红外光学系统

光学系统1概述作用：确实是接收辐射能量，并把它传送给探测器。特点：多采纳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。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。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。采纳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，常采纳扫描器。波长的特殊性使得系统的重量重、本钱高经常使用红外波段的波长约为可见光的5〜20倍，要取得高分辨率的系统，必需有大的孔径。设计光学系统时应遵循的原那么：光学系统与目标、大气窗口、探测器之间的光谱匹配。接收口径、相对孔径尽可能大，以保证系统有高的灵敏度。系统应付噪声有较强的抑制能力。系统的形式和组成应有利于发挥探测器的效能。系统和组成元件力求简单，减少能量损失。依照不同要求，选择适合的元件组成所需的系统。2光学系统的要紧参数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，，那个像的边缘对物点F所作的张角，确实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/数一、焦距F，点为像方核心，F点为物方核心；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；象方主点与像方核心之间的距离称为后焦距f，一样称焦距。2、相对孔径入瞳直径D0与焦距/之比，即D0/。

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，必需增加相对孔径。3、F/数•相对孔径的倒数fD0，读为F数(也确实是相机的光圈数)。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。像面上的辐照度为兀E，=—Lt0(D0/f)24、F/数与数值孔径光学系统在空气中利历时4、F/数与数值孔径光学系统在空气中利历时数值孔径NA与F/数的关系为F=fD2NA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。气宇视场的立体角称为视场角，适应上经常使用平面角表示。大多数红外系统的探测器放在光学系统的焦面上，探测器本身确实是视场光阑，垂直和水平视场角可别离表达为:WV=t七，WH=t-；•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):IFOVv=a=fIFOVh=P=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，光学视场那么与具体的光机扫描方式和面阵大小有关。2.4焦深、景深•集聚到核心的光束，在核心处光束的截面积最小；在核心双侧的一个短距离内，光束的截面积近似相等，这一距离称为焦深。依照波像差理论，焦深d为:当物距转变时，只要像面位置与理想像面轴向位置的误差不超过焦深，像点的亮度可不能有明显的转变。将像的移动等于焦深的物距转变称为景深。如光照足够，能够减小光圈，即增加F数来增加景深。2.5光学增益•一束辐射能通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(假设此处有一探测器，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G=TAAd式中，T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=t(sin0'/sinp)2式中，0'为光学系统像方孔径角的半角；p为物体对入瞳中心张角的半角。由于F数变小时0'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，设计中应尽可能减小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、本钱高，会带来象差方面的其它阻碍。.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阻碍光学系统像质的要紧因素.物空间的一个物点发出的光线经实际光学系统后，再也不集聚于像空间的一点，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必然程度的象差。单色光成像会产生性质不同的五种像差：阻碍成像清楚度的球差、彗差、象散、场曲；阻碍物象相似程度的畸变。不同色光通过光学系统时，成像不同称为色差：位置色差（纵向色差）和倍率色差（横向色差）。.系统通光口径确信后衍射是无法操纵的。即便无任何像差，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，口径能够做得较大。缺点：如视场小、体积大、本钱高、中心有遮拦等。硫化锌、硒化锌、硅、错等高折射率、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。球面反射镜是一种有效的红外物镜，在小孔径时能取得优良的图像。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，一般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排除象差的目的。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核心处。抛物面反射镜对无穷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。几种常见的利用抛物面反射镜

