毕业设计（论文）长波广角地平仪镜头的光学设计.doc

《毕业设计（论文）长波广角地平仪镜头的光学设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）长波广角地平仪镜头的光学设计.doc（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、编号20151121151本科生毕业设计（论文）长波广角地平仪镜头的光学设计Optical Design of Long Horizon Wide-angleLens学 生 姓 名专 业光电信息工程学 号指 导 教 师向阳分 院光电工程分院2015年 6 月摘 要其工作的波长范围为1016um，全视场角为135。它采用了非球面镜型式的反远心光路镜头结构，仅有三块非球面锗透镜构成。能够很好地解决长波广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题。此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大，成像质量接近于衍射极限，在 20lp/ mm空间频率处的调制传递函数值超过0.6，像高与视场角关系偏离线性的相对误差不

2、超过15%。光学系统的成像质量直接影响测量精度，凝视式地平仪的光学系统不同于扫描式地平仪，后者只要求对瞬时小视场成像，通过机电扫描获得地球图像，而前者则需将整个地球成像在焦平面阵列上，要求光学系统在大视场内具有好的像质。关键词：地平仪 长波红外 广角镜头 光学设计 非球面ABSTRACTThe wavelengths of it is 1016um， all the field is 135 degrees angle. It is the Anti-telecentric which adopts the structure of “one was” pattern. It only mad

3、e of three disspherical germainium lens. It is a god solution to correct the outside wide-angle lens and the uniformity of pictures. The len has a simple structure, and its size is very small. The quality of work is approaches to the limit of diffraction. The modulation of transmiting function at 20

4、lp/mm is more than 0.6, the error of the high angular relations with the game from linear relative does not exceed 15%.The imaging optical system directly affects the quality of measurement accuracy, gaze-type optical system is different from the earth sensors scanning earth sensors, which requires

5、only a Small Field of the instantaneous image, scanned image of the earth through the mechanical and electrical, while the former zexu imaging the entire planet focal plane arrays require a large field of view optical system with good image quality。Keywords: Earth Sensor Long-wave Infrared Wide-angl

6、e Lens Optical Design Non-spherical 目 录第一章 绪 论11.1 课题背景和研究意义11.2发展现状21.3本文内容3第二章 地平仪和红外基础知识42.1 地平仪的作用42.2地平仪的原理42.3红外光谱52.4绝对黑体52.5红外线相对可见光的优点52.6红外材料及本次系统材料的选择5第三章 物镜及相关知识73.1反射式物镜73.2 大视场大相对孔径长波红外物镜73.3 大相对孔径长波红外广角物镜83.4 红外成象三片分离物镜103.5 成像物镜113.6 全反射红外物镜11第四章 光学设计134.1设计思想134.1.1初始数据的选择134.1.2相关数

7、据的确定134.2系统要求和主要参数144.2.2相对孔径-154.2.3视场角-154.2.4畸变154.2.5调制传递函数-MTF154.3系统优化理论164.3.1像差自动校正的基本原理164.3.2 红外系统的优化204.3.3系统像质评价21第五章 结论与展望255.1结论255.2展望25第一章 绪 论1.1 课题背景和研究意义红外热成像技术一直是人们很关注的研究课题，它运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以看到物体表面的温度分布状况。广泛用于军事和民用各

8、个领域，如地球资源、空间防卫、致导和反导导弹、夜视搜索、火控系统、侦查火灾、交通运输、消防安全、无损检测、检查故障、鉴定真伪等。目前处于发展阶段的第二代热成像技术基于大面阵焦平面，并有向非致冷型的趋势发展。非致冷红外焦平面热成像在重量、体积、功耗、可靠性、价格等方面与致冷型相比都具有明显的优势。由于它不需要致冷，不再需要可靠性差、价格高的制冷机，不再需要冷屏光栏;由于焦平面集成规模的不断扩大，用电子扫描代替机械扫描机构己成为现实，因此，随着非致冷焦平面热成像系统性能的提高，已经成为最具竞争力的热成像系统之一。随着红外技术的不断发展，对红外光学系统的要求愈来愈高。如焦平面技术及红外电荷藕合器件(

