红外技术第五次课

1、 红外技术教案 第 13页 共 13页第五次课第二章 红外光学系统2.5 辅助光学系统辅助光学系统也称为探测器光学系统，它用来提高探测器的特性。红外系统可能存在下面两个问题：1、 在多数点源红外光学系统中，红外辐射经过主光学系统接收后，要经过光学调制才能射到探测器上。因为焦平面上要放置调制盘，加上探测器一般有保护窗口，所以探测器一般不能放在焦平面上。探测器往后放，需要加大尺寸才能接收到全部的辐射能量，这样就会使探测器的噪声增大。2、 望远物镜接收到辐射能，在焦平面上的像点一般较小，不能均匀地照射到探测器上。当不同方向射来的辐射能形成的像点落在探测器不同位置上时，由于探测器面积上可能存在的不均匀

2、性，就可能出现虚假信号。辅助光学系统就是为用来解决上述问题而设置的。2.5.1场镜1概念：在焦平面后安放一块正薄透镜，叫场镜。2、场镜的作用：（1）、用较小的探测器接收全部的光束。探测器安放在焦平面后面，由于光束增大，探测器面积必须增大，噪声也随之增大。在焦平面后安放场镜后，边缘光线折向光轴，减小了光束面积，用较小面积的探测器就可接收全部的光束。（2）、避免探测器光敏面响应不均匀性产生假信号。如果光源不均匀，在焦平面上的照度也不均匀，如果探测器放在焦平面上，落在探测器上的照度也是不均匀的。探测器后置，添加场镜，场镜把边缘光线折向光轴，使焦平面上每一点发出的光线都充满探测器，这样在探测器上的照度

3、就均匀了。（3）、场镜能够缩小探测器尺寸，提高信噪比。（4）、校正像面。不少物镜的像面是曲面，曲面形的探测器难以制造。使用场镜，可以将曲像面校正为平面，以使用平面探测器。2.5.2浸没透镜1、概念：红外系统中常用到一种场镜是与光敏面粘合在一起的一种半球形透镜。透镜的平表面用胶和探测器光学接触，能防止全反射。这种透镜就称为浸没透镜。浸没透镜可以在保持视场不变的情况下，缩短系统焦距，从而增大系统的数值孔径，增加探测器上的照度，提高信噪比。2、 浸没透镜示意图与参数浸没透镜前的介质折射率为，浸没透镜的折射率为，透镜厚度为，半径为。轴上点发出的光线，折射前的顶物距，折射后的顶像距。单个折射球面是有像差

4、的，但存在某些共轭点没有像差，对任意光束能成完善像。通常有以下两种基于共轭点的浸没透镜：3、半球浸没透镜（1）、概念：当物和像都在折射面曲率中心，即，这种浸没透镜叫半球浸没透镜。（2）、特性：垂轴放大率：，当浸没透镜前的介质为空气时，则，也就是说半球浸没透镜可使像（或探测器尺寸）缩小倍，面积缩小倍，信噪比由此提高倍。例如Ge半球浸没透镜，可是探测器尺寸缩小4倍，面积缩小16倍，信噪比由此提高4倍。4、超半球浸没透镜（1）、概念：探测器放在比浸没透镜的球心更远的地方，这样的透镜叫超半球浸没透镜。物、像距满足，的浸没透镜叫标准超半球浸没透镜。（2）、特性：垂轴放大率：，当浸没透镜前的介质为空气时，

5、则，也就是说半球浸没透镜可使像（或探测器尺寸）缩小倍，面积缩小倍，信噪比由此提高倍。2.5.3光锥1、概念：光锥为一圆锥形（或角锥形）空腔（或实体），且具有等高反射率的壁，它在接收端收集光，光经多次反射到达另一端，该处常放着探测器。光锥和场镜、浸没透镜一样能缩小探测器尺寸，增加系统灵敏度，是一个聚能元件。2、分类：空心光锥和实心光锥3、实际应用探测器光学系统在实际应用中，往往把场镜和光锥组合使用。当尺寸不大时，还把它们一起封装在探测器内。光锥还很好的起到了冷屏的作用，由此大大降低了背景噪声，提高了信噪比。2.6 光机扫描系统红外探测器所对应的红外光学系统的瞬时视场往往很小，一般只有零点几个毫弧

6、度或几个毫弧度。为了使一个几十度乘几十度的物体能成像，可以采用两种方法来扩大视场：（1）、在物镜焦平面上使用焦平面阵列器件。（2）、用单元探测器对物面做二维扫描。这种扫描往往是用机械传动光学扫描部件来完成，所以叫做光学机械扫描，简称光机扫描。光机扫描有两种方式：物面扫描和像面扫描。物面扫描：也称平行光束扫描，设计小视场的望远物镜系统，然后让物镜对整个总视场以瞬时视场为单位进行扫描取样。其优点是光学系统视场小，容易设计制造高像质的物镜；缺点是实现扫描的机械装置复杂笨重。像面扫描：又称会聚光束扫描，就是设计一个大视场高像质的物镜，把总视场内的景物成像在像面上，然后用光机扫描方法或移动探测器的方法让

