§5.3 §5.3 红外成像光学系统红外成像光学系统

红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置物像共轭位置成像放大率成像放大率一定的成像范围（一定的成像范围（视场视场））在像平面上有一定的在像平面上有一定的光能量光能量反映物体细节的能力（即反映物体细节的能力（即分辨率分辨率））

一、理想光学系统模型一、理想光学系统模型

共轴球面光学系统

理想光学系统模型

理想光学系统的物像关系

牛顿公式牛顿公式 ffxx //

/

//

f

x

x

f

y

y

高斯公式高斯公式 //

111

fll

l

l /

二、光学系统中的光阑二、光学系统中的光阑

孔径光阑、渐晕光阑、视场光阑、消杂光光阑 孔径光阑、渐晕光阑、视场光阑、消杂光光阑

孔径光阑孔径光阑

渐晕光阑 渐晕光阑

三、红外成像光学系统的主要参数三、红外成像光学系统的主要参数

焦距焦距 f′f′

决定光学系统的轴向尺寸，决定光学系统的轴向尺寸， f′f′越越 大，所成的像越大，光学系统一般也越大 大，所成的像越大，光学系统一般也越大

相对孔径相对孔径 D/f′D/f′

相对孔径定义为光学系统的入瞳直径相对孔径定义为光学系统的入瞳直径DD与焦距与焦距 f′f′之比，相对孔径的倒数叫之比，相对孔径的倒数叫 FF数数

2:1:2

12/1/ /

// fD

f

DfD

焦距焦距 f′f′、相对孔径、相对孔径 D/f′D/f′、视场、视场

相对孔径决定红外成像光学系统的衍射相对孔径决定红外成像光学系统的衍射 分辨率及像面上的辐照度 分辨率及像面上的辐照度

衍射分辨率衍射分辨率

/

/

/22.1

83.3

fDD

f

像面中心处的辐照度像面中心处的辐照度

2

2//2/ sinn

nULKE

四、光学系统的像差四、光学系统的像差

光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像统近轴区的成像被认为是理想像

实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差为像差

单色像差：单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变球差、彗差、像散、场曲、畸变色差：色差：轴向色差、倍率色差轴向色差、倍率色差

五、红外光学系统的特点五、红外光学系统的特点

反射式和折反射式光学系统应用较多反射式和折反射式光学系统应用较多为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大比较大在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。88至至 14μm14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。响。在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的

光学性能 光学性能

六、典型的红外光学系统六、典型的红外光学系统

透射式红外光学系统透射式红外光学系统

反射式红外光学系统反射式红外光学系统

牛顿光学系统

卡塞格伦系统

格利高利系统

折反射组合式光学系统折反射组合式光学系统

施密特系统

马克苏托夫系统

红 外 探测器

扫描系统扫描系统

反射镜鼓行扫描、摆镜场扫描

例：例：用凝视型红外成像系统观察用凝视型红外成像系统观察 3030公里远，公里远， 1010米米×10×10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50μm×50μm50μm×50μm，假设目标像占，假设目标像占 44个像元，则红外光学个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是 128×128128×128

元，则该红外成像系统的视场角是多大？ 元，则该红外成像系统的视场角是多大？

水平及垂直视场角：

053

19.13600

1102

300

1281050

/

3

3

21050

1030

10

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