《应用光学》-第13章

13.1概述

本书第一章就介绍了电磁波按波长分类的情况，０.４～０.７６μｍ称为可见光，这是最常使用的人眼可见的电磁波段。波长在０.７６～１０００μｍ的波段称为红外波段。红外波段通常分为四个区域：近红外（０.７６～３μｍ）、中红外（３～６μｍ）、中远红外（６～２０μｍ）和远红外（２０～１０００μｍ）。红外波段人眼不可见，但是它可以被对红外敏感的探测器接收到。例如，若用手从黑板的背面摸一下，然后将手移开，用红外热像仪对准黑板，就可以从监视器上看到手的图像，虽然手已移开，但黑板上手的余温发出的红外辐射依然存在，热像仪接收了这个辐射并把它转换成视频信号，在监视器上就形成了手的图像。红外光自１８００年被发现之后至今已逾２００年，早期发展缓慢，直至２０世纪第二次世界大战期间和第二次世界大战之后，随着军事上和航天上的需要，红外技术才得到下一页返回13.1概述了迅猛的发展。近些年来，红外技术在军事、医学、工业等领域的应用越来越广泛。例如导弹的红外导引头、人造卫星上的红外扫描仪、医学上的乳腺癌诊断仪、工业红外测温计等仪器和装置都是应用红外技术制作出来的。红外系统通常由光学接收器、光电探测器、信号处理与显示器三大部分组成，整个系统涉及大气传输特性、光电探测器件和光电转换等多种知识和技术，本章仅就红外仪器中的红外光学系统及与之有密切关系的内容作一简要讨论。上一页返回13.2红外光学系统的功能和特点一、红外光学系统的功能红外光学系统的基本功能是接收和聚集目标所发出的红外辐射并传递到探测器而产生电信号。对于红外成像系统，由于红外探测器光敏面积很小，例如单元锑化铟仅为０.１ｍｍ，在红外物镜焦距一定的条件下，对应的物方视场角极小，因此，为了实现对大视场目标和景物成像，必须利用光机扫描的方法。红外成像系统中常含有扫描元件，从而实现大视场的搜索与成像。对于红外探测系统，利用调制盘将目标的辐射能量编码成目标的方位信息，从而确定辐射目标的方位。对于红外观察和瞄准系统，除了物下一页返回13.2红外光学系统的功能和特点镜系统外，在红外变像管后面装有目镜，可以用于人眼的观察测量与瞄准。二、红外光学系统的特点（１）红外光学系统通常是大相对孔径系统。红外系统的目标一般较远，辐射能量也较弱，所以红外物镜应有较大的孔径，以收集较多的红外辐射；为了在探测元件上得到尽可能大的照度，物镜焦距应较短，这就使红外光学系统相对孔径一般都较大。（２）红外光学系统元件必须选用能透红外波段的锗、硅等材料，或者采用反射式系统。可见光学系统中使用的普通光学玻璃透红外性能很差，最高也只能透过３μｍ以下的辐射，对于中远红外区域，必须上一页下一页返回13.2红外光学系统的功能和特点采用某些特殊玻璃如含有氧化锆（ＺｒＯ）和氧化镧（Ｌａ２Ｏ３）的锗酸盐玻璃、晶体如蓝宝石（Ａｌ２Ｏ３）和石英（ＳｉＯ２）、热压多晶、红外透明陶瓷和光学塑料如ＴＰＸ塑料等，必须根据使用波段的要求和材料的物理化学性能确定所用的材料。随着红外技术的发展，目前已制造出上百种能透过一定红外波段的光学材料，但是真正满足一定使用要求、物理化学性能又好的材料只有二三十种。所以很多红外光学系统仍然采用反射元件。反射系统没有色差，工作波段不受限制，对材料的要求不高，镜面反射率可以很高，系统通光口径可以做得较大，焦距可以很长，因此许多红外光学系统采用反射式的结构。但反射式结构视场小，有中心遮拦，在有些场合也不太适用。上一页下一页返回13.2红外光学系统的功能和特点（３）红外光学系统的接收器为红外探测器。与可见光光学系统不同，它的接收器不是人眼或感光胶片，而是能接收红外信号的光敏元件，如锑化铟、碲镉汞等。因此红外系统最终的像质不能简单地以光学系统的分辨率来判定，而要考虑探测器的灵敏度、信噪比等光电器件本身的特性。对于红外光学系统，目前国外多采用点像能量分布（点扩散函数）的方法或者红外光学传递函数的方法评价成像质量。上一页返回13.3红外物镜一、透射式物镜（一）单透镜单折射透镜是最简单的折射物镜，它可应用于像质要求不太高的红外辐射计中。这种物镜一般应满足最小球差条件，球差和正弦差均较小，孔径像差较小，但不适合用于大视场。当红外工作波段宽时，色差也较严重，它适用于工作波段不宽的视场，且配上干涉滤光片使用。某红外辐射计中所用锗物镜就是一个单个弯月形物镜，与之配合的探测器表面又加入了浸没透镜，热敏电阻探测器紧贴在浸没物镜上，如图１３－１所示。（二）双胶合物镜和双分离物镜下一页返回13.3红外物镜