7、探测器在像面上逐点采样。其优点是扫描部分简单轻巧；缺点是大视场高像质的物镜不好设计制造。常用的光机扫描部件有一下几种：摆动平面反射镜、旋转多面反射镜、旋转折射棱镜、旋转折射光楔。2.6.1摆动平面反射镜单就平面反射镜来说，如果出射光线保持不变，当镜面转过角时，相应的入射光线转角。一、平行光束扫描器（物扫描及伪物扫描）平面反射镜用作平行光束扫描是无像差的。1、平面反射镜作为物扫描时，其入射光线即是物方光线，镜面转角与物方入射光线的偏转角的关系是2、当平面反射镜用作伪物扫时，镜面的入射光束就是望远镜的出射光束，若望远镜的角放大率为，则3、扫描效率：为观察视场完成一次扫描所需的时间与扫描机构实际扫描

8、一周所需的时间之比。镜面摆动的角度应该根据所要求的视场角来设计，使空程尽可能小。摆动平面镜通常只在正程使用，回程不用，所以平面反射镜的扫描效率一般小于50%，由于往复运动的惯性，存在过扫描，实际的扫描效率还要低。有的系统将回程扫描速度加快以提高扫描效率，有的系统中将回程也用作扫描，但这需要在视频信号处理或显示方法上采取相应的措施，使正程与回程的图像协调一致。摆动平面镜是作周期性往复运动，因为扫描机构有一定的惯性，所以扫描速度不能太大。二、会聚光束扫描摆动平面镜常在会聚光束中作扫描器用。1、物方转角与镜面转角的关系式为当很小时，近似为从上图可见，在镜面的基准位置时，从透镜中心到探测器的光程为，当

9、镜面摆动到时，主光线向轴外偏移，相应光程为。显然，表面平面反射镜用于会聚光束扫描时造成了光程差，将引起散焦。2、对扫描效率的分析与平行光束扫描器的情况相同。三、星载或机载的多光谱扫描仪中的绕水平轴旋转的平面反射镜。2.6.2旋转多面反射镜（镜鼓）1、概念：由个矩形平面镜组成的棱柱，可绕轴作连续转动。镜面宽度为，每面对轴心的张角为，外接圆半径为。显然，2、镜面平移镜鼓在转动过程中，镜面会发生法向平移。若用于会聚光束中，这会使焦点位置随旋转角变化，引起严重的散焦，因此镜鼓主要用于平行光束扫描。3、扫描效率有效转角：物方光线的偏转角等于视场角时，所需扫描部件转过的角度。式中，为视场角，为镜鼓完成一周

10、扫描转过的角度。上面的式子表明，要提高扫描效率，应减小，也就是增加面数，但因镜面宽度受入射光束的限制，减小就绪要增大，所以扫描效率与入射光束宽度及镜鼓尺寸相互制约。4、渐晕由于镜鼓在转动时，镜面位置要发生切向位移，因此在转动过程中，入射光束的边缘光线可能射不到同一镜面上，从而不能为系统接收，产生渐晕现象。在平行光束扫描条件下，要不发生渐晕，镜鼓的外接圆半径需满足式中时光束宽度，是镜面处于扫描中间位置时入射光束与出射光束的夹角。由上式可知，镜鼓有效转角不能太接近，否则过大，但又不能比小太多，否则扫描效率太低。2.6.3旋转折射棱镜1、概念：旋转折射棱镜为2面棱柱，绕中心轴旋转进行扫描。对于具有平

11、行界面的折射体，当平行光束入射时，出射光束仍是平行光束且放行与入射光束相同。因此，旋转折射棱镜只用于会聚光束扫描。2、当棱镜置入系统后，由于棱镜的折射将使焦点发生纵向（沿光轴方向）位移。当棱镜旋转后，焦点相对于还要发生横向和纵向移动。横向移动实现扫描；焦点的纵向位移随棱镜转角变化，引起散焦；由于折射率与波长有关，会有色差。3、扫描效率折射棱镜的扫描效率与反射镜鼓的表达式一致：4、优点：用于会聚光束，尺寸可做的很小，能够高速、平稳地转动，宜用于高帧速成像系统。缺点：引入像差；扫描效率一般不高；透射系数一般比反射系数低，能量损耗相对较大。2.6.4旋转折射光楔1、概念：一束光垂直入射到一个光楔表面，出射光对入射光的偏角在出射光与入射光对称的情况下可表示为式中为折射率，当较小时，近似为当光楔垂直于它的对称面的轴旋转时，出射光将扫过一个圆锥。2、双光楔两个光楔