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f

D 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)/(4

f 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

NA

D 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：

f

l tg W V 21

-=，f

d tg W H

21

-=

● 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

d

c 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。