红外光学系统

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：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。

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。

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0D 与焦距f之比，即fD 0。

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0D f ，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200)/(4f D L E τπ='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NAD f F 21==●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。

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：fl tg W V 21-=，fd tg W H21-=● 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)：f a IFOV V '==α，f b IFOV H '==β● 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：24F d λ=● 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d A ）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c A ）的辐射能强度之比称为光学增益。

● 点源系统光学增益dc A A G τ=式中，τ为光学系统的透过率；c A 为光学系统的入射光瞳面积；d A 探测器光敏面面积。

● 扩展源系统光学增益2)sin /'(sin βθτ=G式中，'θ为光学系统像方孔径角的半角；β为物体对入瞳中心张角的半角。

由于F 数变小时'θ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。

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：●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45o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。

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。

●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45o角。

●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。

●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α表示：12D D =α式中，1D 、2D 为主镜和次镜的直径。

遮挡后，有效通光面的有效直径为2121211)(1α-=-=D D D D D e遮挡后，系统的有效F 数为211''α-==D f D f F ee e e式中，e f '为系统有效焦距。

当系统没有遮拦时，2D 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。