认识：红外光学系统

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  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：

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

  

     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

  

  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

  

  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。