一种紧凑型红外光学系统设计
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解1.简述：（1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点；答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。
而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。
（2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么？答：优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，而CCD灵敏度较CMOS高30%～50%。
电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。
运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。
CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。
（3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些？分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。
2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。
答：1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。
2.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。
3.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。
4.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。
紧凑型长焦距平行光管的设计
第３ ４卷 第 ４期
２ ０ １ ３年 ７月
应
用
光
学
ＶｏＬ ３４ ＮＯ ．４
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｏｐ ｔ ｉ ｃ ｓ
Ｊ ｕ １ ．２ ｏ １ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ２ — ２ ０ ８ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ — ０ ５ ７ ９ — ０ ４
Ｃｏ ｌ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ — ｓ ｍａ ｌ ｌ ｓ ｉ ｚ ｅ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎｇ ｆ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ
非制冷红外焦平面热成像系统硬件电路设计与实现
3、系统集成：非制冷红外焦平面热成像系统的各个组件需要高度集成以保 证系统的性能和稳定性。这需要采用先进的微电子制造技术和先进的封装技术来 实现。同时，需要开发高效的接口协议来实现组件之间的数据传输和控制。
4、能耗与散热：在非制冷红外焦平面热成像系统的设计和实现过程中，需 要考虑能耗和散热问题。高能耗可能会导致系统过热，影响性能和稳定性；而散 热不良可能会导致系统温度过高，引发故障。为了解决这些问题，可以采用低功 耗的组件和设计来降低能耗；同时，需要采用有效的散热设计和布局来确保系统 在正常工作温度范围内运行。
3、算法：为了提高非制冷红外热成像技术的图像质量和稳定性，需要采用 先进的信号处理和图像处理算法，如自适应阈值设定、中值滤波、多尺度变换等。
应用场景展望
随着技术的不断发展，非制冷红外热成像技术的应用领域也将越来越广泛。 以下是几个潜在的应用领域：
1、智能家居：非制冷红外热成像技术可用于智能家居中的安全监控、人体 检测、温度控制等领域，提高居住的舒适度和安全性。
引言
非制冷红外热成像技术是一种利用红外传感器捕捉热辐射并转换为可见图像 的技术。自20世纪初以来，随着科技的不断进步，非制冷红外热成像技术已经成 为军事、安全、医疗、科研等领域的重要工具。本次演示将详细介绍非制冷红外 热成像技术的发展历程、现状分析、关键技术探究及其应用场景展望。
发展历程
自20世纪50年代起，非制冷红外热成像技术开始进入实用阶段。早期的非制 冷红外热成像系统采用多元线阵列传感器，但由于其制造成本高、噪声大、灵敏 度低，限制了其应用范围。随着技术的发展，20世纪90年代中期，非制冷红外热 成像技术取得了突破性进展。新一代的传感器采用非晶硅等先进材料，提高了灵 敏度和稳定性，降低了成本，使得非制冷红外热成像技术得以广泛应用。
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例
Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。
其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。
热成像也叫红外成像。
红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。
红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。
由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。
1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。
因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。
下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。
由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。
对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。
在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。
而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。
在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。
硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。
在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。
但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。
2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。
光学变焦原理
光学变焦原理介绍光学变焦原理是指通过调节光学设备中的镜片或透镜，实现对被观察物体的焦距调节，从而改变视野范围和清晰度的一种技术。
光学变焦广泛应用于相机、望远镜、显微镜等光学设备中，可以使用户在不移动或更换镜头的情况下，随意调整对物体的放大程度，提高观察器具的多功能性和灵活性。
不同类型的光学变焦技术在实际应用中，存在着几种常见的光学变焦技术。
1. 倍率式光学变焦倍率式光学变焦是指通过改变光学系统中的镜片距离或者改变透镜组的构成，来实现不同倍率的变焦。
这种技术的典型代表是相机中常见的光学变焦镜头。
通过调节镜头的焦距，可以使物体从远处拍摄变为近处拍摄，实现对焦距范围的调整。
2. 适配式光学变焦适配式光学变焦是指通过调整不同倍数的镜头组合来实现变焦效果。
它的工作原理是通过将不同焦距的镜头进行组合，使得焦距逐渐增大或减小，从而实现变焦。
适配式光学变焦通常应用于望远镜等光学仪器中。
3. 液晶光学变焦液晶光学变焦是一种利用液晶材料的电光效应来实现变焦的技术。
这种技术可以通过改变液晶材料中的电场分布来调节光线的传播路径，实现对光学设备的变焦。
液晶光学变焦具有快速、高精度和可控性好等优点，可以应用于显微镜、激光器和观看3D图像等领域。
4. 壳柱式光学变焦壳柱式光学变焦是一种将多个透镜叠加在一起的变焦技术。
通过调整透镜的位置，可以改变所观察物体的焦距，从而实现变焦的效果。
这种技术常应用于显微镜和摄像机等光学设备中。
光学变焦的原理光学变焦的原理主要涉及两个关键因素：光学系统的焦距和放大倍数。
1. 光学系统的焦距：焦距是指光线通过光学系统后汇聚的位置。
通过调节镜头或透镜间的距离，可以改变焦距，实现对物体的变焦。
根据薄透镜公式可以得出：1/f = 1/v - 1/u其中，f为透镜的焦距，v为像方距离，u为物方距离。
2.放大倍数：放大倍数是指被观察物体在显示器上的放大程度。
放大倍数与观察物体的实际大小、投射距离和像方距离等因素有关。
多波段共口径红外系统光机热一体化设计
Ｓ ｈａ ｏ Ｓ ｈ ｕ ａ ｉ
（ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｆ ｉ ｎ ｅ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ脚 ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ３ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
会降低系统 的灵敏度 ， 在研制某型号红外系统 中 ， 根据技术指标对其 光学 系统 、 机械 结构 以及 热辐射 抑制进行 了详细论 述和设
计 。系统 口径 １ ０ ０ ０ ｍ ｍ， 采用可见光 、 中波红外 、 长波红外 ３个光谱波段共用 口径 的光学结构 ， 可见光波段焦距 ２ ０ ０ ０ ｍ ｍ， 目视
ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｓ ｏ ｆ ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ， ｍ ｉ ｄ － ｉ ｎ ｆ ｒ ｒｅ ａ ｄ ｎｄ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ － ｉ ｆｒ ｎ ａ ｒ ｅ ｄ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｒｅ ａ ａ ｌ ｌ ２ １ ３ ０ ０ ａ ｒ ｉ ｎ ， Ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｐ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ａ ｚ ｉ ｍ ｕ ｔ ｈ ｆ ｏ ｒ
ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｖ ｉ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ，ｍｉ ｄ － ｉ ｆｒ ｎ ａ ｒ ｅ ｄ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎ ｇ — ｉ ｆｒ ｎ ｒｅ ａ ｄ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｉ ｓ ｓ ｈ ａ ｒ ｅ ｄ． ｈｅ Ｔ ｖ ｉ ｓ ｕ ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ６ ９ ０ ｌ ｐ ／１ Ｔ Ｕ Ｔ Ｉ ． Ｔｈ ｅ
红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算
第２８卷第２期 ２００６年２月 红外技术
Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 、ｂ１．２８ ＮＯ．２ Ｆｅｂ． ２００６
红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算 白清兰，马彩文，孙东岩 （中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１００６８）
摘要：红外光学系统在用于制冷型的探测器时必须考虑出瞳与冷屏的匹配问题，采用二次成像方式进 行光瞳匹配导致光学系统结构复杂化使系统透过率降低，采用光学结构简单的不完全匹配方式会存在 轴外视场渐晕，但能有效地提高视场中心的透过率，而红外光学系统在用于点目标的跟踪测量时往往 用到的是一定范围的中心视场。在本文中，我们分析了几种不同的匹配方式并给出了用冷屏参数表示 的估算轴外渐晕的计算公式以便在像差校正之前判断渐晕的大小及采用何种匹配方式以提高光学系统 性价比。 关键词：红外光学系统；渐晕；出瞳；冷屏；匹配效率 中图分类号：０４３５，０４３４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１ ８８９１（２００６）０２—００９５ ０３
Ｔｈｅ Ｍａｔｃｈ Ｆｏｒｍ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ ａｎｄ Ｃｏｌｄ Ｓｈｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ Ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｔ ａ ＩＲ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ
ＢＡＩ Ｑｉｎｇ—ｌａｎ，ＭＡ Ｃａｉ—ｗｅｎ，ＳＵＮ Ｄｏｎｇ—ｙａｎ （ｍ＇ａｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＯｐｔｉｃｓ ａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＳｈａｎｘｉＸｉ＇ａｎ ７１００６８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｍｕｓｔ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｗｈｅｎ ａ ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ＩＲ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｍａｇｉｎｇ ｆｏｒｍ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｅ ｉｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｆ ｔｈｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｔｏｐ ｉｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｂｅｈｉｎｄ ｔｈｅ ｌｅｎｓ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｔｈｅ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｍ），ｂｕｔ ｔｈｅ ｖｉｇｎｅｔｔｅ ｉｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ，Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｍｓ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｅ ａｔ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｖｉｅｗ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｍ．Ｉｔ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｔａｒｇｅｔ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｂｙ ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖｉｇｎｅｔｔｅ ａｎｄ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｖｉｇｎｅｔｔｅ ｉｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｍ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＲ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ；ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ；ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ；ｍａｔｃｈｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
红外探测器杜瓦的小型化设计方法
文章编号:1672-8785(2020)09-0015-05红外探测器杜瓦的小型化设计方法张磊王冠付志凯(华北光电技术研究所，北京100015)摘要：杜瓦小型型红外探测器组件的发展，红外成像小型化、集成化发展的需要。
由于杜瓦为探测器组件提供光、机、电接口，其小型化设计要综合机的能力、探测性能、性能和系应用面&结合杜瓦的结构组成和工，分析了小型化设计的。
该研究对杜瓦设计的启发和用。
关键词：红外探测器；杜瓦；小型化中图分类号：TN215文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8785.2020.09.002 Compact Design Method of Infrared Detector DewarZHANG Lei，V@NG Guan，FU Zhi-kai(North China Research Institute of Electro-Optics，Beijing100015，China)Abstract:Compact Dewar is not only one of the development directions of cooled infrared detector assembly but also the need for miniaturization and integration of future infrared imaging system.Dewar provdes optical，mechanical and electrical interfaces for the detector assembly，so its compact design requires comprehensive consideration of refrigeration capacity，detection performance，vacuum performance and system application.Combined with the structure composition and working principle of Dewar，the method and influence of compact deignareanalyzed.There?earchha?abe t erin?pirationandguidanceforthedeignoftheDewar.Keywords：infrared detector；de w ar；compact0引言红外探测器技术具有被动探测、探测精度高、环境性强的特点，预警探测、、、夜视和天文观测等领域口*。