大口徑紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

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1、第23卷　第12期光　學(xué)　學(xué)　報(bào)Vol.23,No.122003年12月ACTAOPTICASINICADecember,2003文章編號(hào):025322239(2003)122147524大口徑紅外成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)潘君驊(蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所,蘇州215006)摘要:推導(dǎo)了以反射式兩鏡系統(tǒng)為主體的紅外成像系統(tǒng)中滿足光瞳匹配要求的轉(zhuǎn)像透鏡的高斯光學(xué)參量與兩鏡系統(tǒng)參量的關(guān)系式。當(dāng)選定紅外焦平面的冷屏直徑及到焦面的距離后,轉(zhuǎn)像透鏡與兩鏡系統(tǒng)的高斯光學(xué)參量之間必須滿足這個(gè)關(guān)系式,才能做到光瞳匹配,這就是冷屏為系統(tǒng)的出瞳,而入瞳是主反射鏡的口徑。消像差由主鏡、副鏡

2、的非球面及轉(zhuǎn)像透鏡上的一個(gè)非球面承擔(dān)。用實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了所推導(dǎo)出的公式的可靠性,紅外系統(tǒng)的口徑取為250mm,紅外接收器的冷屏直徑為5mm,冷屏到紅外像面的距離為20mm。兩鏡系統(tǒng)主鏡的曲率半徑選定為-1000mm及-800mm兩個(gè)值,兩鏡系統(tǒng)焦距為2000mm,1500mm及1000mm三個(gè)。共計(jì)算了六種結(jié)構(gòu)參量不同的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:紅外成像;光學(xué)設(shè)計(jì);光瞳;匹配;冷屏;高斯參量中圖分類(lèi)號(hào):O435　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1　引　　言位置就定了。從儀器的總體結(jié)構(gòu)考慮,主鏡頂點(diǎn)到紅外焦平面的長(zhǎng)度不能太短,也不宜太長(zhǎng)。合理地由于紅外CCD焦平面技術(shù)已經(jīng)成熟,大口徑紅選擇這

3、個(gè)長(zhǎng)度,是選擇兩鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要考慮。外成像系統(tǒng)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣,特別在軍事方面。口當(dāng)然,主鏡的相對(duì)口徑不要太大、副鏡的遮攔比盡可徑超過(guò)250mm,基本上不可能用純透鏡系統(tǒng),反射能小,照例也是要考慮到的。[1]式兩鏡系統(tǒng)是最合理的選擇。為了最大限度地限制背景輻射的影響,紅外焦平面的冷屏必須是整2　光瞳匹配要求個(gè)系統(tǒng)的出瞳。所以在兩鏡系統(tǒng)第一次成像之后應(yīng)有一個(gè)轉(zhuǎn)像透鏡(組)以達(dá)到位于主鏡的入瞳成像到以反射式兩鏡系統(tǒng)為主體的紅外成像系統(tǒng)光路冷屏上。以后我們將看到,兩鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有一見(jiàn)圖1。其中D1為主鏡口徑(正值),r1為主鏡曲定的選擇自由,但一旦選定,則轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的

4、共軛成像率半徑(負(fù)值),r2為副鏡曲率半徑(負(fù)值),l0為副Fig.1Opticallayoutofthetwo2mirrorsystemwithrelaylens鏡頂點(diǎn)到主鏡焦點(diǎn)的距離(負(fù)值),d為主鏡頂點(diǎn)到副鏡頂點(diǎn)的距離(負(fù)值),l′0為副鏡頂點(diǎn)到兩鏡系統(tǒng)E2mail:jhpang@suda.edu.cn收稿日期:2002210214;收到修改稿日期:2002212204焦點(diǎn)的距離(正值),s0為入瞳(D1)經(jīng)副鏡成像的位?1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsrese

5、rved.http://www.cnki.net　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　　　學(xué)　　　學(xué)　　　報(bào)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　147623卷　置(負(fù)值),

6、、d、l′0,當(dāng)兩鏡系統(tǒng)確定后都可以算出。所以,只距離(負(fù)值),s′為轉(zhuǎn)像透鏡到出瞳的距離,即出瞳位要選定兩鏡系統(tǒng),則轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的共軛成像位置及其置(正值),<′s為出瞳尺寸,即紅外焦平面的冷屏尺寸焦距即可算出,于是自動(dòng)優(yōu)化程序所要求的初始數(shù)(正值),Δ為冷屏到系統(tǒng)焦面的距離(正值)。據(jù)均可得到。光瞳匹配,實(shí)際上是兩點(diǎn)要求:1)入瞳D1經(jīng)副鏡及轉(zhuǎn)像透鏡成像在冷屏的位4　實(shí)例計(jì)算置;以D1=250mm,<′s=5mm,F=4,Δ=20mm2)入瞳尺寸(D1)經(jīng)成像后其大小等于冷屏的為基本數(shù)據(jù),計(jì)算不同主鏡焦比(即不同的r1),不尺寸<′s。同主系統(tǒng)焦距(f′1)解出

7、的結(jié)果及優(yōu)化后的結(jié)果。滿足光瞳匹配的同時(shí),當(dāng)然必須滿足整個(gè)系統(tǒng)視場(chǎng)大小,按紅外接收器對(duì)角線尺寸為12.6mm計(jì)的成像關(guān)系,即最后像面離冷屏距離等于Δ。算。為了說(shuō)明導(dǎo)出公式的可靠性,轉(zhuǎn)像透鏡先用單片鍺透鏡,波長(zhǎng)取λ=4μm。如果為了在3～5μm3　關(guān)系式推導(dǎo)波段消色差,可以進(jìn)一步將轉(zhuǎn)像透鏡復(fù)雜化,例如加根據(jù)上述要求,我們可以寫(xiě)出以下基本式子:入硅透鏡。主系統(tǒng)焦點(diǎn)的引出量Δ0,從實(shí)際裝調(diào)方111便出發(fā),應(yīng)為正值,即伸出主鏡頂點(diǎn)之后,現(xiàn)暫取-=,(1)s′sf′GeΔ0=60mm。s′S0s′我們計(jì)算了r<′s=

8、dsf′1=2000mm