特点:所有平行于光轴入射的光线均会相交于核心处。抛物面反射镜对无穷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。几种常见的利用抛物面反射镜a）的光阑位于焦面上，球差和像差均为零，像质较好，但探测器必需放在入射光束中，要档掉一部份中心光束。b）为离轴抛物面反射镜，核心在入射光束之外，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。可容易把核心引出入射光束外，并用一目镜在垂直光轴的方向观看，不阻碍入射光束。但入射光束的中心部份会被次镜档掉。d）为离轴抛物面牛顿系统，经常使用于平行光管。离轴是为了幸免光源遮掉平行光束中的中心部份。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，就取得双曲面。双曲面即能够利用凸面，也可利用凹面。.特点：由一个（几何）核心发出的光线，将严格地集聚于另一个核心，且没有像差。在红外光学系统中，常常利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，取一部份，即取得旋转椭球面。一样利用内表面。.椭球面反射镜：将椭圆绕其长轴旋转一周，取一部份，即取得旋转椭球面。一样利用内表面。扁球面反射镜：将椭圆绕其短轴旋转一周，取一部份，即取得旋转扁球面。扁球面反射镜一样利用凸面。.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利用，与其他反射镜组合的双反射镜系统中利用。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，将核心引导入射光束的外侧或引到主镜之外，这确实是双反射系统。入射光线第一碰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）牛顿系统旋转抛物面做主反射镜，次反射镜是平面镜，位于主镜的核心周围，且与光轴成45诵。主镜是抛物面镜，对无穷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。经常使用在像质要求较高的小视场的红外系统。量大。经常使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。双曲面的一个核心与抛物面主镜的核心重合。通过双曲面反射的光线必通过其另一核心（双曲面反射镜的特点），且没有象差，此核心确实是整个双反射系统的核心。特点：轴外点象差较小、镜筒短、焦距长；系统核心位于主反射镜后面，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普遍应用。3）格里高利系统•组成：由抛物面主镜、凹椭球面次镜组成。主反射镜的核心与椭球面反射镜的一个核心重合，系统的核心确实是椭圆面反射镜的另一个核心。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形下，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，核心能够在主镜后面这几个优势，使卡氏系统在红外装置中取得普遍的应用。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，因为在瞬时视场内不必区分正像、倒像。双反射镜系统次镜把中间一部份光档掉，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•一一4…一一a双反射镜系统中心光束被次镜遮挡的程度，可用遮挡系数a表示：D—2D1式中，d、D2为主镜和次镜的直径。遮挡后，有效通光面的有效直径为■D、D=D11—(—)2=DJ1-a2'“1遮挡后，系统的有效F数为广e—"1—a2式中，fe为系统有效焦距。当系统没有遮拦时，D2为0，F数确实是一样的概念了。6）排除杂散光利用双反射镜系统应当注意一点：必需避免杂散光直接射到探测器上。为此能够加杂散光挡板:4.2折一反系统为了取得较好的像质，反射式系统可用非球面镜。但非球面镜不易加工、本钱高、查验难。于是，在主镜和次镜仍采纳球面镜的系统中，加入附加的补偿透镜，校正球面反射镜的像差。显现了折一反式物镜系统，简称折反系统。红外系统，专门是红外导引头光学系统普遍应用此类系统。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。

特点：校正板确实是孔径光阑，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专门好。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。特点：系统的光阑确实是它本身，球差是通过加入一个与反射镜相接的负透镜来校正的。负透镜会带来色差。曼金折反系统的球差和慧差比球面反射镜小，但色差较大。常把曼金折反系统做成胶合消色透镜。曼金折反射镜都是球面镜，造价低，加工、安装容易。如图示带有曼金次镜的卡氏系统。曼金折反系统与球面主镜一路来排除剩余球差。三、包沃斯一马克苏托夫系统组成：把曼金折反射镜的球面反射镜和负透镜分开，就构成大体的包沃斯一马克苏托夫系统。它利用两个自由度（形状和位置），能够使成像质量比曼金镜有专门大的提高。

