长波红外系统光学设计

学号：SO80223021硕士学位论文长 波 红 外 系 统 光 学 设计研 究 生 姓 名 ： 雷 媛 萍 学 科 、 专 业 ： 光 学 工程二 -年 三 月分 类 号 ： _ 密 级 :U D C： _ . 编 亏 :长 波 红 外 系 统 光 学 设 计long-wave infrared Optical Subsystems Design学 位 授 予 单 位 及 代 码 ： 长 春 理 工 大 学 _(10186)学 科 专 业 名 称 及 代 码 ： 光 学 工 程 _(080300)研 究 方 向 ： 现 代 光 学 技 术 及 工 程 运 用 申 请 学 位 级 别 ： 硕 士 _指 导 教 师 ： 唐 勇 教 授研 究 生 ： 雷 媛 獲论 文 起 止 时 间 ： 2009 102010. 12长 春 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文 原 创 性 声 明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 硕 士 学 位 论 文 ， 长 波 红 外 系 统 光 学 设 计 是 本 人 在 指 导 教 师 的 指 导 下 ， 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果 。 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 ， 本 论 文 不 包 含 任 何 其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 作 品 成 果 。 对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体 ， 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。 本 人 完 全 意 识 到 本 声 明 的 法 律 结 果 由 本 人 承 担 。作 者 签 名 ： 年 0 月 巧长 春 理 工 大 学 学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书本 学 位 论 文 作 者 及 指 导 教 师 完 全 了 解 “长 春 理 工 大 学 硕 士 、 博 士 学 位 论 文 版 权 使 用 規 定 ”， 同 意 长 春 理 工 大 学 保 留 井 向 中 国 科 学 信 息 研 究 所 、 中 国 优 秀 博 硕 士 学 位 论 文 全 文 数 据 库 和 CNKI系 列 数 据 库 及 其 它 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 学 位 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ， 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 长 春 理 工 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 編 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 也 可 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编 学 位 论 文 。年 0 月 /日摘 要“长 波 红 外 系 统 光 学 设 计 ”作 为 本 论 文 的 课 题 ， 概 述 了 红 外 探 测 系 统 在 各 个 领 域 的 应 用 以 及 发 展 状 況 ， 对 光 学 设 计 的 基 础 、 光 学 设 计 的 理 论 知 识 、 像 差 专 题 、 光 阑 位 置 对 各 种 像 差 的 影 响 以 及 光 学 系 统 的 像 质 评 定 方 法 等 进 行 了 详 细 分 析 ， 并 且 根 据 红 外 光 学 系 统 有 别 于 一 般 光 学 系 统 这 一 特 性 ， 介 绍 了 构 成 红 外 光 学 系 统 的 材 料 的 种 类 及 其 特 性 ， 还 对 各 种 类 型 的 红 外 光 学 系 统 进 行 了 分 析 讨 论 ， 并 且 通 过 计 算 系 统 的 外 形 尺 寸 及 其 系 统 的 设 计 要 求 来 选 择 系 统 的 初 始 结 构 ， 然 后 进 行 像 差 校 正 与 平 衡 ， 接 下 来 再 根 据 红 外 成 像 系 统 校 正 像 差 的 要 求 ， 通 过 各 种 曲 线 图 ， 比 如 光 线 扇 形 图 、 点 列 图 、MTF 曲 线 等 对 系 统 进 行 像 质 评 价 ， 以 保 证 调 试 后 的 结 构 能 够 满 足 系 统 设 计 要 求 。