双胶合物镜中正透镜用低色散材料，负透镜用高色散材料，除了能校正球差、正弦差并保证光焦度外，还可以校正色差。但实际上可用的红外材料不多，通常把两个透镜分开，中间有一定的空气间隔，ｒ２和ｒ３也可以不相等，这就可以在较大范围内选用材料。通常，在近红外区采用氟化钙和玻璃，中远红外区采用硅和锗作为透镜材料。图１３－２所示为用热压氟化镁（ＭｇＦ２）和热压硫化锌（ＺｎＳ）做成的双分离消色差物镜，在３.０～５.５μｍ波段使用。这种物镜的缺点是装调较困难。（三）多组元透镜组上一页下一页返回13.3红外物镜

为了达到较大的视场和相对孔径，红外物镜必须复杂化，要增加透镜个数，并采用合理的结构型式，如图１３－３（ａ）所示的Ｇｅ－Ｓｉ－Ｇｅ三透镜组和图１３－３（ｂ）所示的Ｇｅ的四透镜组。二、反射式物镜前面说过，红外光学系统很多都采用反射式，主要原因是红外透射材料较少，选择余地不大。另外，红外系统工作波段通常较宽，用透射式物镜色差校正比较困难，而反射式物镜完全没有色差，且对反射镜本身的材料要求不高，所以反射式物镜在红外光学系统中应用广泛。但反射式物镜视场小，体积大，这是它的缺点。下面简要介绍各种类型的反射式物镜。（一）单球面反射镜上一页下一页返回13.3红外物镜

如果将孔径光阑置于球心处，轴外视场主光线通过孔径光阑中心，也就是通过球心，因此任意视场主光线均可视为光轴，各视场成像质量与轴上点相同，没有彗差、像散和畸变，但存在球差和场曲，像面为球面。实际使用中，常将球面镜本身作为光阑位置，各种单色像差均会存在，当视场加大时，像质迅速变坏。因此，它适合于视场较小、相对孔径较大的情况。（二）单非球面反射镜常使用的是二次曲面反射镜，由二次曲面方程知，二次曲面镜都有两个焦点，它们之间是等光程的，视场不大时可以得到较好的像质。常用的单非球面反射镜有抛物面反射镜、双曲面反射镜、椭球面反射镜和扁球面反射镜等。上一页下一页返回13.3红外物镜

（１）抛物面反射镜。将方程决定的扫描线绕其对称轴旋转一周即形成抛物面。图１３－４所示为它的截面。平行光轴入射的轴向光束成像在抛物面的焦点，小视场成像优良，比球面反射镜要好得多，但抛物面加工比较困难。当球面反射镜不能满足要求时，常使用抛物面反射镜。图１３－４所示为常用的两种抛物面反射镜：图１３－４（ａ）中光阑位于抛物面焦面上，球差和像散为零，像质较好；图１３－４（ｂ）为离轴抛物面镜，焦点在入射光束之外，放置探测器较为方便。离轴抛物面镜应用较多，例如传递函数测定仪中使用的平行光管物镜许多为离轴抛物面镜，在红外光学系统中多使用抛物面镜与另一反射镜的组合，下面将要提到。上一页下一页返回13.3红外物镜

（２）双曲面反射镜。双曲面反射镜是由方程的两根双曲线中的一根绕对称轴ｘ旋转一周而成的，取其一部分即为回转双曲面，如图１３－５所示，其两个焦点之间等光程（３）椭球面和扁球面反射镜。将椭圆方程的轨迹绕长轴旋转一周，得到回转椭球面，如图１３－６（ａ）所示。椭球面的两个焦点之间等光程。椭圆曲线绕短轴旋转一周，得到回转扁球面，如图１３－６（ｂ）所示。扁球面一般利用凸面，很少单独使用。上一页下一页返回13.3红外物镜

