红外光学系统 - 红外物理与技术

功能和特点(崔浩天)

红外光学系统的功能：

(1) 收集并接收目标发出的红外辐射能量

(2) 确定辐射目标的方位

(3) 完成大视场内的目标搜寻

红外光学系统的特点：

(1)光学系统大多采用反射式系统

(2)光学系统的接收器是红外探测器

(3)光学系统的相对孔径大

红外光学系统的设计原则：

(1)光谱匹配

(2)高系统灵敏度

(3)杂光和噪声抑制

(4)大视场

主要参数(崔浩天)

光阑

孔径光阑：限制轴上物点成像光束宽度，并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑

(1) 孔径光阑的大小和位置限制了轴上物点孔径角的大小

(2) 孔径光阑的位置对轴外物点成像光束具有选择性

孔径光阑经前面的光学系统在物空间所成的像称为入瞳。经后面的光学系统在像空间所成的像称为出瞳。

视场光阑：限制物体成像范围的光阑

焦距

决定了系统的轴向长度及目标像的大小，与视场一起确定了像面的大小

相对孔径和F/数

相对孔径定义为入瞳直径 $D_{0}$ 与焦距f'之比，即 $D_{0}$ /f'

目标的辐射亮度为L，光学系统透过率 $τ_{0}$ ，则像面上的辐照度 $E = L τ_{0} \frac{π ( D _{0} /2 ) ^{2}}{f ^{' 2}}$

相对孔径的倒数f'/ $D_{0}$ 为F/数

相对孔径或F/数是衡量光学系统聚光能力的一个参数

视场和视场角

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。

通常红外系统的作用目标都在无限远处，视场角一般取决于探测器的大小

视场角大，有利于红外系统捕获目标。但是红外探测器的噪声与探测器的线尺寸成正比，因而增大视场角将导致噪声增加而使信噪比降低。为了不增加系统的噪声又能扩大红外系统的捕获范围，可采用小的瞬时视场与扫描相结合的方法。

光学增益

一束辐射能经过光学系统聚焦后落到探测器上的辐射能，与未经光学系统时直接落在它的入瞳处的辐射能之比称为光学增益。

探测器面积为 $A_{d}$ ，入瞳面积为 $A_{c}$ ，则对于电源系统，其光学增益为 $G = τ_{0} \frac{A _{c}}{A _{d}}$ 随着探测器光敏面积的减小，光学增益将增大

对于扩展源系统，其光学增益为 $G = τ_{0} (\frac{s in θ ^{'}}{s in θ})^{2}$ $θ$ '为光学系统像方孔径角的半角； $θ$ 为物体对入瞳中心张角的半角。因为F/数变小时 $θ$ '变大，所以光学增益随F/数减小而增大。

最小弥散圆斑和衍射斑

对光学系统像质的影响，除了几何像差因素外，还有衍射效应。几何像差取决于光学零件表面的几何形状和材料的色散，它是可以通过光学设计进行控制的；而衍射是由光的波动性所产生的，无法消除。应综合考虑衍射和几何像差两种因素，从而评价红外光学系统的像质。

艾里斑直径对像方主点的张角为 $δ θ = 2.44 \frac{λ}{D _{0}}$ 艾里斑的线直径可用张角 $δ θ$ 与光学系统的焦距f'相乘求得 $δ l = f^{'} δ θ = 2.44 \frac{λ f ^{'}}{D _{0}} = 2.44 λ F$ 波长 $λ$ 越长，F/数越大，衍射越严重

常用红外光学系统(崔浩天)

反射式物镜

1.球面反射镜

2.抛物面反射镜

3.双曲面反射镜

4.椭球面反射镜和扁球面反射镜

5.双反射镜：

(1)牛顿系统
    对无限远的轴上点没有像差，像质仅受衍射限制；
    轴外点像差较大，常用在像质要求较高的小视场红外系统中。
    镜筒很长，重量大。

(2)卡塞格林系统
    卡式系统多了一个次镜，可以比牛顿系统更好地校正轴外像差。
    像质好，镜筒短，焦距长，而且焦点可以在主镜后面，便于在焦平面上放置红外探测器。

(3)格里高利系统

中心遮挡

遮挡系数 $α_{D} = \frac{D _{2}}{D _{1}}$ ，描述双反射镜系统中心光束被次镜遮挡的程度，D_{1}、D_{2}分别为主镜和次镜的直径

有效通光面的有效直径为 $D_{eo} = D_{1} 1 - \frac{D _{2}}{D _{1}}^{2} = D_{1} 1 - α_{D}^{2}$ 系统的有效F_{e}/数为 $F_{e} = \frac{f}{D _{eo}} = \frac{f ^{'}}{D _{1} 1 - α _{D}^{2}}$ f'为系统的焦距

折反射系统

1.施密特折反射系统

视场比双反射镜系统大得多；镜筒较长，像面呈弯曲形

2.曼金折反射系统

当反射镜的相对孔径较大时，曼金折反射系统只能校正边缘球差，因此仍有剩余球差存在；由于负折射透镜会造成色差，所以色差较严重

3.包沃斯-马克苏托夫折反射系统

三个曲面的曲率中心都取在同一点O上，并在此处放置孔径光阑，没有慧差、像散和畸变。弯月形厚透镜用于校正球面反射镜的球差，但是带来了一些剩余色差