关 键 词 ： 光 谱 技 术 长 波 红 外 制 冷 焦 平 面 阵 列 热 成 像ABSTRACT“long-wave infrared optical design“ as the subject of this paper, infrared detection systems are described in the various fields of application and development on the basis of optical design, optical design theory，special aberration, aperture position on the various aberrations and optical systems for image quality evaluation methods described in detail， based on the infrared optical system which different from the properties of optical systems， it describes the principle of infrared imaging optical system, optical system described constitutes the type and characteristics of the material, and various types of infrared optical systems were discussed, and by calculating the dimensions of the system and its system design requirements to select the initial structure of the system, then aberration correction and balance, followed by re-calibration of infrared imaging system is aberration, according to the requirements, through a variety of graphs, pie charts such as light, points out map, MTF curve of the system for image quality evaluation, to ensure that the structure after commissioning to meet system design requirements.Key words: spectral technology long-wave infrared cooled focal plane array thermal imaging目 录摘 要 ABSTRACT 目 录第 一 章 绪 论 11.1多 光 谱 成 像 系 统 的 概 述 及 发 展 状 况 11.2红 外 热 成 像 技 术 的 发 展 状 况 及 应 用 领 域 21.3本 论 文 的 主 要 内 容 5第 二 章 光 学 设 计 理 论 62.1光 学 设 计 要 求 .62. 2光 学 设 计 方 法 82.3光 学 设 计 步 骤 .9第 三 章 像 差 理 论 .103_1远 轴 光 线 及 近 轴 光 线 103.2系 統 的 像 差 .103. 3各 像 差 引 起 的 弥 散 斑 形 状 193.4光 阑 位 置 不 同 对 各 像 差 的 影 响 .21第 四 章 光 学 系 统 的 像 质 评 定 . 234.1波 像 差 评 价 系 统 成 像 质 量 234.2独 立 几 何 像 差 曲 线 244. 3点 列 图 . 254. 4中 心 点 亮 度 264.5光 学 传 递 函 数 评 价 系 统 成 像 质 量 26第 五 章 红 外 光 学 系 统 介 绍 285.1红 外 辐 射 源 .285. 2红 外 探 测 器 . 295.3红 外 光 学 材 料 . 305.4红 外 光 学 系 统 的 特 性 35第 六 章 长 波 红 外 光 学 系 统 设 计 366.1技 术 要 求 . 366. 2红 外 探 测 器 的 选 择 366. 3外 形 尺 寸 计 算 366. 4系 统 选 型 376. 5长 波 红 外 光 学 材 料 的 选 择 416. 6像 差 分 析 .41芯 、in 46ic % 47# 3t M 48第 一 章 绪 论1.1多 光谱 成 像系 统 的概 述 及发 展 状况 1.1.1概 述多 光 谱 成像 系 统 13将 计 算 机、 机 械 学、 电 子 学、 光 谱 学、 光 学 技术 等 有 机的 结 合 在 一 起 ，是 一 种 一体 化 的 新型 成 像 探测 系 统 该系 统 能 够准 确 而 有效 地 识 别出 位 于 复 杂 环 境中 的 被 观测 目 标 ，同 吋 ， 通过 在 不 间断 光 谱 段对 被 观 测目 标 成 像m， 不 仅可 以 获 取 被测 目 标 光谱 维 m和 空间 维 等 方面 的 信 息， 而 且 对被 观 测 目标 的 光 谱特 性 等 方 面 能 做 出直 接 客 观的 反 映 。通 常 情 況下 ， 可 以采 用 衍 射光 柵 、 可调 谐 滤 光片 、 棱 镜及 滤 光 片 轮等 分 色 或分 光 元 件获 取 被 测目 标 图 像中 的 光 谱元 素 ， 因为 这 些 分色 或 分 光元 件 能 对 光谱 段 进 行有 效 地 分离 。