双曲面镜、椭球面镜和抛物面镜都可以单独作为一个物镜使用，但用在不同的情况下。如前所述，抛物面镜是把无限远发来的平行光轴的光线汇聚在其焦点上；椭球面镜是把一点发出的光束汇聚到另外一点；而双曲面镜则是把汇聚到一点的光束再汇聚到另外一点处。尽管使用情况不同，但它们都是利用二次曲面均有两个焦点及二者之间等光程、无像差的特点。（三）双反射镜系统双反射镜系统由两面反射镜组成，其中大的为主镜，另一块小的为次镜。较常用的有牛顿系统、格里高里系统和卡塞格林系统。这些系统在第九章望远镜和显微镜中已作过介绍，这里不再赘述。上一页下一页返回13.3红外物镜

三、折反射系统折反射系统在第九章中也介绍过，如施米特物镜、马克苏托夫物镜和同心系统。在红外光学系统中也有时会用到类似马克苏托夫物镜的曼金物镜，如图１３－７所示。曼金折反射镜是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的。弯月形物镜也是用来校正球面反射镜的像差，主要是球差和彗差，但色差较大，有时为了校正色差，常把弯月物镜做成双胶合消色差物镜。上面介绍了各种红外物镜，从设计角度看，红外物镜的设计与可见光光学系统没有本质的区别，但在设计折射式和折反射式物镜时，要特别注意光学材料的选择，因为透镜系统的像差和色差与材料的上一页下一页返回13.3红外物镜

折射率ｎ及色散有关，不同材料对不同波段有不同的透过率，这些都要精心考虑，设计时要参考有关的材料手册，本书不做专门介绍。还有，红外系统还存在冷反射的问题，即被冷却的探测器在系统中经过各种表面的反射，还有可能成像在像面附近，影响了系统的质量，必要时也应该进行冷反射的计算。上一页返回13.4辅助光学系统一、场镜在可见光系统中，场镜是经常用到的，特别是光路很长的情况下，不使用场镜，系统的体积就会很大，或者有较大的渐晕。场镜通常加在像平面附近，它是在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束的位置。在红外光学系统中场镜经常应用。在大多数红外辐射计、红外雷达系统中，需要在光学系统焦平面上安放调制盘，探测器放在焦点附近，这样在探测器上接收的光束就要增大，或者说探测器就要加大，如在焦后放一场镜，使全视场主光线折向探测器中心，就可以用较小的探测器接收整个光束，且整个探测器照度均匀，如图１３－８所示。下一页返回13.4辅助光学系统

二、光锥光锥为一种空心圆锥或由一定折射率材料形成的实心圆锥。光锥内壁具有高反射率，它的大端放在光学系统焦平面附近，收集光线并依靠光锥内壁多次反射传递到小端，小端口放置探测器，这样就可以用较小尺寸的探测器收集进入大端范围的光能。实心光锥光线传播情况如图１３－９所示。实际使用中也采用场镜与光锥的组合结构。如图１３－１０所示，图（ａ）为空心光锥加场镜，图（ｂ）为将场镜与实心光锥做成一体。来自物镜的大角度光线先经场镜汇聚再进入光锥大端，将减小进入光锥的入射角，或者说组合结构的临界入射角将高于单个光锥的临界入射角，有利于收集更大范围内的光能。上一页下一页返回13.4辅助光学系统

三、浸没透镜浸没透镜是黏结在探测器表面的高折射率球冠状透镜。前表面为球面，后表面为平面，平面与探测器表面光胶或黏接，如图１３－１１所示。它与高倍显微镜中的浸液物镜类似，浸液物镜是将标本浸在高折射率液体中，提高了物镜的数值孔径ＮＡ值，使更多的光能进入物镜，提高了像的照度和分辨率。红外系统探测器前加入的浸没透镜一般用Ｇｅ、Ｓｉ等高折射率红外材料做成，它可以有效地缩小探测器的尺寸，从而提高信噪比。浸没透镜的加入改变了光线进行的方向，像的位置发生了变化，如图１３－１２所示。加入浸没透镜前的像点位置Ａ和加入浸没透镜后的像点位置Ａ′之间应该满足共轭点方程式。由于浸没透镜的后表面与上一页下一页返回13.4辅助光学系统

