紅外技術(shù)第五次課

1、 紅外技術(shù)教案 第 13頁 共 13頁第五次課第二章 紅外光學(xué)系統(tǒng)2.5 輔助光學(xué)系統(tǒng)輔助光學(xué)系統(tǒng)也稱為探測器光學(xué)系統(tǒng)，它用來提高探測器的特性。紅外系統(tǒng)可能存在下面兩個(gè)問題：1、 在多數(shù)點(diǎn)源紅外光學(xué)系統(tǒng)中，紅外輻射經(jīng)過主光學(xué)系統(tǒng)接收后，要經(jīng)過光學(xué)調(diào)制才能射到探測器上。因?yàn)榻蛊矫嫔弦胖谜{(diào)制盤，加上探測器一般有保護(hù)窗口，所以探測器一般不能放在焦平面上。探測器往后放，需要加大尺寸才能接收到全部的輻射能量，這樣就會(huì)使探測器的噪聲增大。2、 望遠(yuǎn)物鏡接收到輻射能，在焦平面上的像點(diǎn)一般較小，不能均勻地照射到探測器上。當(dāng)不同方向射來的輻射能形成的像點(diǎn)落在探測器不同位置上時(shí)，由于探測器面積上可能存在的不均勻

2、性，就可能出現(xiàn)虛假信號。輔助光學(xué)系統(tǒng)就是為用來解決上述問題而設(shè)置的。2.5.1場鏡1概念：在焦平面后安放一塊正薄透鏡，叫場鏡。2、場鏡的作用：（1）、用較小的探測器接收全部的光束。探測器安放在焦平面后面，由于光束增大，探測器面積必須增大，噪聲也隨之增大。在焦平面后安放場鏡后，邊緣光線折向光軸，減小了光束面積，用較小面積的探測器就可接收全部的光束。（2）、避免探測器光敏面響應(yīng)不均勻性產(chǎn)生假信號。如果光源不均勻，在焦平面上的照度也不均勻，如果探測器放在焦平面上，落在探測器上的照度也是不均勻的。探測器后置，添加場鏡，場鏡把邊緣光線折向光軸，使焦平面上每一點(diǎn)發(fā)出的光線都充滿探測器，這樣在探測器上的照度

3、就均勻了。（3）、場鏡能夠縮小探測器尺寸，提高信噪比。（4）、校正像面。不少物鏡的像面是曲面，曲面形的探測器難以制造。使用場鏡，可以將曲像面校正為平面，以使用平面探測器。2.5.2浸沒透鏡1、概念：紅外系統(tǒng)中常用到一種場鏡是與光敏面粘合在一起的一種半球形透鏡。透鏡的平表面用膠和探測器光學(xué)接觸，能防止全反射。這種透鏡就稱為浸沒透鏡。浸沒透鏡可以在保持視場不變的情況下，縮短系統(tǒng)焦距，從而增大系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，增加探測器上的照度，提高信噪比。2、 浸沒透鏡示意圖與參數(shù)浸沒透鏡前的介質(zhì)折射率為，浸沒透鏡的折射率為，透鏡厚度為，半徑為。軸上點(diǎn)發(fā)出的光線，折射前的頂物距，折射后的頂像距。單個(gè)折射球面是有像差

4、的，但存在某些共軛點(diǎn)沒有像差，對任意光束能成完善像。通常有以下兩種基于共軛點(diǎn)的浸沒透鏡：3、半球浸沒透鏡（1）、概念：當(dāng)物和像都在折射面曲率中心，即，這種浸沒透鏡叫半球浸沒透鏡。（2）、特性：垂軸放大率：，當(dāng)浸沒透鏡前的介質(zhì)為空氣時(shí)，則，也就是說半球浸沒透鏡可使像（或探測器尺寸）縮小倍，面積縮小倍，信噪比由此提高倍。例如Ge半球浸沒透鏡，可是探測器尺寸縮小4倍，面積縮小16倍，信噪比由此提高4倍。4、超半球浸沒透鏡（1）、概念：探測器放在比浸沒透鏡的球心更遠(yuǎn)的地方，這樣的透鏡叫超半球浸沒透鏡。物、像距滿足，的浸沒透鏡叫標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡。（2）、特性：垂軸放大率：，當(dāng)浸沒透鏡前的介質(zhì)為空氣時(shí)，