多 光 谱 成像 技 术 能够 对 光 谱进 行 有 效地 辨 別 ，其 原 理 是通 过 视 频成 像 技 术与 光 谱 成 像 技 术的 密 切 结合 ， 能 够在 成 像 面上 获 得 清晰 的 被 观测 对 象 的图 像 ， 另外 ， 在 探测 地 面 目 标方 面 ， 可以 采 用 多光 谱 成 像技 术 作 为有 力 的 检测 手 段 。近 些 年 来， 多 光 谱成 像 技 术在 各 个 领域 的 应 用愈 加 地 广泛 ， 该 技术 能 同 时工 作 于 多 个 波 段， 即 能 同时 应 用 于远 红 外 、中 红 外 、可 见 光 及紫 外 等 几个 波 段 。(1) 远 红 外 ： 远 红 外 这 一 波 段 的 应 用 很 是 广 泛 ， 可 以 采 用 该 光 谱 段 辨 别 伪 装 目 标 ， 对 军 事 目 标 进 行 有 效 地 侦 查 和 探 測 ， 还 能 消 除 背 景 对 被 测 目 标 的 干 扰 ， 将 目 标 和 背 景 清 晰 地 分 辨 出 ；(2) 中 红 外 ： 中 红 外 这 一 光 谱 段 能 对 较 高 温 度 的 物 体 ， 如 爆 炸 性 的 气 体 、 飞 机 喷 放 的 高 速 气 流 等 实 施 有 效 地 检 测 ；(3) 可 见 光 ： 这 一 光 谱 段 位 于 太 阳 光 的 反 射 区 域 ， 在 探 测 过 程 中 如 果 需 要 获 得 一 些 信 息 ， 比 如 部 队 的 布 暑 、 植 被 的 分 布 、 水 体 的 性 质 以 及 土 壤 的 特 性 等 ， 可 以 利 用 该 波 段 对 地 球 表 面 物 体 反 射 的 信 息 进 行 有 效 地 探 测 。1.1.2发 展状 况随 着 多 光谱 遥 感 技术 的 发 展， 多 光 谱成 像 技 术也 在 此 基础 上 迅 猛发 展 起 来。 利 用 多 光 谱 遥感 这 项 技木 ， 可 以从 不 同 的渠 道 获 取必 要 的 信息 ， 即 通过 运 用 多个 通 道 传感 器 技 术 ，对 多 个 不同 的 光 谱段 同 时 进行 扫 描 或摄 像 ， 就可 以 获 得同 一 背 景下 同 一 被测 目 标 的 不同 光 谱 段的 图 像 数据 信 息 。起 初 ， 多波 段 遥 感技 术 在 航空 摄 影 领域 得 到 了一 定 的 应用 。 多 光谱 遥 感 技术 的 其 中 之 一 就是 多 波 段摄 影 技 木， 相 对 于一 些 普 通的 摄 影 系统 ， 多 波段 摄 影 系統 的 分 辨率1更 高 ， 并 且 ， 该 系 统 所 工 作 的 波 段 范 围 不 但 受 光 学 系 统 穿 透 光 线 能 力 強 弱 的 限 制 ， 还 受 感 光 元 件 尺 寸 大 小 的 限 制 ， 因 为 多 波 段 摄 影 系 统 是 采 用 胶 片 作 为 感 光 元 件 来 获 取 被 观 测 对 象 的 信 息 。 所 以 近 些 年 来 ， 多 光 谱 成 像 技 术 在 各 个 领 域 的 应 用 越 来 越 广 泛 。1、 1962年 ， 位 于 莫 斯 科 的 某 测 绘 学 院 制 作 了 最 早 的 多 波 段 成 像 传 感 器 ， 这 种 多 光 谱 成 像 系 统 由 九 个 光 学 镜 头 构 成 ， 即 能 够 对 同 一 目 标 的 九 个 不 同 光 谱 段 同 时 成 像 。2、 1969年 ， 一 种 多 光 谱 摄 影 机 器 的 出 现 打 破 了 人 类 第 一 次 在 太 空 获 取 地 面 上 目标 的 图 像 ， 而 且 此 图 像 是 多 个 波 段 对 应 图 像 的 集 合 。 这 种 系 统 采 用 的 是 S065多 个 台 式 ，由 美 国 的 宇 航 局 制 造 而 成 ， 但 是 ， 在 配 准 方 面 ， 该 系 统 还 存 在 着 一 定 的 问 题 。3、 1973年 ， 研 制 出 了 一 种 多 光 谱 成 像 仪 ， 这 种 成 像 仪 具 有 光 束 分 离 功 能 ， 即 能 对 同 一 物 体 的 四 个 波 段 同 时 成 像 m。4、 1986年 ， 发 射 了 SPOT卫 星 ， 由 法 国 成 功 发 射 。 此 卫 星 能 同 时 工 作 于 三 个 光 谱 段 ， 即 其 中 之 一 是 波 段 范 围 为 0.51 um 0.73 um的 全 色 光 光 谱 段 ， 另 一 个 是 波 段 范 围 为 0. 79 P m 0. 89 u m的 近 红 外 光 谱 段 ， 还 有 同 时 包 含 0. 50 0. 59 P m， 0. 61 0. 68 u m 两 个 光 波 段 的 可 见 光 光 谱 段 。5、 1987年 ， 发 射 了 M0S-1卫 星 ， 这 种 系 统 能 对 地 面 上 目 标 达 到 45m的 分 辨 能 力 ， 是 由 日 本 成 功 发 射 。 M0S-1卫 星 能 对 其 中 多 个 波 段 的 电 子 进 行 自 行 扫 描 ， 并 且 ， 这 种 扫 描 需 要 借 助 于 一 种 线 阵 光 电 耦 合 器 件 来 完 成 ， 该 器 件 还 能 够 同 时 感 应 四 个 光 谱 段 。6、 1999年 ， 发 射 了 带 有 可 同 时 工 作 于 八 个 波 段 的 ETM Plus的 land sat-7,其 中 ， ETM Plus对 全 色 光 波 段 m能 达 到 15m的 分 辨 能 力 ， 对 多 个 光 波 段 能 达 到 30m的 分 辨 能 力 ， 是 由 美 国 成 功 发 射 。