探测器黏接，所以浸没透镜的成像可以看作是单个折射球面成像问题。如图１３－１２所示，设球面半径为ｒ，浸没透镜厚度为ｄ，球面顶点到Ａ和Ａ′的距离分别为物距Ｌ和Ｌ′，可以写出单个球面折射的物像关系式式中，物方折射率ｎ＝１，像方折射率ｎ′＝ｎ，像点要成在浸没透镜的后表面即探测器表面处，所以Ｌ′＝ｄ，上式可写成上一页下一页返回13.4辅助光学系统

根据垂轴放大率公式又可写出联立上面两式，消去Ｌ，即得到浸没透镜结构参数和放大率的关系式或单个折射球面一般是有像差的，适当选择共轭点位置可以消除宽光束小视场的像差。但实际上还是要考虑和主光学系统像差的匹配，使包括浸没透镜的整个系统达到最好的校正。上一页返回13.5典型红外光学系统一、红外测温光学系统我们知道，温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射，红外辐射特性与物体表面温度有着密切的联系，所以，测定物体的红外辐射特性就可以准确地确定物体表面温度，它在工农业生产中，例如在炼钢生产、机械加工等领域内应用很广。红外测温依据不同的测量原理分成不同类型，如全辐射测温、亮度法测温、双波段测温等，但各类测温方法所采用的光学系统有许多共同之处。图１３－１３给出的就是一个红外测温仪光学系统的实例。图１３－１３中２为主镜，３为次镜，目标光线通过双反射系统主镜、次镜的反射后，经分光片４分成两路，反射红外光通过调制盘７成像在Φ０.６ｍｍ的硫化铅器件上，透射的可下一页返回13.5典型红外光学系统见光成像在分划板５上，人眼通过目镜６进行观察、瞄准。主镜与次镜的间隔可在－７４.７１～－５５ｍｍ的范围内调节，以保证距离在５００～５０００ｍｍ内的目标能被准确地瞄准与测温。系统成像质量要求不高，所以主光学系统采用双反射球面系统，有利于降低成本，观察系统采用简单的冉斯登目镜，两凸面半径相同，具有良好的工艺性。二、红外跟踪光学系统红外跟踪系统是接收远距离目标的红外辐射并跟踪其位置的系统。它采用调制盘或多元探测器进行扫描，产生目标位置的误差信号，由此误差信号驱动伺服系统使仪器不断修正方向对准目标。它主要用于导上一页下一页返回13.5典型红外光学系统弹和飞行器的制导等军事方面。下面给出一个双反射主系统和光锥、浸没透镜组合的红外跟踪系统的实例。如图１３－１４所示，主系统采用卡塞格林系统，主镜为抛物面，次镜为双曲面，主系统焦平面位于主镜之后，光线先经主镜反射，再经次镜反射，最后由主镜中间的洞中穿出到达焦平面。焦面上安置可绕ＡＡ′轴旋转的调制盘。该系统采用４ｍｍ的硫化铅器件，工作波长为１～３μｍ，中心波长为１.８μｍ，相对孔径为１∶１.４５，视场角２ω＝±１.５°，主系统焦距为ｆ′＝３３４ｍｍ。由于相对孔径很大，焦平面尺寸也较大，为了使光线聚焦到尺寸较小的探测器表面上，该系统采用了空心光锥和浸没透镜，硫化铅元件用高折射胶直接胶黏在浸没透镜后表面中心。浸没透镜采用锗材料，保护窗口采用ＨＷＣ２１红外玻璃材料。上一页下一页返回13.5典型红外光学系统三、热成像光学系统红外热成像系统是收集目标上各点的红外辐射，经光电转换，使光信号变成模拟电信号，再经处理，最终在监视器上显示出目标的空间图形，虽然它反映的是目标各点温度的差异，但与可见光景物十分相似。由于它反映了目标各部分的热分布和各部分发射本领的差异，所以可根据所成的热像分析目标各部分的状况，如医用热像仪可据此判断局部的病变。热像仪大体可分为工业热像仪和医用热像仪两大类，它们原理是一样的，只不过工业热像仪的空间分辨率和热分辨率一般要求低