红外光学系统

度量视场的立体角称为视场角,习惯上常用平面角表示。 大多数红外系统的探测器放在光学系统的焦面上，探测器本 身就是视场光阑，垂直和水平视场角可分别表达为：
WV tg 1
l d ， WH tg 1 2f 2f
由多个探测元组成线阵或面阵探测器时，将单个探测元所对 应的视场称为瞬时视场(IFOV)，而将线阵或面阵探测器所对 应的视场称为光学视场(FOV)：
孔径光阑：决定最小入射光束截面积的光阑，如透镜的边框 MN 和特加的圆孔光阑 I。 视场光阑：限制物空间的被成像范围，如光阑 II。 入射光瞳：通过光学系统的光束的最大孔径角，描述目标辐 射能量有多少为光学系统接收。
AB 是系统的孔径光阑。从 F 点来看，AB 的大小相当于以孔径 光阑为物，通过透镜 L 在物空间所成的像 A B ，这个像的边 缘对物点 F 所作的张角，就是通过光学系统的光束的最大孔 径角。光阑 AB 的像 A B 就称为系统的入射光瞳。
4.1 反射镜 一、球面反射镜 最简单的反射镜是单个球面反射镜。其像质接近单透镜，但 没有色差。
球面反射镜是一种实用的红外物镜，在小孔径时能得到优良 的图像。但随着视场和孔径的增大，其像质迅速恶化。 二、非球面反射镜 非球面反射镜，通常是轴对称的二次曲面镜，面型由两个参数 决定，便于通过选择面型来达到消除象差的目的。非球面反射镜的 加工难度要大的多。 1）抛物面反射镜 概念：抛物面反射镜由抛物线绕其对称轴旋转一周而成：
扁球面反射镜：将椭圆绕其短轴旋转一周，取一部分，即得 到旋转扁球面。扁球面反射镜一般利用凸面。
特点：椭球面没有像差。椭球面反射镜和双曲面反射镜很少 单独使用，与其他反射镜组合的双反射镜系统中使用。 三、双反射镜 为减少对入射光线的遮拦，便于接收元件的放置，在光学系 统中放一块反射镜，将焦点引导入射光束的外侧或引到主镜 之外，这就是双反射系统。 入射光线首先遇到的反射镜常称为主反射镜，简称主镜；第二个反 射镜称为次反射镜，简称次镜。 1）牛顿系统 组成：旋转抛物面做主反射镜，次反射镜是平面镜，位于主 镜的焦点附近，且与光轴成 45 角。
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2.2 相对孔径、F/数 1、焦距
F 点为像方焦点，F 点为物方焦点； 过 F 点且垂直于光轴的平面称为像方焦面； H 为象方主点，H 为物方主点； 象方主点与像方焦点之间的距离称为后焦距 f，一般称焦距。 2、相对孔径 入瞳直径 D0 与焦距 f 之比，即 D0
f
光学系统
1 概述 作用：就是接收辐射能量，并把它传送给探测器。 特点： 1. 多采用反射式和折反式系统 光学玻璃的透光特性及机械性能，限制了透镜系统在红外 光学系统中的应用。 2. 性能评定是以与探测器匹配的灵敏度、信噪比为主 红外系统属光电子系统，接收器是光电器件，分辨率受到 光电器件尺寸的限制，对光学系统的要求有所降低。 3. 视场小，孔径大 探测器接收面积较小、反射系统没有色差、系统对象质要 求不高。 4. 采用扫描器 当探测器阵列为线列时，为实现对空间目标的扫描成像， 常采用扫描器。 5. 波长的特殊性使得系统的重量重、成本高 常用红外波段的波长约为可见光的 5～20 倍，要得到高分 辨率的系统，必须有大的孔径。 设计光学系统时应遵循的原则：
G Ac Ad
式中， 为光学系统的透过率； Ac 为光学系统的入射光瞳面积；
Ad 探测器光敏面面积。
扩展源系统光学增益
G (sin ' / sin ) 2
式中， ' 为光学系统像方孔径角的半角； 为物体对入瞳中心 张角的半角。由于 F 数变小时 ' 变大，那么光学增益会增大。 总 结： 小 F 数的光学系统具有较强的聚光能力，设计中应尽量减小 F 数；但大 F 数有助于增加景深；小 F 数、大孔径红外系统 的重量重、成本高，会带来象差方面的其它影响。 实际应用中，有两类典型的光学结构，一类是 F 数较小、视 场较大的折射式系统；另一类是 F 数较大、视场较小的反射 式或折反射式系统。 3 影响光学系统像质的主要因素 物空间的一个物点发出的光线经实际光学系统后，不再会聚