ETM Plus是 一 种 测 绘 仪 ， 能 起 到 加 强 主 题 的 作 用 ， 并 且 ， 该 系 统 可 在 热 红 外 、 近 红 外 、 可 见 光 等 多 个 光 谱 段 进 行 工 作 。1.2红 外 热 成 像 技 术 的 发 展 状 况 及 应 用 领 域1. 2. 1发 展 状 况1、 1964年 ， 制 造 出 了 一 种 热 成 像 系 统 ， 这 种 系 统 由 位 于 美 国 的 TI公 司 成 功 设 计 ， 是 第 一 代 红 外 热 成 像 系 统 。 该 装 置 的 成 像 原 理 是 首 先 分 解 扫 描 出 被 观 测 目 标 所 成 图 像 的 二 维 空 间 信 息 ， 其 中 这 种 成 像 运 用 的 是 光 机 扫 描 原 理 ， 其 次 ， 把 所 得 的 光 信 号 转 化 为 电 信 号 ， 最 终 能 在 成 像 面 上 得 到 完 好 无 损 的 图 像 ， 其 中 ， 这 种 转 换 需 要 一 种 光 电 成 像 器 件 来 完 成 ， 且 该 器 件 的 表 面 尺 寸 很 小 。 但 是 ， 这 种 热 成 像 系 统 还 是 存 在 着 重 量 过 重 、 结 构 太 过 复 杂 等 缺 陷 ， 这 就 是 系 統 的 工 作 环 境 温 度 过 低 所 导 致 的 ， 因 为 系 统 的 成 像 采 用 的 是 光 机 扫 描 原 理 ， 且 光 电 成 像 器 件 的 表 面 尺 寸 太 小 。22、 60年 代 初 期 ， AGA公 司 对 第 二 代 红 外 热 成 像 系 统 做 出 了 成 功 设 计 ， 该 公 司 位 于 瑞 典 。 此 系 统 可 对 漆 黑 等 恶 劣 环 境 中 的 目 标 发 出 的 热 信 息 进 行 有 效 地 探 測 ， 但 是 ， 这 种 系 统 成 本 费 用 太 高 。在 业 生 产 领 域 ， 可 以 将 降 低 仪 器 的 成 本 费 用 以 及 红 外 探 测 技 术 在 业 领 域 上 的 应 用 特 性 有 机 的 结 合 起 来 ， 利 用 这 种 特 点 以 及 应 用 领 域 的 要 求 ， 可 以 进 一 步 的 提 高 系 统 的 分 辨 能 力 ， 并 将 系 统 的 扫 描 速 度 进 一 步 的 降 低 ， 还 能 减 小 仪 器 的 生 产 成 本 。3、 60年 代 中 期 ， AGA公 司 再 次 成 功 设 计 出 一 种 热 成 像 系 统 ， 该 热 成 像 装 置 重 量 约 为 35000克 ， 且 通 过 液 氮 进 行 制 冷 ， 并 且 ， 这 种 热 成 像 系 统 能 在 业 探 测 领 域 对 被 观 测 目 标 进 行 实 时 成 像 ， 也 可 以 把 该 装 置 称 作 THV。(1) 随 着 制 冷 途 径 的 不 断 改 进 以 及 红 外 探 测 器 的 不 断 更 新 换 代 ， AGA公 司 在 1986 年 又 成 功 设 计 出 新 一 代 的 红 外 热 像 系 统 ， 该 系 统 采 用 半 导 体 热 电 的 方 法 进 行 冷 却 ， 这 种 方 式 在 系 统 的 损 耗 方 面 有 所 减 小 ， 故 替 代 了 采 用 高 压 气 体 、 液 态 氮 气 等 冷 却 方 式 。(2) 1988年 ， AGA公 司 又 成 功 研 制 出 了 一 套 红 外 热 像 系 统 ， 该 系 统 的 体 重 不 大 于 7000克 ， 且 具 有 较 高 的 精 度 、 较 好 的 性 能 以 及 很 好 的 可 靠 性 ， 是 一 种 将 存 储 技 术 、 修 改 技 木 、 采 集 技 木 、 温 度 测 量 、 分 析 等 技 术 密 切 结 合 在 一 起 的 一 体 化 热 成 像 系 统 。4、 70年 代 ， 设 计 出 了 一 种 新 型 的 红 外 热 像 系 统 ， 这 种 系 统 在 不 需 要 冷 却 的 条 件 下 就 能 使 用 ， 是 由 位 于 法 国 的 汤 姆 逊 公 司 成 功 设 计 。5、 90年 代 中 期 ， 设 计 出 了 一 种 焦 平 面 阵 列 的 红 外 热 像 系 统 ， 这 种 系 统 是 一 种 凝 视 型 的 成 像 系 统 ， 由 位 于 美 国 的 FSI公 司 成 功 设 计 。 随 着 红 外 探 测 技 术 的 不 断 更 新 发 展 ， 新 一 代 红 外 热 成 像 装 置 的 体 积 大 大 减 小 ， 这 是 由 于 以 前 热 成 像 系 统 是 采 用 光 机 扫 描 原 理 进 行 成 像 的 ， 而 现 在 用 FPA替 代 了 以 前 的 成 像 原 理 。这 种 热 成 像 系 统 对 应 的 红 外 探 测 器 可 达 到 320X256或 320X240的 分 辨 能 力 ， 且 该 系 统 可 分 为 两 种 类 型 ， 即 在 不 需 要 冷 却 和 在 需 要 冷 却 两 种 环 境 下 进 行 工 作 。 