5、則，也就是說半球浸沒透鏡可使像（或探測器尺寸）縮小倍，面積縮小倍，信噪比由此提高倍。2.5.3光錐1、概念：光錐為一圓錐形（或角錐形）空腔（或?qū)嶓w），且具有等高反射率的壁，它在接收端收集光，光經(jīng)多次反射到達(dá)另一端，該處常放著探測器。光錐和場鏡、浸沒透鏡一樣能縮小探測器尺寸，增加系統(tǒng)靈敏度，是一個(gè)聚能元件。2、分類：空心光錐和實(shí)心光錐3、實(shí)際應(yīng)用探測器光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，往往把場鏡和光錐組合使用。當(dāng)尺寸不大時(shí)，還把它們一起封裝在探測器內(nèi)。光錐還很好的起到了冷屏的作用，由此大大降低了背景噪聲，提高了信噪比。2.6 光機(jī)掃描系統(tǒng)紅外探測器所對應(yīng)的紅外光學(xué)系統(tǒng)的瞬時(shí)視場往往很小，一般只有零點(diǎn)幾個(gè)毫弧

6、度或幾個(gè)毫弧度。為了使一個(gè)幾十度乘幾十度的物體能成像，可以采用兩種方法來擴(kuò)大視場：（1）、在物鏡焦平面上使用焦平面陣列器件。（2）、用單元探測器對物面做二維掃描。這種掃描往往是用機(jī)械傳動(dòng)光學(xué)掃描部件來完成，所以叫做光學(xué)機(jī)械掃描，簡稱光機(jī)掃描。光機(jī)掃描有兩種方式：物面掃描和像面掃描。物面掃描：也稱平行光束掃描，設(shè)計(jì)小視場的望遠(yuǎn)物鏡系統(tǒng)，然后讓物鏡對整個(gè)總視場以瞬時(shí)視場為單位進(jìn)行掃描取樣。其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)視場小，容易設(shè)計(jì)制造高像質(zhì)的物鏡；缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)掃描的機(jī)械裝置復(fù)雜笨重。像面掃描：又稱會(huì)聚光束掃描，就是設(shè)計(jì)一個(gè)大視場高像質(zhì)的物鏡，把總視場內(nèi)的景物成像在像面上，然后用光機(jī)掃描方法或移動(dòng)探測器的方法讓

7、探測器在像面上逐點(diǎn)采樣。其優(yōu)點(diǎn)是掃描部分簡單輕巧；缺點(diǎn)是大視場高像質(zhì)的物鏡不好設(shè)計(jì)制造。常用的光機(jī)掃描部件有一下幾種：擺動(dòng)平面反射鏡、旋轉(zhuǎn)多面反射鏡、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡、旋轉(zhuǎn)折射光楔。2.6.1擺動(dòng)平面反射鏡單就平面反射鏡來說，如果出射光線保持不變，當(dāng)鏡面轉(zhuǎn)過角時(shí)，相應(yīng)的入射光線轉(zhuǎn)角。一、平行光束掃描器（物掃描及偽物掃描）平面反射鏡用作平行光束掃描是無像差的。1、平面反射鏡作為物掃描時(shí)，其入射光線即是物方光線，鏡面轉(zhuǎn)角與物方入射光線的偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系是2、當(dāng)平面反射鏡用作偽物掃時(shí)，鏡面的入射光束就是望遠(yuǎn)鏡的出射光束，若望遠(yuǎn)鏡的角放大率為，則3、掃描效率：為觀察視場完成一次掃描所需的時(shí)間與掃描機(jī)構(gòu)實(shí)際掃描

8、一周所需的時(shí)間之比。鏡面擺動(dòng)的角度應(yīng)該根據(jù)所要求的視場角來設(shè)計(jì)，使空程盡可能小。擺動(dòng)平面鏡通常只在正程使用，回程不用，所以平面反射鏡的掃描效率一般小于50%，由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性，存在過掃描，實(shí)際的掃描效率還要低。有的系統(tǒng)將回程掃描速度加快以提高掃描效率，有的系統(tǒng)中將回程也用作掃描，但這需要在視頻信號處理或顯示方法上采取相應(yīng)的措施，使正程與回程的圖像協(xié)調(diào)一致。擺動(dòng)平面鏡是作周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閽呙铏C(jī)構(gòu)有一定的慣性，所以掃描速度不能太大。二、會(huì)聚光束掃描擺動(dòng)平面鏡常在會(huì)聚光束中作掃描器用。1、物方轉(zhuǎn)角與鏡面轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為當(dāng)很小時(shí)，近似為從上圖可見，在鏡面的基準(zhǔn)位置時(shí)，從透鏡中心到探測器的光程為，當(dāng)

