《红外系统》课件第2章 红外光学系统

2.1红外光学系统的功能和特点2.2光学系统的主要参数2.3常用红外光学系统2.4辅助光学系统2.1红外光学系统的功能和特点2.1.1红外光学系统的功能红外光学系统的功能如下:(1)收集并接收目标发出的红外辐射能量。(2)确定辐射目标的方位。(3)完成大视场内的目标搜寻。2.1.2红外光学系统的特点红外辐射的特有属性，使红外光学系统具有下列与普通光学系统不同的特点。(1)光学系统大多采用反射式系统。(2)光学系统的接收器是红外探测器。(3)光学系统的相对孔径大。2.1.3红外光学系统的设计原则根据红外光学系统的特点，在设计系统时应遵循以下原则。1.光谱匹配2.高系统灵敏度3.杂光和噪声抑制4.大视场2.2光学系统的主要参数2.2.1光阑组成光学系统的透镜、反射镜都有一定的孔径，它们必然会限制可用来成像光束的截面或范围，有些光学系统中还特别附加一定形状的开孔的屏，这些统称为光阑，在光学系统中起拦光的作用。实际光学系统中可能有许多光阑，按其作用可分为孔径光阑和视场光阑两类。1.孔径光阑1)孔径光阑的定义及作用限制轴上物点成像光束宽度，并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑称为孔径光阑。孔径光阑的作用如下:(1)孔径光阑的大小和位置限制了轴上物点孔径角的大小。(2)孔径光阑的位置对轴外物点成像光束具有选择性。2)入瞳和出瞳孔径光阑经前面的光学系统在物空间所成的像称为入瞳。入瞳决定了物方最大孔径角的大小。孔径光阑经后面的光学系统在像空间所成的像称为出瞳。出瞳决定了像方孔径角的大小，且是出射光的出口。2.视场光阑限制物体成像范围的光阑称为视场光阑。在光学系统中，视场光阑可以是其中某个光学零件的镜框，也可以是专门设置的光阑。视场光阑的形状多为正方形、长方形。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。2.2.2焦距焦距是光学系统的重要参数，它决定了系统的轴向长度及目标像的大小，它与视场一起确定了像面的大小。2.2.3相对孔径和F/数相对孔径定义为入瞳直径Do与焦距f'之比，即Do/f'。相对孔径对像面照度有很大影响，下面讨论像面照度与相对孔径的关系。设物与像的关系如图26所示，目标的面积为A，目标到光学系统的距离为l，像的面积为A'。若目标的辐射亮度为L，则其辐射强度为目标在光学系统入瞳上的辐射功率P为式中，π(Do/2)2为入瞳面积。考虑到光学系统的透过率τo，则像面上的辐射功率P为由光学系统成像关系将其代入式(23)可得所以像面上的辐照度为从式(26)可知，像面上的辐照度与光学系统的相对孔径Do/f'的平方成正比。要增加像面的辐照度，必须增加相对孔径Do/f'。相对孔径的倒数f'/Do为F/数，记为F#。像面上的照度与F/数的平方成反比，因此，相对孔径或F/数是衡量光学系统聚光能力的一个参数。为使红外导引头有较大的作用距离，一般要求F/数尽可能小。理论极限为0.5，但很难达到，合理的值约为1。2.2.4视场和视场角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，其单位为球面度(sr)，但习惯上常用平面角表示。通常红外系统的作用目标都在无限远处，因此可将红外系统的物镜等价成一个薄透镜。在红外系统中，视场角一般取决于探测器的大小，因为一般总是把探测器放在光学系统的焦平面上，以保证尺寸最小，此时探测器本身就是视场光阑。如图27(a)所示，假设探测器尺寸很小，直径为d，而光学系统的焦距为f'，则视场立体角ω为如果探测器不是圆形，而是长方形，假设长和宽分别为a和b，则水平视场角WH和垂直视场角WV可分别表示为当多个探测元组成线阵或面阵探测器时,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)。由图27(b)可知若水平方向有m个探测器,而垂直方向有n个探测器,则FOV和IFOV的关系可分别表示为视场是红外系统的一个重要参数,视场角大,有利于红外系统捕获目标。但是,正如式(27)所示的简单关系,视场角大,将要求探测器的面积大。由于红外探测器的噪声与探测器的线尺寸成正比,因而增大视场角将导致噪声的增加而使信噪比降低。为了不增加系统的噪声又能扩大红外系统的捕获范围,可采用小的瞬时视场与扫描相结合的方法。2.2.5光学增益一束辐射能经过光学系统聚集后落到探测器上的辐射能,与未经光学系统时直接落在它的入瞳处的辐射能之比称为光学增益。假设探测器的面积为Ad,入瞳面积为Ac,则对于点源系统,其光学增益为由式(211)可见,随着探测器光敏面积的减小,光学增益将增大。