76～1.2μm的近 红外光谱区，其长波限由变像管光阴极决定。红外照 明光源发出的红外辐射照射景物场景，光学物镜将被 场景反射回来的红外辐射成像在红外变像管的光阴极 面上，形成场景的反射图像；变像管对场景图像进行 光谱转换和亮度增强，最后在荧光屏显示场景的可见
·卡塞格伦系统：
由抛物面主镜和双曲面次镜构成。次镜位于主镜焦点之内，双曲面镜 的一个焦点与抛物面镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点，系 统无穷远轴上点没像差。特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑、会聚光 束通过主反射镜中心的孔使焦面上便于放置接收器件，但非球面加工 较困难。
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
上一页
下一页
1—3000K 2—2500K色温真空白炽灯
上一页
下一页
6.2.2 主动红外成像的照明系统
(2) 氙灯
氙灯是利用高压、超高压惰性气体氙放电现象制造的一种高效率 光源，是一种以石英玻璃管为放电管，以钍钨材料为电极封接而 成强电流弧光放电灯。主动红外成像系统中用的高压短弧氙灯作 光源电弧长只有几毫米，光斑集中，发光效率高且寿命长。高压 短弧氙灯的光谱为叠加着少量线状光谱的连续光谱，其光谱分布 接近于太阳光谱，在近红外光谱区有强辐射谱线，更适合做大功 率红外探照灯光源。
上一页
下一页
改进的匹兹伐物镜
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
由于红外材料价格昂贵，折射比高而反射损失大，在满 足需要条件下应尽可能减少透镜片数。在像质要求不高 的辐射计中多用单片折射透镜。为了减小单透镜的球差 和色差，可做成组合透镜。
上一页
下一页
组合红外物镜的结构
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
② 反射系统。
上一页
下一页
三种典型目标的反射 光谱曲线 1—绿色草木； 2— 3—暗绿色漆
上一页
下一页
6.1.1 直视型主动红外成像系统
主动红外成像系统利用近红外波段工作有许多特点：
① 充分利用军事目标和自然界景物之间反射能力的显著 差异。
② 近红外辐射比可见光受大气散射的影响小。
③ 由于系统“主动”照明目标，使系统工作不受环境照 明的影响。
上一页
下一页
Βιβλιοθήκη Baidu
单反射镜的四种形式 (a)球面单反射镜；(b) 抛物面反射镜；(c) 椭球面反射镜； (d) 双曲面反射镜
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
球面反射镜和抛物面反射镜可单独使用
(a) 光阑位于焦面(同轴)；(b) 焦点在入射光束之外(离轴)
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
通常单球面镜和抛物面反射镜的焦点均是在入射光路 内，若在焦点放置接收器，则装调不方便，并会产生 遮挡，通常采用在反射镜光路里加另一个反射镜的方 法把焦点引到主反射镜之外，构成双反射镜系统。常 用的双反射系统有牛顿系统、卡塞格伦系统和格里高 里系统。
上一页
下一页
(a) 曼金折反射镜；(b) 曼金-卡塞格伦系统 返回
1 夜视成像物镜
·曼金折反射镜：
由球面反射镜和与之相贴的负透镜组成(如图(a))。球面反射镜的 光阑就是它本身，各种像差都有，负透镜的作用是减小它的球差， 但又增加了色差。曼金折反射镜常被用在卡塞格伦系统中，图 (b) 为带曼金反射镜的卡塞格伦系统。主镜为球面反射镜，曼金折反次 镜做成消色差的组合透镜。如果要进一步减小球差，主镜也可改用
上一页
下一页
6.2.2 主动红外成像的照明系统
(3)大功率红外发光二极管(LED)
(IR-LED)主要有砷化镓(GaAs)和镓铝砷 (GaAlAs)等。IR-LED是一种非相干P-N结光源，在结上加正向电压 时，P-N 大功率红外发光二极管是目前普遍使用的低成本红外光源，具有发 光效率高、寿命长、体积小、质量轻、结构牢固、不需加红外滤光 片等许多优点。