9、IRCCD)的应用，要求光学系统短焦距、大视场及小型化。因为IRCCD器件具有光谱范围广、灵敏度高、分辨率高、自扫描、无畸变等特点，它要求光学系统在相应方而与其很好匹配。IRCCD为平而器件，几乎没有图象畸变，所以要求光学系统在校正象差过程中要严格控制畸变和象散，严格控制系统的后截距IRCCD的高灵敏度及宽光谱范围则要求光学系统中无光束遮挡及渐晕，并要很好的消除杂散光，以使象平而照度均匀。以往，由于可供选择的高性能红外材料有限，所以红外光学系统多选用反射式或折一反式系统。但反射系统不能满足大视场、大孔径成象要求。近年来，广泛应用高折射率、低色散的晶体材料来设计制造各类折射物镜，其中用两块正透镜

10、和一块负透镜组合而成的三片分离物镜被证明是一种结构简单、性能良好的红外物镜，它可满足大视场、大孔径、高象质红外成象要求。红外地平仪利用红外热敏探测器在空间扫描的视场扫入和扫出地球边缘时，感到的红外地球辐射相对于空间背景辐射的变化来确定地平位置，由此确定卫星姿态。圆锥扫描红外地平仪已成功应用于多颗卫星上，虽然取得了成功的应用，但也有很多不足之处其重量、体积、功耗较大，占用了较多的星上资源。光学系统的成像质量直接影响测量精度，凝视式地平仪的光学系统不同于扫描式地平仪，后者只要求对瞬时小视场成像，通过机电扫描获得地球图像，而前者则需将整个地球成像在焦平面阵列上，要求光学系统在大视场内具有好的像质。本

11、文介绍适用于凝视式地平仪的光学系统设计。首先，给出其技术性能指标和设计思想;然后，给出设计结果、像质评价和公差分析结果。1.2发展现状从60年代中叶开始，红外探测器系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。在最早的时候是用作单元探测器，为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n（开平方）倍，n为元数。如果多元线列探测器平行扫过(平扫)目标时，则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。现在，红外探测

12、器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。红外热成像仪是一种最有发展前途的设备，代表着夜视器材的发展方向，它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。目前，长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达64080元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达25656元，预计到2000年可达到百万元。2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。早期的红外探测器通常工作在近红外。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外，例如，美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划，目的是为了提供一种安全有效地探测地雷的方法。该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪，这是一

13、种红外传感器，它已在直升机上进行了近、中波段的试验，下一步计划把工作波段延伸到远红外。远红外已经成为科学家们关注的重点。3.轻小型化。非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。采用低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具有良好的性能，但它也使红外探测器体积大、成本高。为了实现小型化，必须减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。如采用非致冷工作的红外焦平面阵列技术，不仅可使系统成本降低2个数量级，而且可以使体积、重量和功耗也将大大减少。此外，利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，可使红外探测器与具有一定数据处理能力的

14、数据处理设备相结合，使其轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能，实现对室温目标的探测。4.红外探测系统从单波段向多波段发展。正如前面所述：在大气环境中，目标的红外辐射只能在13、35和813微米三个大气窗口内才能有效地传输。如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种的需要。目前，多波段的红外探测系统已经研制成功，如法国和瑞典联合研制的博纳斯末敏子弹药，就采用了多波段红外探测系统探测目标。在红外技术的发展中，需要特

15、别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件。 1.3本文内容第一章集中介绍了红外地平仪的研究背景，意义，反正历程及本次研究目标第二章主要描述了有关红外和地平仪的一些基础知识，以及红外材料和红外材料的选取第三章具体介绍了物镜的种类与物镜的优缺点第四章光学设计第五章结论及发展前景的展望本次