对于扩展源系统,其光学增益为2.2.6最小弥散圆斑和衍射斑对光学系统像质的影响,除了几何像差因素外,还有衍射效应。几何像差取决于光学零件表面的几何形状和材料的色散,它是可以通过光学设计进行控制的;而衍射是由光的波动性所产生的,无法消除。对于一般大像差的光学系统,通常是从几何光学角度考虑光线在最佳像面上聚焦时的最小弥散圆斑直径,从而估计各种像差的大小,并不考虑衍射效应。对于工作在红外波段的一些红外光学系统,往往要考虑衍射的影响。所以,应综合考虑衍射和几何像差两种因素,从而评价红外光学系统的像质。由光的衍射理论可知,无穷远的点光源,经具有圆形孔径光阑的光学系统成像,其像为明暗交替的圆形衍射图案,中心圆斑最亮,约占总照度的84%。这个中心圆斑称为艾里斑,有时亦称衍射斑。对于波长为λ的入射光,当光学系统的入瞳直径为Do时,艾里斑直径对像方主点的张角为艾里斑的线直径δl可用张角δθ与光学系统的焦距f'相乘求得,即由式(214)可见,波长λ越长,F/数越大,衍射越严重。一般而言,红外光学系统采用探测器或调制器作接收器,而光学系统的瞬时视场又很小,且探测器或调制盘又都靠近光轴,因此起主要作用的像差是球差、慧差和位置色差,所以,只要光学系统的各种像差综合后的最小弥散圆斑直径与探测器的尺寸或调制器的图案格子大小相匹配即可。2.2.7焦深和景深红外光学系统校正像差后,在实际使用中,除在高斯像面上可获得清晰的像面外,在高斯像面左右移动某一小量Δl0'时,也能得到比较清晰的像,这段距离称为焦深。用物理焦深进行计算,可得焦深2Δl0'的表示式:对应于焦深范围内的目标,在物空间移动某一距离x时,只要像面的移动距离x'不超过Δl0',仍可以得到清晰的像。这一物空间深度称为景深。假定光学系统对无限远目标聚焦,像成在焦深2Δl0'的中心,并且物像在同一介质中,利用牛顿物像关系式xx'=ff'=(f')2,令x'=Δl0',代入式(215),可得景深x的表示式:2.3常用红外光学系统2.3.1反射式物镜1.球面反射镜球面反射镜是最简单的反射式物镜,它的像质接近单透镜,但没有色差。如图29所示。2.抛物面反射镜绕x轴旋转x=y2/(2r0)抛物线,就产生抛物面,如图210所示。图211是两种常用的抛物面反射镜的结构。图211(a)的抛物面的光阑位于焦面上,球差和像散均为零,像质较好,但探测器必须放在入射光束中,要挡掉一部分中心光束,使用起来不方便。图211(b)为离轴抛物面反射镜,焦点在入射光束以外,可从入射光束中取出图像,但光学装校比较困难,非对称的抛物面加工也比较困难。3.双曲面反射镜将双曲线的一支绕其对称轴x旋转一周,所得到的旋转曲面称为双曲面,取其一部分制成反射镜,即为双曲面反射镜,如图212所示。4.椭球面反射镜和扁球面反射镜将椭圆绕其长轴旋转一周,所得之旋转曲面称为椭球面,如图213所示。如果将椭圆绕其短轴旋转一周,取一部分,即得旋转扁球面,如图214所示。扁球面反射镜一般利用凸面。它没有共轭的几何焦点,光学焦点也是它本身的顶点曲率半径的一半。扁球面反射镜很少单独使用,有时可与球面反射镜配合作次镜使用。5.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,将焦点引到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)牛顿系统牛顿系统是由抛物面主镜与平面次镜组成的,如图215(a)所示。2)卡塞格林系统卡塞格林系统(简称卡氏系统)的主镜是抛物面反射镜,次镜是凸双曲面反射镜,如图216所示。3)格里高利系统典型的格里高利系统(简称格氏系统)是由一个抛物面镜和一个凹椭球面次镜组成的,如图217所示。4)三种系统的比较如图218所示,上述三种双反射镜系统比较而言,其特点总结如下:牛顿系统与卡氏系统、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。卡氏系统和格氏系统多了一个非球面次镜,系统成折叠式,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,在相同的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了广泛应用。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。5)中心遮挡双反射镜系统的次镜把中间一部分光挡掉,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。为了描述双反射镜系统中心光束被次镜遮挡的程度,特引入遮挡系数αD:遮挡后,有效通光面的有效直径为遮挡后,系统的有效Fe/数为2.3.2折反射系统为了得到较好的像质,反射式系统可以采用非球面镜。