红外光学系统Word格式文档下载.docx
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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
与焦距
之比,即
。
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
,读为
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
4、F/数与数值孔径
●光学系统在空气中使用时,数值孔径
与F/数的关系为
●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:
,
●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):
●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
为:
●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
)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
)的辐射能强度之比称为光学增益。
●点源系统光学增益
式中,
为光学系统的透过率;
为光学系统的入射光瞳面积;
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
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:
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
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。
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。
●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。
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45o角。
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
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。
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
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。
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:
、
为主镜和次镜的直径。
遮挡后,有效通光面的有效直径为
遮挡后,系统的有效F数为
为系统有效焦距。
当系统没有遮拦时,
为0,F数就是一般的定义了。
6)消除杂散光
●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-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
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。
校正板就是孔径光阑,安装在曲率中心。
系统没有慧差、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
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。
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-马克苏托夫系统
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-马克苏托夫系统。
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。
三个面的曲率中心都取同一点O,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-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-马克托夫-卡塞格林系统:
包沃斯-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,接收器必然造成中心挡光,使用不便。
包-马-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-马-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,且采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-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-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。
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:
根据数值孔径与相对孔径之间的关系,F数的取值范围为:
在实际应用中,F数为1/2的系统像差非常大,很少采用。
实际应用中F数为:
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,
当光学系统的
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
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
1、概念:
在焦平面后安放一块正薄透镜,叫场镜。
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
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
(
)缩短,系统的F数减小、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
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:
,当镜前的介质为空气时,
,则
,半球浸没透镜可使像(或探测器尺寸)缩小到
,面积缩小
倍,信噪比提高
倍。
光学系统的焦距缩小到原来的
,数值孔径增加,系统的聚光能力增强。
例如Ge半球浸没透镜,
,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
,这样的透镜叫超半球浸没透镜。
,当浸没透镜前的介质为空气时,
,也就是说半球浸没透镜可使像(或探测器尺寸)缩小
倍,面积缩小
倍,信噪比由此提高
5.3光锥
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。
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- 红外 光学系统