16、论文目的要求：根据光学系统焦距、视场、相对孔径等数据转化成ZEMAX中的结构数据，并用ZEMAX进行优化设计，得出光学系统最终的结构。在确定系统结构之后，对系统合理地分配公差、作误差分析。第二章 地平仪和红外基础知识2.1 地平仪的作用 地球是一个扁率很小的球体，赤道半径与极地半径之比为297比296，相当于一个直径为三的球体，其横向与纵向尺寸只差为一厘米。地球的平均亮温为247K，而作为地球背景的太空相当于一个4K的黑体，因此从外层空间看地球，是一个冷背景上的灼热圆盘，此圆盘的边缘叫做地平圆。随着空间观察点到地球的距离不同，地平圆的大小将发生变化。红外地平仪的任务是测量卫星相对于局地垂线的姿

17、态偏差，得出误差信号，把误差信号处理后使服务器系统动作，改变飞行姿态，使卫星保持俯仰轴和滚动轴的姿态稳定2.2地平仪的原理为了在飞机上测量其姿态，必须在机上建立一个地垂线或地平面基准。摆具有敏感地垂线的特性，但受加速度干扰时会产生很大的误差。地平仪以陀螺仪为基础，用摆式敏感元件和力矩执行元件所组成的修正装置对它进行修正，使自转轴精确而稳定地重现地垂线。液体开关是现代地平仪常用的一种摆式敏感元件。它是具有摆的特性和电路开关特性的气泡水准仪。密封容器内装有特殊导电液体并留有气泡，还装有相互绝缘的电极。液体开关感受陀螺自转轴相对地垂线的偏差，并将它变成电信号送至相应的力矩电机，产生修正力矩，使自转轴

18、再现地垂线。修正速度一般为几度每分钟。由于缓慢修正，当飞机加速度干扰引起液体开关的液面倾斜时，在短时间内错误修正仅引起自转轴偏离地垂线一个很小的角度。而且，当飞机线加速度或盘旋角速度超过一定值时，会自动切断相应的修正电路，以消除错误修正，提高抗干扰能力。仪表起动前陀螺自转轴处于随意位置，为使自转轴快速重现地垂线，起动时可加大修正力矩或靠锁定装置把自转轴锁在地垂线方向上。陀螺外环轴平行于飞机纵轴安装。飞机俯仰或倾侧时，仪表壳体随之转动，而陀螺自转轴仍然重现地垂线，通过指示机构中飞机标志相对地平线的位置，直观而形象地显示出飞机的姿态。为了防止俯仰角为90时外环轴与自转轴重合而使陀螺仪表失去正常工作

19、条件，歼击机地平仪中增设了随动环，将陀螺转子和内外环都安装在随动环上，而随动环轴平行于飞机的纵轴安装。飞机作任何姿态的机动飞行，随动环都能保正自转轴、内环轴和外环轴三者正交，从而使俯仰角和倾侧角的显示范围均可达到360。2.3红外光谱首先我们要知道什么是红外光谱，由于物体内部带点粒子的不断运动，当物体具有一定温度时，就不断的辐射出电磁波，我们通常把电磁波谱中，间隔为0.76到1000微米的区域叫做红外光谱区。通常我们把红外光谱分为四个区域：近红外（0.76到2.5微米），中红外（3到6微米），中远红外（6到20微米），远红外（20到1000微米），在0.76到20微米之间有三个大气窗口：2到2

20、.6微米，3到5微米，8到14微米。在大气窗口内，大气对红外线的吸收甚少，在大气窗口外，大气对红外线几乎是透明的。2.4绝对黑体能够完全吸收入射辐射，并且具有最大辐射率的物体叫做绝对黑体。绝对黑体是一个理想的概念，在自然界并不实际存在，但是用人工的方法却可以制作尽可能接近绝对黑体的辐射源。从绝对黑体模型，我们可以理解为什么白天从街上看远处房子所来的窗子是黑的。因为窗的大小与房间大小相对要小的多，因此即使房间内的墙壁刷成白色，对可见光的放射很强，但是由窗入射的可见光经室内多次反射后，只有极小部分能由窗口反射回街上。而处于常温下的房间的房间所辐射的光大部分是眼睛看不见的红外光，因此看起来总是 黑的