于像空间的一点，而是形成一个弥散斑。一是由于光的波动 本性产生的衍射；二是由于光学表面几何形状和光学材料色 散产生的像差。 象差是由光学系统的物理条件所造成的。从某种意义上说， 任何光学系统都存在有一定程度的象差。 单色光成像会产生性质不同的五种像差：影响成像清晰度的 球差、彗差、象散、场曲；影响物象相似程度的畸变。 不同色光通过光学系统时， 成像差异称为色差： 位置色差 （纵 向色差）和倍率色差（横向色差） 。 系统通光口径确定后衍射是无法控制的。即使无任何像差， 理想像点也不是一个几何点，而是一个弥散斑。当光学系统 的性能仅受到衍射限制时， 该光学系统的性能已达到了极限， 称为衍射限制。 4 红外物镜 反射式系统没有色差，工作波段很宽；对反射镜的材料要求不 高，口径可以做得较大。缺点：如视场小、体积大、成本高、中心 有遮拦等。 硫化锌、硒化锌、硅、锗等高折射率、低色散的晶体材料可制 作成各类折射物镜。折射式物镜可有效弥地补反射式和折反式光学 系统的缺点。
特点：所有平行于光轴入射的光线均会相交于焦点处。抛物
面反射镜对无限远轴上物点是等光程的，没有像差，像质仅 受衍射限制，弥散圆的大小为艾里斑。抛物面反射镜是小视 场运用的优良物镜。 几种常见的使用抛物面反射镜
a）的光阑位于焦面上，球差和像差均为零，像质较好，但探测 器必须放在入射光束中，要档掉一部分中心光束。 b）为离轴抛物面反射镜，焦点在入射光束之外，但光学装校比 较麻烦，非对称的抛物面加工也比较困难。 c）在光路中加了一块平面反射镜，与光轴成 45 安装。可容易 把焦点引出入射光束外，并用一目镜在垂直光轴的方向观察，不影 响入射光束。但入射光束的中心部分会被次镜档掉。 d）为离轴抛物面牛顿系统，常用于平行光管。离轴是为了避免 光源遮掉平行光束中的中心部分。
IFOVV a f IFOVH
，
b f
单元探测器的红外系统，其光学视场和瞬时视场是一致的； 线阵或面阵探测器的瞬时视场角与单元探测器相同，光学视 场则与具体的光机扫描方式和面阵大小有关。 2.4 焦深、景深 会聚到焦点的光束，在焦点处光束的截面积最小；在焦点两 侧的一个短距离内，光束的截面积近似相等，这一距离称为 焦深。 根据波像差理论，焦深 d 为：
1. 光学系统与目标、大气窗口、探测器之间的光谱匹配。 2. 接收口径、 相对孔径尽可能大， 以保证系统有高的灵敏度。 3. 系统应对噪声有较强的抑制能力。 4. 系统的形式和组成应有利于发挥探测器的效能。 5. 系统和组成元件力求简单，减少能量损失。 6. 根据不同要求，选择合适的元件组成所需的系统。 2 光学系统的主要参数 2.1 光阑、入瞳 在光学系统中起拦光作用的透镜和屏孔统称为光阑。
特点：校正板就是孔径光阑，安装在曲率中心。系统没有慧 差、像散和畸变，球差利用校正板校正。系统在大视场范围
内的像质很好。但系统的校正透镜形状复杂，难于加工，镜 筒长度也比较长。 二、曼金折反系统 组成：系统由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射 透镜组成。
o
2）双曲面反射镜 概念：把双曲线中的一根绕对称轴旋转一周，就得到双曲面。 双曲面即可以利用凸面，也可利用凹面。
特点：由一个（几何）焦点发出的光线，将严格地会聚于另 一个焦点，且没有像差。在红外光学系统中，经常使用双曲 面反射镜的近轴区。 3）椭球面反射镜和扁球面反射镜 椭球面反射镜：将椭圆绕其长轴旋转一周，取一部分，即得 到旋转椭球面。一般利用内表面。
探测器上。为此可以加杂散光挡板：