其 中 ，(1) 需 要 冷 却 的 红 外 焦 平 面 阵 列 的 作 用 是 将 入 射 的 光 子 激 发 加 速 生 成 载 流 子 ， 这 就 是 光 子 探 测 原 理 ；(2) 不 需 要 冷 却 的 红 外 焦 平 面 阵 列 主 要 有 两 种 类 型 ， 即 由 材 料 多 晶 硅 构 成 的 热 辐 射 测 温 计 以 及 用 材 料 BST制 造 的 热 释 电 。与 由 碲 镉 汞 材 料 构 成 的 制 冷 型 焦 平 面 阵 列 红 外 探 测 器 相 比 较 ， 非 制 冷 焦 平 面 阵 列 则 具 有 较 低 的 灵 敏 度 。6、 伴 随 着 21世 紀 的 跨 入 ， 需 要 设 计 出 一 种 成 像 系 统 ， 这 种 系 统 相 对 于 前 两 代 红 外 热 成 像 装 置 ， 在 灵 敏 度 、 能 够 探 测 到 的 光 谱 段 、 分 辨 能 力 以 及 帧 率 等 技 术 參 数 方 面 都 得 到 了 不 同 程 度 的 提 高 ， 比 如 帧 率 可 达 到 2 Hz,分 辨 率 能 高 达 2048X2048等 ， 这 种 系 统 属 于 第 三 代 红 外 热 成 像 系 统 ， 该 系 统 在 红 外 探 测 技 术 的 迅 猛 发 展 下 也 正 处 于 设 计 当 中 。3随 着 生 产 艺 技 术 的 不 断 发 展 ， 第 三 代 热 成 像 系 统 在 未 来 些 年 的 运 用 中 又 会 面 临 新 的 挑 战 ， 科 研 人 员 又 会 面 临 一 个 新 的 严 峻 的 问 题 ， 那 就 是 怎 样 才 能 使 仪 器 的 生 产 成 本 更 低 、 探 测 器 的 性 能 方 面 得 到 更 大 的 平 衡 和 提 高 。1.2. 2应 用 领 域红 外 热 成 像 技 术 具 有 很 多 方 面 的 优 点 ， 除 具 有 很 强 的 不 可 见 性 ， 超 强 的 抵 抗 外 界 干 扰 的 能 力 外 ， 还 对 外 界 的 辐 射 能 力 几 乎 为 零 ， 而 且 ， 不 需 要 提 供 任 何 的 外 界 照 明 等 条 件 就 能 对 目 标 进 行 准 确 的 观 察 。 基 于 上 述 的 诸 多 优 点 ， 该 系 统 在 当 前 的 军 用 领 域 中 得 到 了 广 泛 地 应 用 ， 是 一 种 现 代 化 高 科 技 技 木 。红 外 热 成 像 系 统 在 目 标 辨 别 方 面 的 能 力 特 强 ， 能 及 时 的 追 踪 并 直 接 击 中 被 观 测 对 象 的 要 害 ， 然 后 对 多 个 目 标 进 行 全 面 而 有 效 地 观 测 ， 而 且 在 低 空 观 察 的 过 程 中 有 很 高 的 导 引 精 度 。 其 中 ， 远 红 外 热 成 像 系 统 则 具 有 更 高 的 分 辨 能 力 ， 且 不 受 某 些 外 界 环 境 的 影 响 ， 如 一 些 恶 劣 的 天 气 等 。 故 红 外 热 成 像 技 术 在 军 事 领 域 的 发 展 会 更 广 阔 ， 应 用 前 景 会 更 好 点 71、 医 疗 领 域 ：(1) 利 用 红 外 热 成 像 原 理 制 作 的 红 外 测 温 仪 ， 能 对 分 布 在 比 较 大 空 间 内 的 人 们 实 施 有 效 地 监 控 ， 该 仪 器 的 工 作 稳 定 性 较 好 ， 不 产 生 任 何 辐 射 ， 且 测 量 温 度 时 有 较 高 的 分 辨 率 。 在 非 典 时 期 ， 该 仪 器 更 是 发 挥 了 巨 大 的 作 用 ， 可 以 对 医 院 、 学 校 、 机 场 等 有 密 集 人 群 的 地 方 进 行 有 效 地 监 控 ， 从 而 大 大 减 小 的 非 典 的 蔓 延 程 度 。(2) 可 以 较 早 的 检 查 出 静 脉 堵 塞 、 淋 巴 结 等 疾 病 ， 即 利 用 红 外 热 成 像 技 术 所 成 的 图 像 可 检 测 出 病 人 患 病 的 病 因 ， 从 而 使 患 者 能 尽 早 的 预 防 治 疗 ， 以 免 病 情 进 一 步 地 恶 化 而 错 过 最 佳 治 疗 时 机 ， 还 能 用 该 系 统 对 整 个 手 术 过 程 进 行 监 视 ， 以 免 发 生 意 外 。2、 业 领 域 ：利 用 该 系 统 可 检 测 石 油 、 交 通 、 电 力 等 的 质 量 是 否 在 合 格 要 求 的 范 围 之 内 ， 还 可 以 通 过 红 外 热 成 像 技 术 的 特 性 对 业 领 域 中 的 机 器 出 现 的 故 障 进 行 一 一 排 查 ， 然 后 根 据 检 查 的 结 果 再 进 行 针 对 性 的 维 修 。3、 军 用 领 域 ：红 外 热 成 像 系 统 可 在 漆 黒 、 浓 雾 、 湿 雨 等 恶 劣 的 环 境 下 ， 准 确 的 探 测 出 目 标 所 在 地 ， 基 于 这 方 面 的 特 性 ， 该 系 统 在 搜 救 、 缉 拿 逃 犯 、 消 防 等 领 域 的 应 用 会 越 加 的 广 泛 。1)可 利 用 红 外 热 成 像 技 术 对 伪 装 对 象 进 行 观 测 。 由 于 系 统 运 用 的 光 电 探 测 器 件 的 灵 敏 度 较 高 ， 即 对 高 温 物 体 有 很 好 的 感 应 能 力 ， 故 虽 然 伪 装 目 标 不 能 被 肉 眼 直 接 观 察 到 ， 但 是 ， 目 标 与 背 景 辐 射 的 红 外 辐 射 不 同 ， 即 这 两 者 之 间 存 在 着 一 定 的 温 度 差 ， 且 目 标 辐 射 的 温 度 高 于 背 景 的 ， 这 就 使 得 系 统 能 很 好 的 探 测 到 目 标 。 