21、。2.5红外线相对可见光的优点首先，波长较大，容易发生衍射现象，可以穿过云雾和烟尘；其次，红外线有较强的热效应，可以用来红外加热；再次，任何物体都在不停的发射红外线，可应有到夜视仪技术；最后，红外线发射的强度与物体的温度有关，具有广泛应用。2.6红外材料及本次系统材料的选择 对于红外光学材料的选取应该考虑以下主要性能：（1）光谱透过率及其随温度的变化，（2）折射率和色散及他们随温度的变化，（3）机械强度和硬度，（4）抗腐蚀，防潮解能力，（5）密度，（6）热导率，（7）热膨胀系数，（8）比热，（9）弹性模量，（10）软化温度和熔点，（11）自身辐射特性，（12）可能纸杯的样品尺寸，（13）价格等

22、。对于纯的晶态材料，若不考虑杂质吸收的话，其投射短波取决于电子吸收。即引起电子从价带激发到导带的光吸收。在晶格结构类型相同的情况下，平均原子量越大，则声子吸收出现的波长越长，材料的红外投射长波截止波长也越长。对于金刚石，锗，硅等具有金刚石结构的晶体，由于在红外区域没有活跃的一次谐波晶格震动，高次谐波吸收也较弱，因而是一类透过率较高，透射波段也较宽的优秀的红外光学材料，使用的也最普遍。折射率和色散是红外光学材料的另一个重要特性。首先，折射率与反射损失密切有关，折射率越大，反射损失越高。其次，对于不同用途，对折射率有不同要求。有时，为了消色差或其他像差，不但需要使用不同折射率的材料作符合透镜，而且

23、对色散也有一定的要求。根据以上的计算分析，故选用锗作为材料，因为锗在10到16um的波长范围内，具有极好的投射性。其在10um,13um,16um处的折射率也大大高于传统玻璃的折射率。有利于校正各种相 差。且锗在规定波长内折射率随波长的变化很小，对于本次设计的短焦距光学系统，色差的影响可以忽略不计。第三章 物镜及相关知识3.1反射式物镜 由于两个原因，目前红外光学系统的物镜大多都是反射式的：（1）能满足各种物理上，化学上，机械上的性能要求的透过波段较宽的红外投射材料不多；（2）通常的红外工作波段比可见波段宽的多，透射式光学系统色差很大，然而可供选择作消色差透镜的红外光学材料很少，消色差透镜不易

24、设计制造，为了减小色差，常采用反射式物镜，因为反射式系统是没有色差的。反射式物镜分为但反射镜和双反射镜，其中双反射镜系统由两面反射镜组成，其中大的叫做主镜，小的叫做次镜。次镜为凸镜的叫卡塞格伦系统，这种系统的次镜放在主镜焦点之内。次镜的横向放大率是负的，整个系统的焦距是正的。次镜为凹镜的叫做格里高里系统，这种系统的次镜放在主镜焦点之外，次镜横向放大率是正的，整个系统的焦距是负的。3.2 大视场大相对孔径长波红外物镜用于长波红外的光学系统有反射式和透射式光学系统两大类.虽然反射镜在红外波段具有高反射率，且无色差，但随着视场角的增大，反射系统的中心遮拦增大，将严重影响辐射能量利用率.因此，对于大视

25、场系统，一般不宜使用反射光学系统;同样，折射反射系统也不合适。适用于大视场的折射式光学系统主要有双高斯结构和反远结构，双高斯镜头具有相对于孔径光栏对称的结构，利于校正像差，但其主光线的出射角与入射角基本相同，随着视场角增大，像面的辐照度快速下降，即使用几何渐晕和像差渐晕方法，也只能减缓像面辐照度的下降。对于反远结构，可设计成像方远心系统，即轴外主光线垂直于像面，并且后截距长于有效焦距，便于在像面之前插入滤光片和分束器等光学元件，满足各种不同的使用场合.这种结构的缺点是，后透镜组的光焦度较大，增大了校正像差的难度，但可通过复杂化后透镜得以解决.这类系统已较多地用于可见光波段的大视场光学系统。在长