4.2 折－反系统 为了得到较好的像质，反射式系统可用非球面镜。但非球面镜 不易加工、成本高、检验难。于是，在主镜和次镜仍采用球面镜的 系统中，加入附加的补偿透镜，校正球面反射镜的像差。出现了折 －反式物镜系统，简称折反系统。 红外系统，特别是红外导引头光学系统广泛应用此类系统。其 折射镜往往较薄，目的是色差尽可能小、减少能量吸收。 一、斯密特系统 组成：由一块球面反射镜、一块位于球面镜的曲率中心的非 球面校正板组成。校正板的表面做成适合于补偿反射镜球差 的形状。
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像面上的辐照度与光学系统的相对孔径的平方成正比，要增 加像面的辐照度，必须增加相对孔径。 3、F/数 相对孔径的倒数 f
D0 ，读为 F 数（也就是相机的光圈数） 。
F／8 表示系统的焦距为入瞳直径的 8 倍。 相对孔径或 F/数是衡量光学系统聚光能力的一个参数。
像面上的辐照度为
E

4
L 0 ( D0 / f ) 2
4、F/数与数值孔径 光学系统在空气中使用时，数值孔径 NA 与 F/数的关系为
F f 1 D 2 NA
数值孔径和 F 数都可用来表示物镜的聚光能力，物在有限远 时，如显微系统，较多用数值孔径；物在无穷远时，如望远 系统，较多用 F 数。 2.3 视场(FOV)、瞬时视场(IFOV) 视场是探测器通过光学系统能感知目标存在的空间范围。
特点：轴外点象差较小、镜筒短、焦距长；系统焦点位于主 反射镜后面，便于放置红外探测器组件。卡塞格伦系统在导 弹红外探测系统中广泛应用。 3）格里高利系统 组成：由抛物面主镜、凹椭球面次镜组成。主反射镜的焦点 与椭球面反射镜的一个焦点重合，系统的焦点就是椭圆面反 射镜的另一个焦点。
特点：格氏系统无球差，慧差也较小。 4）几种系统的比较 牛顿系统与卡氏、格氏系统比较，前者的镜筒长，重量大， 这是红外装置所不希望的。 卡氏和格氏系统多了一个非球面次镜，系统成折迭式，镜筒 短，且多一个次镜，可比牛顿系统更好地校正轴外像差。 卡氏系统与格氏系统比较，在相同地系统焦距与相对孔径的 情况下，卡氏系统的次镜挡光小，镜筒更短，比格氏系统更
o
特点：主镜是抛物面镜，对无限远的轴上点没有象差。像质 仅受衍射限制；轴外点象差较大。镜筒长、重量大。常用在 像质要求较高的小视场的红外系统。 2）卡塞格林系统 组成：主镜是抛物面反射镜，次镜是凸双曲面反射镜。双曲 面的一个焦点与抛物面主镜的焦点重合。经过双曲面反射的 光线必通过其另一焦点 （双曲面反射镜的特点） ， 且没有象差， 此焦点就是整个双反射系统的焦点。

D2 D1
式中， D1 、 D2 为主镜和次镜的直径。 遮挡后，有效通光面的有效直径为
De D1 1 ( D2 2 ) D1 1 2 D1
遮挡后，系统的有效 F 数为
Fe f 'e f 'e De D1 1 2
式中， f 'e 为系统有效焦距。当系统没有遮拦时， D2 为 0，F 数就是一般的定义了。 6）消除杂散光 使用双反射镜系统应当注意一点：必须防止杂散光直接射到
d 4F 2
当物距变化时，只要像面位置与理想像面轴向位置的偏差不 超过焦深，像点的亮度不会有明显的变化。 将像的移动等于焦深的物距变化称为景深。 如光照足够，可以减小光圈，即增加 F 数来增加景深。 2.5 光学增益 一束辐射能经过光学系统聚集后落到探测器（面积为 Ad ）上
的辐射能强度，与未经光学系统时直接落在它的入瞳处（假 如此处有一探测器，其面积等于入瞳面积 Ac ）的辐射能强度 之比称为光学增益。 点源系统光学增益
优越。像质好，镜筒短，焦点可以在主镜后面这几个优点， 使卡氏系统在红外装置中得到广泛的应用。 卡氏系统成倒像、 格氏系统成正像。对红外探测器而言，这是无所谓的，因为 在瞬时视场内无须区分正像、倒像。 双反射镜系统次镜把中间一部分光档掉，且一旦视场和相对 孔径变大，像质迅速恶化，这是双反射镜系统最大的缺点。 因此，双反射镜系统往往只用在物面扫描的红外装置中，很 少用在像面扫描的红外装置中。 5）中心遮挡描述 双反射镜系统中心光束被次镜遮挡的程度，可用遮挡系数 表示：