第六章 直视型光电成像系统与特性分析
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4
直视型光电成像系统的原理 夜视光电成像系统的主要部件及特性 直视型夜视成像系统的总体设计 夜视系统的作用距离
§6.1 直视型光电成像系统的原理
6.1.1 直视型主动红外成像系统 6.1.2 直视型(被动)微光成像系统
上一页
下一页
6.1.1 直视型主动红外成像系统
④ 对于军事应用，灯源容易暴露自己，这是主动红外 成像系统最致命的弱点，也是夜视成像系统由主动向被 动发展的重要原因。
⑤ 通过选通技术，减小传输介质的后向散射或传感器 与场景相对运动造成的图像模糊，使主动夜视成像技术 在诸如巡航导弹地形匹配下视系统、水下探测和制导系
返回
6.1.1 直视型主动红外成像系统
主动红外成像系统在公安、工业监测、医学和科学研 究等许多领域具有广泛应用，特别是近年来选通技术的 发展和应用，主动选通红外成像系统在一些特殊的军事
下一页 返回6.1
主动红外成像系统原理图 1—红外滤光片；2—光源；3—反射镜；4—人眼； 5—目镜；6—变像管；7—物镜；8—目标
上一页
下一页
施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
·施密特系统：
由球面反射镜和位于球面反射镜曲率中心的球面或非球面校正透镜 组成，校正透镜又叫施密特校正板(原理如图(a))。球面反射镜没有 色差，将光阑放于反射镜中心时没有慧差和像散，只产生球差和场曲； 校正板校正球面反射镜的球差。为避免产生其他像差，校正板做得很 薄，且位于反射镜曲率中心。由于校正板边缘比中心厚，光线通过校 正板时会由于强折射而产生色差。为克服这一缺点，又产生了改进后 的施密特校正板(如图(b))。系统的相对孔径可达1∶0.65。
微光望远镜用折反物镜由一对薄透镜、一对反射镜和 一个校正透镜组成的系统，薄透镜的位置靠近主反射镜 焦点，负薄透镜中央部分镀反射膜层，作为次反射镜， 主反射镜中部为通孔放置校正透镜，来自场景目标的光 线经透镜和反射镜，经校正透镜到达像增强器的光阴极
上一页
下一页
上一页
返回
2
对目镜的主要要求有： ① 合适的焦距。 ② 足够的视场。 ③ 合适的出瞳距离p′和出瞳直径d。 ④ 适当的前节距(目镜前表面和前焦点之间的距离)，以 保证工作时的视度调整。
上一页
下一页
光电成像系统常用的目镜组
上一页
下一页
6.2.2 主动红外成像的照明系统
主动红外成像系统对红外照明系统的要求有： ① 照明系统的辐射光谱(光源与滤光片的组合光谱)要与 像管光电阴极的光谱响应有效地匹配; ② 有一定的照射范围; ③ 红光暴露距离要短; ④ 应保证足够的辐射强度; ⑤ 在结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便; ⑥ 应尽量做到体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗 小、工作可靠。
上一页
下一页
6.2.2 主动红外成像的照明系统
① 折射系统。 折射物镜系统较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。 光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹兹伐型 。
上一页
下一页
双高斯和匹兹伐物镜的基本结构 （a) 双高斯型；(b) 匹兹伐型
上一页
下一页
微光头盔改进的双高斯物镜 上一页
下一页
1 夜视成像物镜
上图是微光头盔采用的一种改进型双高斯物镜，相对孔径 为1∶1，f′=20.58mm。在仪器视场不大的情况下，可用 匹兹伐型物镜，其基本结构视两个正光焦度的双胶透镜， 结构简单，球差和慧差校正较好，但视场加大时场曲严重。
(1) 白炽灯
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根据热辐射原理制成， 用电流加热灯丝使之达到白炽而发光。白炽灯工作在白热状态， 要求灯丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光源的发光效