但由于非球面镜不易加工,成本高,检验也麻烦,所以人们在主镜和次镜仍采用球面镜的系统中加入了一些附加的补偿透镜来校正球面反射镜的像差,于是就出现了折射反射式物镜系统,简称折反射系统。有不少红外系统采用这种设计,尤其在红外导引头光学系统中应用更多。加入补偿透镜虽然能校正球面反射镜的某些像差,但却带来色差,因此补偿透镜本身应当消色差,或做得很薄,以使色差尽可能地小。当然,在折反射系统中亦可以采用抛物镜等非球面反射镜。下面介绍几类主要的折反射系统。1.施密特折反射系统施密特折反射系统由一块球面反射镜和一块位于球面镜曲率中心的非球面校正板构成。校正板的表面做成适合于补偿反射镜球差的形状,如图219所示。2.曼金折反射系统曼金折反射系统是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的。实际上,弯月形透镜的第二球面镀反射膜构成球面反射镜,如图220所示。3.包沃斯马克苏托夫折反射系统在曼金折反射系统的基础上,人们又提出了由球面主镜和负弯月形厚透镜组成的折反射系统,即包沃斯马克苏托夫折反射系统,如图221所示。为了校正剩余球差,可在系统的共同球心处放一块施密特校正板,如图222所示,也称包沃斯施密特折反射系统。包沃斯马克苏托夫折反射系统像质虽然很好,但由于焦点在球面反射镜和校正透镜之间,探测器必然造成中心挡光,并且使用起来不方便,为此人们又进一步发展了包沃斯马克苏托夫卡塞格林折反射系统。这种系统把校正透镜的中心部分镀上银或铝等反射膜用作次镜,从而将焦点移出主反射镜之外,如图223所示。图224为导引头所用的包沃斯马克苏托夫卡塞格林折反射系统的基本形式。2.3.3折射式系统反射式红外光学系统虽然在红外系统中得到了广泛应用,但是不能满足大视场、大孔径的成像要求,而且系统本身体积大、成本高。近年来,随着透红外光学材料的增多,已使用熔石英、硫化锌、硒化锌、硅、锗等材料制作折射式红外光学系统,其特点正好弥补了反射式光学系统的不足,在要求像质不高的红外系统中得到了广泛应用。在红外光学系统中常采用的折射式物镜主要有单片透镜和多片(组合)透镜等,使用时可针对红外系统对透镜的要求,依据目前可用的透镜红外材料,进行消像差设计。2.4辅助光学系统2.4.1场镜场镜是一种二次聚焦光学元件,它通常位于光学系统的焦平面或焦平面附近,这种光学元件对改善红外系统的性能有较大的作用,主要作用体现在以下几个方面。(1)场镜可以扩大光学系统的视场。(2)系统中加入场镜可使会聚到探测器上的辐照度比较均匀。(3)系统中加入场镜后能够缩小探测器的尺寸,提高信噪比,增加系统的灵敏度。(4)在像面附近增加一个平像场镜,可使原来的曲面像平面化,从而可以使用平面探测器。(5)如果红外光学系统是由两个分系统组成的,把场镜放在前系统的像平面上,就可减小后系统的通光口径。2.4.2光锥光锥又称圆锥形聚光镜,其结构为一圆锥形空腔(或实心),且具有高反射率的内壁。它的大端一般放在主光学系统焦平面附近,收集物镜出瞳的光辐射,然后借助内壁的连续反射把光线引导到小端。在光锥的小端处放置探测器。显然,光锥在光路中是一种非成像光学元件,它与场镜、浸没透镜一样是一种聚光元件,能缩小探测器的尺寸,增加系统的灵敏度。根据使用要求,光锥可以制成空心或实心型,外表的形状可分为圆锥形、二次曲面形或角锥形等。光锥的工作原理可用图228所示的实心光锥进行说明。2.4.3浸没透镜浸没透镜同场镜、光锥一样,也是二次聚光元件。它们与红外探测器有密切的关系,因此亦称为探测器光学系统。浸没透镜通常是由球面和平面围成的球冠体,在红外系统中由高折射率红外材料(如Ge、Si等)做成。探测器光敏面采用光胶或光学树脂胶粘接在透镜的平面上,使像面浸没在折射率较高的介质中,如图231所示。它和可见光显微物镜与观察物体一起浸没在液体介质中相类似。浸没透镜成像过程中,由于像面并没有离开浸没透镜,因此可以看成是光线经单个球面折射成像,如图232所示。2.4.4整流罩和窗口整流罩又称头罩,位于红外装置的最前部,可以看成是光学系统的一部分。它有三种主要功能:第一是保护红外装置的光学系统免受大气、灰尘、水分等的影响;第二可以校正光学系统的像差;第三可提供良好的空气动力学特性,对于在空气流中高速飞行的红外装置,必须装有整流罩。由于整流罩安装在飞机、导弹、飞船等高速飞行体的光学系统的最前部,飞行中与空气摩擦产生高温,因此要求整流罩的熔点、软化温度要高,并且材料的热稳定性能要好。在探测器响应的波段范围内,整流罩必须有很高的透过率,且自身辐射也应很小,以免产生假信号。整流罩在大气中飞行时,为了防止被尘土和砂石所擦伤,其硬度要高;为了防止大气中的盐溶液或腐蚀性气体的腐蚀,化学稳定性也要好;整流罩的外型尺寸,其直径从几十