红外光学系统

《红外光学系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外光学系统（18页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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520倍，要得到高分辨率的系统，必须有大的孔径

2、。 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

3、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D0与焦距f之比，即D0 f。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fDo，读为F

4、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。像面上的辐照度为兀E= Lt (D / f )24004、F/数与数值孔径 光学系统在空气中使用时，数值孔径N 与f/数的关系为F - f -丄D 2 NA 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

5、视场光阑，垂直和水平视场角可分别表达为：=tg jd2f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IFOV阵探测器所对应的视场称为光学视场（FOV）:IFOV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:d = 4 九 F 2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，

6、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（面积为令）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 Ac ）的辐射能强度之比称为光学增益。c点源系统光学增益式中，T为光学系统的透过率；A为光学系统的入射光瞳面积；Ad探测器光敏面面积。cd扩展源系统光学增益G =t(sin0/sin P)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

7、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

8、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

9、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何a）的光阑位于焦面上，球

10、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

11、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

12、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

13、、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

14、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a表示：式中，D 1、D 2为主镜和次镜的直径。遮挡后，有效通光面的有效直径为丨 DD = D 1 - ( )2 = D V1 -a 2e 1 D1f 1遮挡后，系统的有效F数为F = fe 一匚e D D 1 -a 2e 1式中，广e为系统有效焦距。当系统没有遮拦时，D2为0, F数就是一般的定义了。6) 消

15、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折一反系统为了得到较好的像质，反射式系统可用非球面镜。但非球面镜不易加工、成本高、检验难。于是，在主镜和次镜仍 采用球面镜的系统中，加入附加的补偿透镜，校正球面反射镜的像差。出现了折一反式物镜系统，简称折反系统。红外系统，特别是红外导引头光学系统广泛应用此类系统。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：校正板就是孔径光阑，安装在曲率中心。系统没有慧差

16、、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很好。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：系统的光阑就是它本身，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起来消除剩余球差。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，就构成基本的包沃斯一马克苏托夫

17、系统。它利用两个 自由度（形状和位置），可以使成像质量比曼金镜有很大的提高。特点：三个面的曲率中心都取同一点0,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，主要用来校正球面反射镜的球差，但引进一些残余色差。普遍采用。除性能优良，设计容易外，因为它完全由球面组长，加工方便，成本低。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。由校正透镜构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，在系统共同球心处放置一块斯密特校正板: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，但焦点在球面反射镜和校正镜之间

18、, 接收器必然造成中心挡光，使用不便。包一马一卡系统把校正透镜的中心部分镀上反射膜作次镜用，将焦点引出主反射镜之外。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基本形式：a用曼金主镜和正的小校正透镜来改善像质；b依靠小校 正透镜改善像质；c用曼金次镜和整流罩一起来减小球差。.!?这类系统的色差往往比较严重，要求各透镜做得薄一些，且釆用色散系数较小的材料。设认较难。4.3折射式物镜反射式物镜和折一反射式物镜虽然在红外系统广泛应用，但往往不能满足大视场、大孔径成像的要求。此外，双反 射、折一反射系统体积大、加工难、成本高、中间挡光等缺点不能令人满

19、意。有时不得不使用折射式物镜。设计折射式物镜时，光学材料的选择是非常重要的，因为透镜的球差、色差等像差与折射率、色散系数有关。此外 还要考虑使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。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。当光学系统的焦距、通光孔径和半视场角确定后，红外探测器的尺寸也就确定了:d2w D址外光学累统等械薄甜dd / Ddw =2 f2 f/D 2 FD根据数值孔径与相对孔径之间的关系，F数的取值范围为:NA = sin u =-D 二丄 -2 f2 F2在实际应用中，F数为1 /2的系统像

20、差非常大，很少采用。实际应用中F数为:F 丄n实际应用中探测器尺寸的设计原则为:当物体在无限远处时，d 2卩广。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就是为了在保持、f、D不变的情况下，尽量缩小探测器 的尺寸，这些光学元件放在物镜之后焦面附近，与探测器相连，故称之为探测器光学系统。5.1场镜2、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部的辐射能 量，使探测器的噪声增大。在焦平面后安放场镜后，边缘光线

21、折向光轴，减小光束面积，用较小面积可接收全部光束， 提高了系统的信噪比。避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。校正像面使用场镜，可将曲像面校正为平面，可使用平面探测器。增强系统的光学增益 d加场镜后，探测器尺寸变小，但视场保持不变，整个光学系统的有效焦距f ( f =)缩短，系统的F数减小、2o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普通光学系统中，如望远镜的物镜和目镜组合时，使用场镜，场镜置于物镜的象平面上，可减小目镜的通光口径。5.2浸没透镜1、概念：在红外

22、探测器光学系统中，把探测器和透镜后表面用浸没介质浸没起来，以缩小探测器尺寸，提高接收 灵敏度。如显微镜中的油浸透镜等称为浸没透镜。2、作用：可以在保持视场不变的情况下，缩短系统焦距，增大系统的数值孔径，增加探测器上的照度，提高信噪 比。单个折射球面是有像差的。通常有以下两种浸没透镜，可满足任意宽光束成完善象。3、半球浸没透镜 概念：当物和像都在折射面曲率中心，这种浸没透镜叫半球浸没透镜。特性：垂轴放大率：0 = n / n，当镜前的介质为空气时，n = 1，则0 = 1/n，半球浸没透镜可使像(或探测器尺寸)缩小到1/n，面积缩小n2倍，信噪比提高卅倍。光学系统的焦距缩小到原来的1/n，数值孔

23、径增加，系统的聚光能力增强。例如Ge半球浸没透镜，卅=4，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、超半球浸没透镜概念：探测器放在比浸没透镜的球心更远的地方，透镜的厚度d r，这样的透镜叫超半球浸没透镜。特性：垂轴放大率：0二n2/ n2，当浸没透镜前的介质为空气时，n = 1，则0二1/n2，也就是说半球浸没透镜可使像（或探测器尺寸）缩小n2倍，面积缩小n4倍，信噪比由此提高n2倍。5.3光锥1、概念：光锥为一锥形空腔（或实体），具有高反射率的壁，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。光锥还很好地起到了冷 屏的作用，大大降低背景噪声，提高信噪比。