小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计_于剑

小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计

摘要：基于红外探头视场的标定原理和技术，设计了一种技术指标为焦距f=800mm、有效口径D=160mm、工作波段14～16

于剑，等：小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计

第1期9

的很大波长范围内工作，传输能量大，系统透过率高。所以拟采用反射式系统。

而在球面反射镜和非球面反射镜两种方案中，球面反射镜仅有一个参数R 决定其面形，它在系统中当光阑位于球心时，不产生像散，球差也很小。非球面其面形是由几个参数决定的，能使平行光束完善地会聚于一点，但加工难度大。由于被测件精度要求较高，所以选用抛物面反射镜，为保证反射面不变形，中心厚度应取厚一些。

为使抛物面反射镜的焦点正好在光轴上，同时光管要求在有效孔径内不能被遮挡，所以要从大的抛物面镜中偏离光轴切割出所需孔径，这样便成为离轴式抛物面反射镜［2］。

离轴的特点使平行光管成像不会产生很大的模糊，这一特点是非常有价值的，主要是由于发射或接收的信号都没有被遮拦。偏斜的反射镜为平板式，对从红外平行光管出射的光束进行重导，整个反射镜的光学特性较为成功。

该光管作为准直光源使用，其原理是在光管离轴抛物面反射镜焦点处放置一光源，其发出的一束光入射到平面反射镜后，经反射投射到离轴抛物面反射镜上，然后形成具有一定准直精度的平行光。

实际使用中，红外光源是不可能放在焦点处的，通常采用在焦点处放置光阑孔，用具有足够张角的红外光源照亮，从而形成等效光源。光阑孔的大小就是抛物面反射镜焦点上的光源直径的大小，它决定光管出射的平行光的张角。

3设计思想

根据系统的技术指标，焦距f =800mm ，有效口径D=160mm ，工作波段14～16

1时二次曲面为抛物面。

根据已知数据，应用ZEMAX 软件进行离轴设计，选取主镜和次镜的离轴量，在设计过程中对数据进行调整及优化。优化后系统结构参数如表1所示。

将离轴量h 与a 、b 综合考虑，经过几次试取h 值后，离轴量h=110mm ；主镜与次镜距离640mm ；平面镜半径尺寸为16mm ；a 大约为8.8mm ，b 大约为66.7mm ，满足a 、b 距离的要求。

在设计过程中得到以下结论：

（1）当主镜的离轴量增大时，平面反射镜的最大尺寸也在增大，而a 也在变大，则平面镜的可调范围也越大［4］。

（2）由离轴抛物面反射式平行光管的工作原理可以看出，平面反射镜只是起到了折转和折叠光

1—黑体2—调制盘3—小孔光阑4—平行光管5—平面反射镜6—离轴反射镜

7—二轴转台8—小视场红外探头

9—电测箱

10—计算机

图1小视场红外探头视场标定装置

Fig.1The equipment for calibration of

small FOV infrared probe

路的作用，因此对平面反射镜位置的恰当放置可以减轻平行光管的体积和重量［5］。

4像质评价

由准直度与分辨力之间的关系式

为准直精度；f '为系统焦距；d 为系统最

小弥散斑直径。根据上述公式

d ≈30"m 即，系统各视场的弥散斑直径要小于

116.355

m ，由图5的MTF

曲线图可以看出各视场传递函数曲线也基本与衍射

极限重合，而图6系统波前图可以看出波前差为0.0878个波长已经达到1/11个波长。综合以上像质分析，系统成像质量良好，且达到所要求的准直精

度。

5结论

为实现对红外探头进行视场标定，本文设计了

一种离轴反射式平行光管，根据所提出的技术指标，确定了平行光管的具体结构参数。针对像质分析看出，该系统像差校正良好，且达到了所提出的准直精度要求，设计方案正确可行。

参考文献

［1］段洁，孙向阳，张国玉，等.卫星实验用小型地球模拟器张

角测试方法的研究［J ］.仪器仪表用户，2008，15（6）：8-10.［2］杨力，吴时彬，高平起，等.420mm 离轴抛物面反射镜的

制造［J ］.光学技术，1998（3）：44-47.［3］王响.反射式准直系统设计与检测［D ］.中国优秀硕士学

位论文全文数据库，2007.

［4］赵茗，黄德修，刘小英，等.离轴抛物面反射式平行光管的结构设计［J ］.华中科技大学学报，2005，33（4）：67-69.［5］田海雷，汪岳峰，张伟.离轴抛物面反射式红外平行光管

设计［J ］.红外技术，2007，29（12）：701-707.

表1光学结构参数表

Tab.1

Optical structure parameters

Surf:Type Radius Thickness Glass Semi-Diameter

Conic STO (Standard )

2(Standard )3(coordinateB )4(Standard )5(coordinateB )6(coordinateB )IMA (Standard )

Infinity -1600Infinity

Infinity

800-640001600

MIRROR MIRROR

80191.3762890

142.642118

001.423216

00-100

长春理工大学学报（自然科学版）2010年

10FIELD:123RMS RADIUS:

00.628

8.971

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