特点：三个面的曲率中心都取同一点O,并在此处放置孔径光阑。系统没有慧差、像差和畸变。校正透镜与斯密特校正板一样，要紧用来校正球面反射镜的球差，但引进一些残余色差。普遍采纳。除性能优良，设计容易外，因为它完全由球面组长，加工方便，本钱低。校正板凸面朝向入射光线的包沃斯一马克苏托夫装置，往往用于红外导弹制导系统。由校正透镜组成的整流罩既是系统的窗，本身又是校正板。系统变形：为校正剩余球差，在系总一起球心处放置一块斯密特校正板:响於拉延速焦半世登漩度射秘包沃斯一马克托夫一卡塞格林系统：包沃斯一马克苏托夫系统像质好，但核心在球面反射镜和校正镜之间，接收器必然造成中心挡光，利用不便。包一马一卡系统把校正透镜的中心部份镀上反射膜作次镜用，将核心引出主反射镜之外。用校正透镜的凸面作反射次镜、或用凹面作反射次镜，都是曼金系统:导弹或机载红外用的包一马一卡系统的大体形式：a用曼金主镜和正的小校正透镜来改善像质；b依托小校正透镜改善像质；c用曼金次镜和整流罩一路来减小球差。

这种系统的色差往往比较严峻，要求各透镜做得薄一些，且采纳色散系数较小的材料。设认较难。这种系统的色差往往比较严峻，要求各透镜做得薄一些，且采纳色散系数较小的材料。设认较难。反射式物镜和折一反射式物镜尽管在红外系统普遍应用，但往往不能知足大视场、大孔径成像的要求。另外，双反射、折一反射系统体积大、加工难、本钱高、中间挡光等缺点不能令人中意。有时不能不利用折射式物镜。设计折射式物镜时，光学材料的选择是超级重要的，因为透镜的球差、色差等像差与折射率、色散系数有关。另外还要考虑利用波段内的材料的透过率。5辅助光学系统名称:也称探测器光学系统、或二次聚焦系统。分类:场镜、浸没透镜、光锥。名称:也称探测器光学系统、或二次聚焦系统。分类:场镜、浸没透镜、光锥。作用:提高光学系统的聚焦能力、增大系统的光学增益，提高信噪比。作用:当光学系统的焦距、通光孔径和半视场角确信后，红外探测器的尺寸也就确信了：红外先馨素螭部硼薄醇F=-^-2wDdd/Ddw===2f'2f/D2FD'F=-^-2wD依照数值孔径与相对孔径之间的关系，F数的取值范围为:NA=sinu、==——<1nF>—2f'2F2在实际应用中，F数为1/2的系统像差超级大很少采纳。实际应用中F数为:在实际应用中，F数为1/2的系统像差超级大很少采纳。实际应用中F数为:实际应用中探测器尺寸的设计原那么为:当物体在无穷远处时，d>W'。当光学系统的°、f'、D比较大时，探测器的尺寸也就比较大，噪声也相应的增大（噪声与探测单元的线性尺寸成正比），系统的信噪比降低。场镜，浸没透镜和光锥的设计确实是为了在维持°、f'、D不变的情形下，尽可能缩小探测器的尺寸，这些光学元件放在物镜以后焦面周围，与探测器相连，故称之为探测器光学系统。1、概念：在焦平面后安放一块正薄透镜，叫场镜。二、作用:减小探测器尺寸、增加系统信噪比在点源红外光学系统中，探测器通常不能放在焦平面上，向后放。需要加大探测器的尺寸才能接收到全数的辐射能量，使探测器的噪声增大。在焦平面后安放场镜后，边缘光线折向光轴，减小光束面积，用较小面积可接收全数光束，提高了系统的信噪比。.幸免探测器光敏面响应不均匀性产生假信号探测器后置，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，在探测器上均匀照度。校正像面利用处镜，可将曲像面校正为平面，可利用平面探测器。

增强系统的光学增益加场镜后，探测器尺寸变小，但视场维持不变，整个光学系统的有效焦距f.（f：=土）缩短，系统的F数减小、相对孔径增加、聚光能力增强，系统的光学增益增大。减小目镜的通光口径一般光学系统中，如望远镜的物镜和目镜组合时，利用处镜，场镜置于物镜的象平