26、波红外波段，通常锗是首选的透镜材料，除具有较高的透过率外，其折射率高，略大于4，且折射率随波长的变化很小.有利于减小光学元件的表面弯曲程度和光线的偏向角，因而与同样光焦度的可见光光学系统相比，像差较小，易于校正.由于材料色差很小，当元件口径不大时，可不考虑色差的影响.锗材料的这些特性，均有助于简化光学系统结构，克服由于材料吸收引起的辐射能量损失。随着光学系统视场和口径的增大，其高级像差将明显增大，以致必须复杂化光学系统才能使设计满足要求，而在长波红外波段必须考虑锗材料的吸收和成本，因此，应尽可能减少光学元件数量和减小厚度.合理使用非球面，能有效地校正和平衡初级、高级像差，减少和减轻光学元件。3

27、.3 大相对孔径长波红外广角物镜相对口径大可以获得高的分辨率和强的辐亮度，但是，随着相对口径增大，轴上点的像差(即球差)增大，以致难于校正，相应地将导致结构形式复杂化。视场愈大，轴外初级和高级像差增大，高级像差在像差中所占比重增大，给平衡像差造成困难;另一方面，随着视场的增大，需要注意克服像面照度的不均匀性问题，因此，研究轴外像差的校正和像面照度的补偿是设计大视场物镜的两个关键问题。（1）结构选型与可见光波段一样，长波红外波段也可以采用折射或反射光学系统，但是，随着视场增大，反射光学系统的中心遮拦增大，以致严重影响能量利用率，因此，对于大视场、大相对口径情况，采用折射式光学系统较为合理。尽管红

28、外光学材料已有了很大的发展，种类也不少，但具有较强机械性能，并能得到一定尺寸，理化性能稳定的可适合于工程应用的透射材料并不多，主要是单晶锗(Ge)、单晶硅(Si)及其多晶材料。硅的长波透射限为15um，折射率约3.4。锗的折射率为4，并且在长波红外波段，折射率几乎随波长不变，长波透射率从15um开始下降，直到25um截止。为了校正轴外像差，几乎所有的超广角(全视场角大于900)物镜都采用弯向光栏的对称型结构，如图1所示。对称性使垂轴像差自动得到校正，通过引入无光焦度透镜组，可校正球差和色差。存在的主要问题是像方视场角与物方视场角近乎相等，即使利用像差渐晕方法，也很难使像面的照度分布均匀。图3.

29、1对称结构 图3.2反远距结构适用于大视场情形的光学系统是反远距物镜，由分离的负、正透镜组构成，如图2所示，前组具有负光焦度，后组具有正光焦度。入射光束经过前组发散和后组会聚后，聚焦于焦平面F，其后工作距离可以大于焦距。反远距系统中，像方视场角随前、后组光焦度的分配而变化，前组对后组的光焦度之比值越大，像方视场角越小。如果将孔径光栏置于正光焦度后透镜组的前焦面上(如图2中所示)，形成像方远心光路，能够较好地解决像面照度的均匀性问题，在没有渐晕的条件下，整个像面上的照度均匀分布，因此，选用反远距物镜结构。（2）像差校正考虑：光束经反远距物镜前组发散后，在后组处具有较大的入射高度，产生较大的初级和

30、高级轴上像差。根据在引起像差处进行校正的原则，在孔径光栏处，可利用一块正透镜的表面曲率半径和非球面系数校正初级和高级轴上像差。上述反远距物镜的孔径光栏远离前组，轴外光束具有较大的入射高度，产生较大的初级轴外像差和高级轴外像差，前组产生的轴外像差力求由本身解决，剩余的量可以由后组补偿，同样可以采用非球面前组透镜，消除或平衡像差。由于负光焦度前组的发散作用，后组的视场角已经有所减小，考虑到前组的剩余像差，后组宜采用不对称的结构型式。由于锗材料在长波红外波段的折射率随波长变化很小，可以不考虑色差的影响，因此，有待校正的初级像差共五种，即:球差、彗差、像散、畸变、场曲。能够用来校正初级像差的光学系统结