在 军 事 侦 察 方 面 ， 红 外 热 成 像 技 术 虽 然 具 备 诸 多 优 点 9， 但 在 某 一 程 度 上 还 是 存 在 着 一 定 的 局 限 性 ， 即相 対 于 雷 达 技 木 ， 在 浓 雾 、 湿 雨 等 恶 劣 环 境 下 ， 红 外 热 成 像 系 统 对 目 标 的 探 测 能 力 就 大 大 地 受 到 影 响 ， 即 系 统 的 探 测 灵 敏 度 低 于 雷 达 系 統 。近 些 年 来 ， 红 外 热 成 像 技 术 在 军 用 领 域 的 应 用 愈 加 广 泛 。 可 以 将 红 外 热 成 像 系 统 直 接 安 装 在 直 升 机 等 平 台 上 直 接 对 地 面 上 的 伪 装 目 标 进 行 昼 夜 侦 察 ， 这 样 不 仅 可 以 增 大 系 统 的 作 用 距 离 ， 而 且 使 系 统 的 瞄 准 精 度 更 高 。2) 可 利 用 红 外 热 成 像 技 术 对 军 事 目 标 进 行 昼 夜 侦 察 。(1) 在 作 战 的 过 程 中 ， 可 以 将 红 外 热 成 像 系 统 安 装 在 位 于 海 面 的 舰 船 、 位 于 空 中 的 直 升 机 以 及 位 于 地 面 的 坦 克 等 装 备 中 ， 不 仅 具 有 很 高 的 瞄 准 精 度 ， 还 能 大 大 的 提 高 系 统 的 命 中 率 ， 从 而 使 夜 晚 的 作 战 水 平 得 到 更 进 一 步 的 提 高(2) 不 管 是 白 天 或 漆 黒 的 夜 晩 ， 还 是 在 布 满 烟 雾 等 的 恶 劣 环 境 下 ， 该 系 统 都 可 以 对 位 于 陆 地 、 空 中 、 海 洋 中 的 目 标 进 行 很 好 的 观 察 11。3) 利 用 红 外 热 成 像 技 术 进 行 红 外 制 导 。 近 些 年 来 ， 红 外 制 导 技 术 的 发 展 日 益 迅 速 ， 在 陆 地 、 空 中 、 海 洋 等 领 域 的 应 用 更 是 广 泛 ， 尤 其 ， 在 军 事 作 战 方 面 113 111发 挥 的 作 用 巨 大 。4、 农 林 领 域 ：可 利 用 该 系 统 的 红 外 遥 感 技 术 探 测 出 危 害 农 作 物 的 病 虫 ,并 进 行 相 关 的 统 计 预 报 ， 也 能 对 农 作 物 的 产 量 作 出 大 概 的 估 计 ， 还 能 勘 测 出 地 球 表 面 的 某 一 处 是 否 存 在 着 可 利 用 的 资 源 ， 另 外 ， 该 技 术 还 对 草 原 、 森 林 等 在 预 防 火 灾 方 面 起 着 很 大 的 作 用 。1.3本 论 文 的 主 要 内 容该 论 文 对 如 何 设 计 光 学 系 统 、 设 计 光 学 系 统 的 相 关 方 法 、 所 具 备 的 理 论 知 识 等 进 行 了 讨 论 研 究 ， 另 外 ， 対 当 前 红 外 光 学 系 统 所 需 的 材 料 进 行 了 详 细 的 介 绍 ， 最 终 设 计 出 的 光 学 系 统 为 工 作 在 8 12 urn波 段 的 小 视 场 光 学 系 统 。 具 体 有 以 下 几 个 方 面 ：(1) 介 绍 了 多 光 谱 成 像 系 统 及 红 外 热 成 像 技 术 的 研 究 背 景 及 发 展 状 況 ；(2) 介 绍 了 光 学 设 计 的 理 论 基 础 ；(3) 对 红 外 系 统 的 像 差 理 论 知 识 及 系 统 的 像 质 评 定 方 法 做 了 详 细 介 绍 ；(4) 对 红 外 光 学 系 统 进 行 了 详 细 描 述 ；(5) 根 据 系 统 技 术 要 求 选 取 对 应 的 红 外 探 测 器 ， 再 根 据 所 选 探 测 器 的 参 数 和 系 统 己 知 特 性 参 数 进 行 外 形 尺 寸 计 算 ， 然 后 根 据 外 形 尺 寸 计 算 所 得 的 光 学 特 性 参 数 和 系 统 要 求 选 取 合 适 的 初 始 结 构 ， 最 后 用 光 学 设 计 软 件 对 初 始 结 构 进 行 像 差 校 正 与 平 衡 ， 直 到 调 试 后 的 系 统 满 足 设 计 要 求 为 止5第 二 章 光 学 设 计 理 论2.1光 学 设 计 要 求2. 1.1构 形 选 择1、 对 于 一 些 光 学 系 統 ， 如 需 在 红 外 光 学 系 统 中 设 置 孔 径 光 阑 ， 此 时 ， 我 们 应 仔 细 分 析 孔 径 光 阑 位 置 的 不 同 对 系 统 各 像 差 产 生 的 影 响 ， 并 最 终 确 定 系 统 的 类 型 以 及 系 统 中 各 光 学 元 件 的 组 成 形 式 ， 使 其 满 足 系 统 提 出 的 技 术 要 求 。2、 通 常 情 况 下 ， 光 学 系 统 的 类 型 可 分 为 三 种 ， 即 有 反 射 式 、 透 射 式 以 及 折 反 射 式 , 而 这 三 种 类 型 都 各 有 优 缺 点 ， 具 体 的 选 择 可 根 据 系 统 的 特 性 要 求 而 定 。