红外光学系统

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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

2、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：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

3、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AB，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AB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

4、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D与焦距f之比，即Df。00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fD，读为F数（也就是相机的光圈数）。0F／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2EL(D/f)0044、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f1FD2NA

5、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，探测器本身就是视场光阑，垂直和水平视场角可分别表达为：1l1dWtg，WtgVH2f2f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

6、阵或面阵探测器所对应的视场称为光学视场(FOV)：abIFOVIFOVVHf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：2d4F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

7、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A）上d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A）的辐射能强度c之比称为光学增益。点源系统光学增益AcGAd式中，为光学系统的透过率；A为光学系统的入射光瞳面积；cA探测器光敏面面积。d扩展源系统光学增益2G(sin'/sin)式中，'为光学系统像方孔径角的半角；为物体对入瞳中心张角

8、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