红外光学镜头设计方案

光学系统设计方案

设计参数：

1)ICCD分辨率：1248х1024

2)像元尺寸：6μmх6μm

3)靶面尺寸：7.48mmх6.14mm

4)系统焦距：1500mm

5)F数：3.75

6)波段范围：450nm～800nm

系统初步设计如下：

口径Ф400mm，系统长度500mm。光路二维图如下图所示。系

统为折返射式光学系统，前部采用施密特矫正镜，后端采用卡式系统，

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达到减小系统尺寸的目的。

图 1 光学系统二维图

图 2光学系统三维图

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86.21 MM New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq Scale:0.29 22-Nov-14

图 3 光路剖视图

表 1线视场分析

距离（km） 1 5 10 30

线视场（m）5×4.1 25×20.5 50×41 150×123

图 4系统球差及场曲曲线

系统传递函数曲线如下图所示，根据探测器像元尺寸，MTF截频计算至83lp/mm处，从下图可以看出，系统MTF在100lp/mm处，水平最大视场及垂直最大视场均高于0.5，对角线视场MTF高于0.5。

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图 5 系统MTF曲线

系统弥散圆的大小如下图所示，弥散圆表示点源物体经过系统后的发散情况，其半径越小、能量越集中，说明成像质量越好。通常接近衍射极限的系统弥散圆直径小于接收器的单个像素值。本系统采用的探测器像元尺寸为6μm，系统的弥散圆直径最大值为3.8μm，说明系统的成像质量接近衍射极限。

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图 6畸变网格及畸变曲线

系统的畸变网格和畸变曲线如下图所示，畸变的大小能直接反映出系统图像的变形情况，从下图中可以看出，系统的最大畸变小于0.01%，图像变形肉眼无法分辨。

图 7畸变网格及畸变曲线

系统成像的二维仿真效果如下图所示，左图为目标图像，右图为经系统后所成图像，从图中可以看出，系统成清晰倒像。

图 8二维成像仿真

公差分析

镜头最终的成像质量受到材料、加工、装配等各方面的影响，为保证系统最终获得良好的成像质量，设计时应充分考虑系统各部分的公差分配，使材料、加工及装配的误差均在可接受的范围内，避免某

类误差过大使最终的成像质量下降过多。下图给出了系统在100lp/mm处MTF的概率分布曲线，系统对各部分的公差要求如下表

所示，从图中可以看出，在考虑各部分的公差后，系统MTF90%概率处于0.37以上，能够保证最终系统有良好的成像质量。目前的装配

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及加工水平均可以保证表中要求的公差。

图 9 MTF概率分布曲线

探测能力分析

决定探测距离的因素通常有以下几个方面。

1、镜头焦距

决定探测距离的一个重要因素就是镜头焦距。镜头焦距直接决定了目标所成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素，焦距越大，目标像所占用的像素点越多，根据约翰逊准则可知，其探测距离更远。

2、探测器性能

镜头焦距是从理论上决定了相机的探测距离，在实际应用中起着重要作用的另一因素是探测器性能。镜头焦距只是决定了所成像的大小，占用像素点的数量，探测器性能则决定图像质量，如模糊程度，信噪比等。探测器性能可从像元尺寸、灵敏度、信号处理等方面来分析。像元尺寸越小，则空间分辨率越小，其探测距离越大。

探测器的灵敏度和信号处理决定了图像的清晰度。如果探测器的灵敏度和信号处理能力不好的话，则所成的像只是一个模糊的像，也就无法识

别。因此，一些探测器的灵敏度不高的话，则采取加大镜头口径的方法来提高图像效果，这增加了成本。

3、大气环境

虽然热辐射对大气的穿透能力比可见光强，但大气吸收、散射等对热像仪成像还是有一定的影响，特别是大雾和大雨的天气环境，从而影响到探测距离。

综上所述，在能见度一定的情况下，光电系统的探测能力主要由两部分组成，一是目标在靶面上成像所占的像元数，二是目标被系统接收成像后的信噪比。

此部分内容需要和探测器的探测灵敏度，转换效率等因素一并进行分析考虑。