31、构参数包括曲率半径、二次非球面系数及透镜间距，考虑到总光焦度要求，一般需要扣除一个参数，故可用来校正初级像差的自由参数为3N-2，其中N是所用透镜数，并且考虑到对于薄透镜，双非球面和单非球面是等价的。因此，需要3块透镜才能完全校正初级像差。其结构如下图： 图3.3不对称结构物镜结构图3.4 红外成象三片分离物镜随着红外技术的不断发展，对红外光学系统的要求愈来愈高。如焦平而技术及红外电荷藕合器件(IRCCD)的应用，要求光学系统短焦距、大视场及小型化。因为IRCCD器件具有光谱范围广、灵敏度高、分辨率高、自扫描、无畸变等特点，它要求光学系统在相应方而与其很好匹配。IR-CCD为平而器件，几乎没有

32、图象畸变，所以要求光学系统在校正象差过程中要严格控制畸变和象散，严格控制系统的后截距。IRCCD的高灵敏度及宽光谱范围则要求光学系统中无光束遮挡及渐晕，并要很好的消除杂散光，以使象平而照度均匀。以往，由于可供选择的高性能红外材料有限，所以红外光学系统多选用反射式或折一反式系统。但反射系统不能满足大视场、大孔径成 象要求。近年来，广泛应用高折射率、低色散的晶体材料来设计制造各类折射物镜，其中用两块正透镜和一块负透镜组合而成的二片分离物镜被证明是一种结构简单、性能良好的红外物镜，它可满足大视场、大孔径、高象质红外成象要求。本文不是从正常的对称式系统半部系统设计入手，而是把二片分离物镜作为一个整体，

33、首先从校正若干初级象差要求出发，求解物镜的初始结构参数，在此基础上进行实际象差的校正。然后考虑初级场曲系数S对高级象差的影响，根据高级象差的变化规律来确定最佳结构参数。实践证明，采用这种设计方法很快就能得到满意的结构参数。 二片分离物镜系统的全部结构参数为六个曲率半径、二个透镜厚度、两个空气间隔和二种透镜材料。其中透镜的厚度对象质影响较小，透镜材料由于受工作波段和材料加工性能等方而的限制，一般可选用的品种也较少。因此，作为校正象差的变量只有六个曲率半径和两个空气间隔。除对物镜的焦距要求外，还能校正7种象差。把二片分离物镜近似当作一个薄透镜系统，其光路原理如图所示图3.4三分离物镜结构图3.5

34、成像物镜视场：物镜本发明关于一种成像物镜，从物体侧至成像侧依次包括:第一透镜群，具有焦距F1，包括正的第一透镜组和负的第一透镜组，其中第一透镜组对应的焦距为Fla，而第二透镜组对应的焦距为Flb，并且第一透镜组可用于对焦;第一透镜群，其为变倍群，具有焦距F2;第二透镜群，其为补偿群，具有焦距F3，并可确保第二透镜群的像点在其焦距F3内;及第四透镜群，具有焦距F4。第一、第二、第三和第四透镜群共同组成一个有限共辘变倍系，并且整个成像物镜具有负焦距。其结构如下图所示：图3.5成像物镜结构图3.6 全反射红外物镜探测器阵列技术的发展拓宽了红外技术的应用领域。为了对微弱目标进行探测需要采。 用全反射红

35、外光学系统以保持光能量的高传输率。 与折射物镜相比，全反射物镜具有以下优点: 原理上无色差。对于红外成象系统，消色差光学系统往往受可选光学材料的限制。此外，由于反射式光学系统的象差不受波长的影响，可以用可见光光源和可见光CCD探测器代替红外光源和探测器进行安装调试，这样比使用红外元件要容易进行。系统透过率高。折射系统光能反射和吸收损失较高，而反射镜镀膜后均具有很高的反射率。对镀金的金属反射镜，反射率几乎为100 %。此外反射物镜可通过设置与光路不垂直的反射面，从而减少冷反射效应。正因为全反射光学系统有以上优点，因此在某些红外应用领域得到了广泛的运用，特别是在红外天文学方面，用于对微弱天文目标的