9、鏡面擺動(dòng)到時(shí)，主光線向軸外偏移，相應(yīng)光程為。顯然，表面平面反射鏡用于會(huì)聚光束掃描時(shí)造成了光程差，將引起散焦。2、對掃描效率的分析與平行光束掃描器的情況相同。三、星載或機(jī)載的多光譜掃描儀中的繞水平軸旋轉(zhuǎn)的平面反射鏡。2.6.2旋轉(zhuǎn)多面反射鏡（鏡鼓）1、概念：由個(gè)矩形平面鏡組成的棱柱，可繞軸作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。鏡面寬度為，每面對軸心的張角為，外接圓半徑為。顯然，2、鏡面平移鏡鼓在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，鏡面會(huì)發(fā)生法向平移。若用于會(huì)聚光束中，這會(huì)使焦點(diǎn)位置隨旋轉(zhuǎn)角變化，引起嚴(yán)重的散焦，因此鏡鼓主要用于平行光束掃描。3、掃描效率有效轉(zhuǎn)角：物方光線的偏轉(zhuǎn)角等于視場角時(shí)，所需掃描部件轉(zhuǎn)過的角度。式中，為視場角，為鏡鼓完成一周

10、掃描轉(zhuǎn)過的角度。上面的式子表明，要提高掃描效率，應(yīng)減小，也就是增加面數(shù)，但因鏡面寬度受入射光束的限制，減小就緒要增大，所以掃描效率與入射光束寬度及鏡鼓尺寸相互制約。4、漸暈由于鏡鼓在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏡面位置要發(fā)生切向位移，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，入射光束的邊緣光線可能射不到同一鏡面上，從而不能為系統(tǒng)接收，產(chǎn)生漸暈現(xiàn)象。在平行光束掃描條件下，要不發(fā)生漸暈，鏡鼓的外接圓半徑需滿足式中時(shí)光束寬度，是鏡面處于掃描中間位置時(shí)入射光束與出射光束的夾角。由上式可知，鏡鼓有效轉(zhuǎn)角不能太接近，否則過大，但又不能比小太多，否則掃描效率太低。2.6.3旋轉(zhuǎn)折射棱鏡1、概念：旋轉(zhuǎn)折射棱鏡為2面棱柱，繞中心軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描。對于具有平

11、行界面的折射體，當(dāng)平行光束入射時(shí)，出射光束仍是平行光束且放行與入射光束相同。因此，旋轉(zhuǎn)折射棱鏡只用于會(huì)聚光束掃描。2、當(dāng)棱鏡置入系統(tǒng)后，由于棱鏡的折射將使焦點(diǎn)發(fā)生縱向（沿光軸方向）位移。當(dāng)棱鏡旋轉(zhuǎn)后，焦點(diǎn)相對于還要發(fā)生橫向和縱向移動(dòng)。橫向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描；焦點(diǎn)的縱向位移隨棱鏡轉(zhuǎn)角變化，引起散焦；由于折射率與波長有關(guān)，會(huì)有色差。3、掃描效率折射棱鏡的掃描效率與反射鏡鼓的表達(dá)式一致：4、優(yōu)點(diǎn)：用于會(huì)聚光束，尺寸可做的很小，能夠高速、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，宜用于高幀速成像系統(tǒng)。缺點(diǎn)：引入像差；掃描效率一般不高；透射系數(shù)一般比反射系數(shù)低，能量損耗相對較大。2.6.4旋轉(zhuǎn)折射光楔1、概念：一束光垂直入射到一個(gè)光楔表面，出射光對入射光的偏角在出射光與入射光對稱的情況下可表示為式中為折射率，當(dāng)較小時(shí)，近似為當(dāng)光楔垂直于它的對稱面的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，出射光將掃過一個(gè)圓錐。2、雙光楔兩個(gè)光楔