红外光学系统

， ， ， ，
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
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 表示：
d 4F 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，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 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 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。 点源系统光学增益
o
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、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
， ，
，
。
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 f
D0 ，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
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。
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
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 45 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。
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：
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：
WV tg 1
l d ， WH tg 1 2f 2f
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)：
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 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 45 角。
E

4
L 0 ( D0 / f ) 2
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
F f 1 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。
o
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。
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：
探测器上。为此可以加杂散光挡板：
4.2 折－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 －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。
G Ac Ad
式中， 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
为光学系统像方孔径角的半角； 为物体对入瞳中心 张角的半角。由于 F 数变小时 ' 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
IFOVV a f IFOVH
，
b 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：
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。