36、探测。第四章 光学设计4.1设计思想4.1.1初始数据的选择卫星在绕地球飞行时，需要在不同方向上不断的观察地球地平，以测量卫星的姿态偏差，这样就需要寻找一种全球规模的大气系统的地球圈模型，他应具有以下特性：（1）足够高的辐射强度，且处处相等。（2）距离地球的地理地平是等高的。（3）地平空间背景边界具有陡的辐射梯度。（4）不易受其他辐射干扰。初期，为了避免地物和云层所反射的太阳光的影响，选用8到14微米地球自身辐射大气窗口作为红外地平仪的工作波段，但是地球上空的冷云严重的干扰地球的射出辐射，产生很大的姿态检测误差，因此用地球本身的热辐射作为地平辐射是不妥当的，应寻找一种等效辐射层，其高度在云层之

37、上，辐射峰值不在8到14微米之间，这种辐射层就是峰值在15微米的二氧化碳气体。二氧化碳在地球大气层中的混合比是恒定的，约为百分之0.032，不随高度变化。二氧化碳在15微米附近的14到16微米波段有强烈吸收带，按照基尔霍夫定律，一个好的吸收体，也是一个好的辐射体，因此，用14到16微米的二氧化碳辐射带作为地平辐射是比较理想的，这样的地平仪可以在云层上敏感的地平圈，避免冷云和不稳定的地球辐射的影响。根据大气层外的地球红外辐射谱和探测器的光谱效应，以及设计要求，选择工作波长的设计范围为10到16um，光学镜头视场角选为135，根据实验要求，像高8mm焦距8mm，入瞳孔径8.54mm，工作距离15.

38、4mm。4.1.2相关数据的确定 众所周知，广角镜头通常纯在很大的畸变，在实际设计过程中，通常将视场角和像高设为定值，允许焦距随系统优化变量改变。光学镜头的F/#影响光学系统的通光能力，传递特性和像差校正的难易。从结构来看，为了充分发挥探测系统的分辨能力，像平面内的瑞利距离d应小于像元大。从光学传递函数一面来看，为了保证最终获得的图像具有足够好的像质，通常要求光学系统在探测器李奈奎斯特频率处的MTF值大于0.5。也就相当于探测器的奈奎斯特频率fn要小于衍射受限光学系统截止频率的0.4倍。但是这样便面临一个问题，F/#越小，像差越难校正。所以，面对这个问题，通常的镜片已不能满足要求，这边要求我们

39、合理的运用非球面方面的知识。因为非球面可以有效的校正大视场，大相对孔径系统的像差，使其成像性能接近于衍射极限另外，为了使结构简单化，故不需要冷却光栏，孔径光栏可放在任意位置；光学镜头也不必非热化，采取主动调焦即可解决热补偿问题。4.1.3初始结构的确定为了满足结构要求，光学系统要有足够的工作距离。在本次设计中，我选择如下图所示的光学反远距结构。其优点为有利于校正像差，同时因为其特殊的结构，也可以确保整个像面上的照度均匀性。图4.1初始结构图此光学系统有三个间距，八个曲率半径，共十一个可变参数。考虑到已知的像高和像方远心要求，则还有九个可变参数。因为选用材料锗的缘故，故不必考虑色差问题，原则上，

40、足以校正初级像差。但是，为了使光学系统接近衍射极限，F/#尽量小，也为了保证结构尽量紧凑，四个透镜均选用非球面镜。下面介绍各个透镜的作用，负透镜和正透镜的后表而分别用二次圆锥曲面和高次非球面，以校正彗差、像散等轴外初、高级像差，及控制畸变量。正透镜的前表面也用高次非球而，校正初级和高级轴上像差。4.2系统要求和主要参数根据上述选定的光学结构和知道要求，首先由高斯光学和像差理论确定光学系统的初始结构，然后，设置边界条件，在ZEMAX程序上进行优化和像质评价，下面列出相关要求和参数：波长范围10到16um全视场角 135像高 8mm焦距 8mm入瞳口径 8.54mm工作距离 15.4mm4.2.1