我 们 知 道 任 何 一 个 光 学 系 统 一 定 要 满 足 其 对 应 仪 器 的 使 用 要 求 ， 还 要 符 合 仪 器 的 各 性 能 指 标 ， 故 我 们 最 终 选 择 的 系 统 类 型 一 定 要 满 足 其 所 需 的 性 能 。2. 1.2性 能 要 求1、 应 使 成 像 面 上 一 定 视 场 的 弥 散 圆 尺 寸 跟 光 电 成 像 器 件 ， 如 光 电 耦 合 器 件 CCD、 红 外 探 测 器 等 的 靶 面 尺 寸 相 匹 配 。2、 .应 使 系 统 的 有 效 通 光 口 径 Z)/尸 、 后 工 作 距 离 /;,、 焦 距 /、 出 瞳 距 /丨 、 视 场 角以 及 透 过 率 r等 光 学 特 性 符 合 设 计 要 求 。 另 外 ， 设 计 光 学 系 统 时 ， 应 使 设 计 的 光 学 系 统 在 满 足 仪 器 使 用 要 求 的 同 吋 ， 还 要 使 其 在 艺 方 面 的 性 能 较 好 ， 并 且 在 实 现 物 理 及 技 术 上 的 运 用 吋 ， 具 有 一 定 的 可 能 性 。1)对 于 照 相 摄 影 系 统 ， 我 们 应 对 其 焦 距 /、 视 场 角 2、 相 对 孔 径 D/这 三 个 光 学 特 性 參 数 之 间 的 关 系 作 一 合 理 的 分 配 ， 具 体 应 满 足 的 关 系 式 如 下 “33 :D -tan .rf Vioo c (2. 1)这 是 因 为 对 于 像 照 相 摄 影 这 一 类 成 像 系 統 ， 仪 器 在 对 其 提 出 的 各 种 要 求 中 ， 存 在 着 一 定 的 矛 盾 性 ， 所 以 我 们 应 全 方 位 的 考 虑 和 分 析 ， 分 析 出 存 在 于 其 中 的 主 要 矛 盾 ， 进 而 使 提 出 的 要 求 更 加 合 理 化 。该 式 中 ， 把 C,定 义 为 照 相 系 统 的 质 量 因 数 ， 其 大 小 规 定 在 0.22与 0.26这 两 个 数 值 之 间 ， 在 具 体 的 计 算 过 程 中 ， 取 C,的 值 为 0.24即 可 。 然 而 ， C,的 值 可 在 光 学 系 统6在 设 计 技 巧 、 途 径 上 的 逐 步 完 善 ， 厂 家 对 光 学 元 件 的 加 工 、 装 调 技 术 的 不 断 提 高 以 及 一 些 较 高 折 射 率 光 学 材 料 相 继 出 现 的 情 形 下 不 断 地 増 大 。(1) 在 满 足 C,的 值 比 0. 24这 一 数 值 大 吋 ， 系 统 的 成 像 质 量 几 乎 不 能 满 足 设 计 要求 ， 因 为 在 这 种 情 况 下 ， 对 像 差 的 校 正 是 很 困 难 的 ；(2) 在 满 足 的 值 比 0.24这 一 数 值 小 吋 ， 系 統 的 成 像 质 量 较 好 ， 因 为 在 这 种 情况 下 ， 对 像 差 的 校 正 会 比 较 容 易 。2) 对 于 望 远 系 统 ， 在 人 眼 刚 好 能 够 分 辨 出 位 于 无 限 远 两 物 点 対 人 眼 的 张 角 为 1的情 形 下 ， 满 足 关 系 式 r = 2,此 时 的 r称 为 系 统 的 正 常 放 大 率 ， Z)表 示 系 统 的 光 瞳 直2.3径 大 小 ， 但 这 一 关 系 式 的 成 立 必 须 要 有 一 个 前 提 条 件 ， 那 就 是 人 眼 刚 好 能 够 分 辨 出 位 于 无 限 远 两 物 点 的 情 形 下 ， 望 远 镜 也 刚 好 能 够 分 辨 出 来 。不 同 望 远 系 统 对 各 性 能 的 要 求 也 不 同 ， 一 般 情 况 下 应 使 其 放 大 率 r的 值 满 足 关 系 式 0.210.75 ， 下 面 就 两 种 情 况 进 行 举 例 说 明 ：(1) 一 种 望 远 镜 ， 不 需 要 安 装 在 某 个 固 定 的 平 台 ， 只 需 手 持 就 可 以 进 行 观 察 。 为 了 使 系 统 的 出 射 光 瞳 直 径 较 大 ， 进 而 使 像 面 的 光 照 度 进 一 步 的 增 强 ， 则 应 使 该 系 统 的 实 际 放 大 率 值 小 于 正 常 放 大 率 。(2) 对 于 大 多 数 望 远 系 统 ， 为 了 使 人 眼 能 轻 松 地 观 察 到 被 观 测 对 象 ， 应 使 系 统 的 实 际 放 大 率 值 高 于 正 常 放 大 率 。3) 对 于 显 微 系 统 ， 我 们 应 按 照 不 同 系 统 对 各 性 能 的 要 求 不 同 ， 制 定 合 理 的 放 大 率 r的 大 小 ， 即 r的 值 不 能 太 小 ， 如 果 太 小 的 话 ， 满 足 不 了 系 统 的 设 计 要 求 ； r的 值 也 不 能 太 大 ， 因 为 太 大 是 没 有 任 何 意 的 ， 故 该 系 统 的 放 大 率 r应 满 足500NA r S 1000NA这 一 关 系 式 。3、 系 统 应 提 供 理 想 的 像 质 ， 即 具 有 较 好 的 成 像 质 量 ， 以 便 在 规 定 的 视 场 范 围 内 ， 能 够 看 清 较 小 尺 寸 的 物 体 。 但 是 ， 光 学 系 统 的 用 途 不 同 ， 对 其 像 质 的 要 求 也 不 同 。