(单位为lm/W)。充气白炽灯比真空白炽灯有更高的工作温度 和发光效率，但也只有10～20 lm/W，在0.8～1.2μm的近红外辐 射光谱区具有较高的辐射强度，并与S1光阴极匹配，可用做主动 红外成像系统的光源。
下一页
包沃斯1—校正透镜的交替位置；2—孔径光阑；3— 4—焦面；5—球面反射镜
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
· 包沃斯-马克苏托夫系统：
克苏托夫系统。由于多了反射镜和负透镜第二个面的间距及透镜第 二个面的曲率半径两个变量，可消去更多的像差，故像质比曼金折 反射镜有更大的改进。
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
反射式物镜可做成大口径，长焦距，且取材容易，对材料要求不高。 反射式物镜光能损失小，无透射损失，不产生色差。这些优点使其 在红外光学系统中应用较多，但也存在体积大及次镜遮挡等缺点。 反射式物镜分为单反射镜和双反射镜。最常用的是双反射镜。
单反射镜分为球面镜和非球面镜(抛物面、椭球面和双曲面镜)系统。 分别由对应的曲线绕对称轴旋转得到，其光学焦距都是顶点曲率半 径的一半，即f′=r/2。
上一页 下一页 返回6.2
6.2.2 主动红外成像的照明系统
1.红外光源
红外照明系统所用的光源种类很多。在主动红外成像系统中常用 电热光源(如白炽灯)；气体放电光源(如高压氙灯)；半导体光源 (如砷化镓发光二极管)和激光光源(如砷化镓激光二极管)等四类。
上一页
下一页
6.2.2 主动红外成像的照明系统
返回
6.2.1 夜视成像系统的光学系统
夜视光电成像系统包括微光夜视系统和热成像系统。 微光夜视的光学系统主要是微光成像物镜；热成像光 学系统除红外成像物镜外，还包括扫描光学系统和中 继光学系统 1.夜视成像物镜 2.目镜
返回6.2
1 夜视成像物镜
(1) 夜视系统对物镜的基本要求
物镜把目标场景成像于光电接收器(像管、摄像管或红外探测器)上， 因此夜视系统对物镜的基本要求大致有以下几点：
① 大的通光口径和相对孔径。 ② 小的渐晕。 ③ 宽光谱范围的色差校正。 ④ 物镜有好的调制传递特性。 ⑤ 最大限度地消除杂散光。 ⑥ 在红外光学系统中，必须同时考虑聚光系统和扫描系统。 ⑦ 尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。
下一页
1 夜视成像物镜
(2) 成像物镜的基本类型
光电成像系统用物镜系统分为三类： 即折射系统、反射系统和折反 射系统。
上一页
下一页
6.1.2 直视型(被动)微光成像系
系统主要由微光物镜、目镜、像增强器、高压电源等部分 组成
直视微光成像系统原理图 1—目标；2—物镜；3—像增强器；4—高压电源；5—目镜；6—人眼
上一页 下一页 返回6.1
6.1.2 直视型(被动)微光成像系
夜天空自然微光照射在景物场景，经反射和大气传输 后，辐射经物镜成像在像增强器光阴极面上，像增强 器对景物像进行光电转换、电子倍增成像和亮度增强， 在荧光屏上显示场景目标的增强图像。
上一页
下一页
(a) 牛顿系统；(b) 卡塞格伦系统；(c) 格里高里系统
上一页
下一页
1 夜视成像物镜
· 牛顿系统：
由抛物面主镜和平面次镜组成，次镜在主镜焦点附近与光轴成45° 角。由于主镜是抛物面反射镜，对轴上无穷远点无像差，像质只受衍 射限制，弥散圆为艾利圆，但轴外像差大，常用于像质要求高的小视 场红外系统中。特点是镜筒长、质量大。
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜位于主镜焦距之外，椭球面的 一个焦点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点。系 统对无穷远轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的主镜和次镜都采用球面镜，而 用加入补偿透镜的方法校正球面镜的球差，构成折反射物镜系统。折 反射物镜可实现大口径长焦距，常用的折反射物镜有施密特系统、曼 金折反射镜、包沃斯-马克苏托夫系统以及包沃斯-卡塞格伦系统。