(1) 就 照 相 摄 影 系 统 而 言 ， 就 需 要 轴 上 点 以 及 不 同 视 场 的 所 有 轴 外 点 的 像 质 都 良 好 ；(2) 就 普 通 的 显 微 系 统 而 言 ， 仅 仅 需 要 轴 上 点 的 像 质 良 好 ， 望 远 系 统 也 如 此 。 总 而 言 之 ， 一 个 光 学 系 统 对 像 质 的 要 求 ， 是 与 其 具 体 的 用 途 相 关 的 。2. 1.3考 虑 可 制 造 性(1) 应 使 所 设 计 的 系 统 ， 在 某 些 特 定 环 境 下 也 能 正 常 工 作 ；(2) 应 使 所 设 计 的 系 统 成 本 费 用 尽 可 能 地 低 ； 系 统 的 外 形 尺 寸 ， 如 径 向 尺 寸 和 横 向 尺 寸 尽 也 可 能 地 小 ， 以 便 系 統 的 结 构 轻 便 、 紧 凑 。2.2光 学 设 计 方 法光 学 设 计 最 早 是 用 手 工 的 方 法 进 行 设 计 。 即 根 据 设 计 要 求 ， 利 用 光 学 设 计 理 论 知 识 ， 计 算 出 系 統 的 初 始 结 构 参 数 ， 再 通 过 光 线 追 迹 计 算 系 统 各 像 差 的 大 小 ， 然 后 根 据 系 統 的 像 差 校 正 要 求 ， 对 所 计 算 的 结 构 参 数 进 行 逐 一 的 修 改 ， 直 到 得 到 一 个 满 意 的 结 果 为 止 ， 即 使 设 计 的 系 统 满 足 设 计 要 求 。然 而 ， 纯 粹 靠 手 工 的 这 种 设 计 方 法 ， 由 于 计 算 量 过 大 ， 耗 时 特 多 ， 使 得 设 计 人 员 的 工 作 效 率 太 低 。 电 子 计 算 机 的 出 现 ， 大 大 替 代 了 繁 重 的 手 工 计 算 ， 不 但 提 高 了 科 研 人 员 的 工 作 效 率 ， 还 进 一 步 地 完 善 了 一 些 光 学 系 统 的 分 析 计 算 ， 尤 其 是 对 于 一 些 结 构 特 别 复 杂 的 系 统 。1、 根 据 技 术 要 求 ， 对 系 统 提 出 一 定 的 设 计 要 求 。(1) 确 定 的 系 统 特 性 参 数 ， 要 具 有 一 定 的 合 理 性 。 即 保 证 设 定 的 特 性 参 数 满 足 系 统 的 设 计 要 求 即 可 ， 而 没 有 必 要 要 求 太 高 ， 否 则 ， 会 导 致 系 统 的 结 构 过 于 复 杂 ， 造 成 没 有 必 要 的 浪 费 。(2) 在 计 算 的 过 程 中 ， 需 要 将 电 气 系 统 与 机 械 系 统 有 机 的 結 合 起 来 ， 这 样 就 能 使 通 过 理 论 公 式 计 算 所 得 的 特 性 参 数 与 仪 器 中 机 械 系 统 的 结 构 参 数 相 匹 配 。2、 通 过 理 想 光 学 系 统 的 成 像 理 论 ， 给 出 系 统 的 高 斯 结 构 。确 定 系 统 的 初 始 结 构 有 两 种 方 法 。 最 初 ， 人 们 用 直 接 计 算 的 方 法 ， 即 运 用 光 路 计 算 得 出 系 统 的 初 始 结 构 参 数 。 现 在 ， 人 们 不 再 用 这 种 繁 琐 的 方 法 ， 而 是 按 照 系 统 提 出 的 技 术 要 求 ， 在 光 学 设 计 手 册 或 镜 头 库 中 找 出 其 特 性 参 数 与 通 过 外 形 尺 寸 计 算 所 得 的 特 性 参 数 比 较 接 近 的 结 构 作 为 初 始 结 构 ， 然 后 运 用 光 学 设 计 软 件 中 的 make focal功 能 ， 即 自 动 生 成 焦 距 ， 将 己 有 结 构 缩 放 成 系 统 所 要 求 的 焦 距 。3、 校 正 与 平 衡 系 统 的 初 级 像 差 ， 使 系 统 的 的 剰 余 像 差 在 系 统 所 要 求 的 公 差 范 围 内 即 可 。在 选 好 系 统 的 初 始 结 构 后 ， 要 用 光 学 设 计 软 件 对 初 始 结 构 进 行 像 差 校 正 与 平 衡 。(1) 在 像 差 校 正 过 程 中 ， 应 根 据 系 统 的 使 用 要 求 对 像 差 进 行 针 对 性 地 校 正 。 即 校 正 后 的 剰 余 像 差 在 系 统 所 要 求 的 公 差 范 围 内 即 可 ， 而 没 有 必 要 把 每 种 像 差 ， 甚 至 每 种 像 差 的 所 有 带 像 差 都 完 全 校 正 为 零 。(2) 用 优 化 技 术 对 系 统 的 像 差 进 行 自 动 平 衡 ， 此 时 ， 应 避 免 提 出 的 像 差 要 求 相 互 矛 盾 ， 保 准 自 动 平 衡 正 常 运 行 。4、 光 学 图 纸 的 绘 制将 整 个 光 学 系 中 的 各 零 件 以 图 纸 的 形 式 绘 制 出 来 ， 即 确 定 出 各 个 光 学 元 件 的 实 际 口 径 大 小 ， 各 光 学 元 件 相 互 所 处 的 位 置 以 及 其 他 的 技 术 要 求 等 。制 作 这 些 图 纸 的 目 的 是 ： 能 让 厂 家 根 据 这 些 图 纸 所 提 供 的 依 据 对 光 学 零 件 进 行 合 理 的 加 工 、 装 配 、 检 验 及 校 正 等 。82.3光 学 设 计 步 骤光 学 设 计 的