41、焦距-焦距的大小，决定了像和实际物体之间的比例尺，根据光学系统的垂轴放大率公式： （4.1）一般来说，物距都比较大，镜头的焦距一般只有几十毫米，因此像平面靠近焦面，故有： （4.2） 在物距一定的情况下，要求增加，则必增长物镜的焦距。4.2.2相对孔径-相对孔径主要影响像面照度。照相物镜像面的照度和相对孔径的平方成比例。为了满足景物较暗时摄影的需要，或者为了高速运动物体摄影，要求采用很短的曝光时间，它们都要求提高想面的照度，因此就需要采用大相对孔径的物镜。4.2.3视场角-在画面大小一定的条件下，视场角直接和物镜的焦距有关，根据无限远物体的理想像高公式： （4.3）相机的幅面一定，也就是像高一

42、定，只要焦距确定，则视场角也就随之确定了；物镜的焦距越短，视场角也就越大，因此短焦距的镜头，也就是大视场的镜头。在计算照相物镜的视场角时，一般按画面的对角线计算像高，即按最大视场角计算。4.2.4畸变主光线和高斯像面的交的高度不等于理想像高，其差别就是系统的畸变。随着视场的改变，畸变值也改变。光学系统产生畸变的原因在于主光线的球差随视场角的改变而不同，因而在一对共轭的物象平面上，放大率随视场而变化，不再是常数。畸变对成像的影响只是使像对物产生失真，并不影响清晰度。4.2.5调制传递函数-MTF光学系统成像，就是把物平面上光强度的分布图形，转变成像平面上的光强度分布图形。光学传递函数能全面地表示

43、一个光学系统的成像质量，它使我们在设计阶段就能比较具体地了解光学系统的实际性能。但是由于它的计算量比较大，而且它和系统结构之间的关系比较复杂，因此在设计的开始阶段，往往不采用，只是在设计的最后阶段，或者对最后系统才用它来评价像质。光学像质检验中，通常用对比度来表示成像的清晰度。由于像差的存在，实际像的对比度会降低。而降低的程度，随光学系统像质情况的不同而不同。假设，是空间频率的函数，这里代表实际像的空间频率，也代表理想像的空间频率。对比度降低的情况用与比较，因而定义对比度传递函数为 (4.4)即为调制传递函数MTF。 光学传递函数应包括MTF和PTF两部分，但目前一般都只应用MTF。其原因除了

44、可以省去一半数据外，主要在于测量方法研究还不充分，能测PTF的仪器不多，在计算中也远不如MTF精度高。在理论分析上目前也多集中在MTF上。用MTF评价像质，已经取得了与实际比较接近的结果。除了畸变之外，MTF能反映出其它所有像差。4.3系统优化理论4.3.1像差自动校正的基本原理如果利用像差变化表进行光学系统的像差校正时，假定像差的变化量和结构参数的变化量二者是成比例的，也就是说系统的结构参数和像差之间符合线性关系。这个假定同样也是像差自动校正的基础，根据这个假定如果我们利用个结构参数来校正系统的种像差，每种像差要求都可以表示成一个线性方程式，种像差对应着一个有个方程式的线性方程组： （4.5

45、）公式中为种像差所要求的改变量，是每种像差对每个结构参数的偏微商；则为每个结构参数相应的改变量。利用像差变化表人工校正像差，实际上就是找上述方程组的近似解。但是我们用的不是像差对结构参数的偏微商，而是像差变化表。所谓像差变化表就是把每个结构参数变化一个小量，计算出各种像差的变化量，把它们按像差和结构参数列成表格。它们在本质上是一样的，因为我们并不能用解析的方法直接求出偏微商，而是用像差对结构参数的差商来近似的代替微商，即： （4.6）将上式两边同乘得： （4.7）代入方程组得： （4.8） 两个方程组在形式上的差别是用像差变化量代替偏微商作为像差线性方程组的系数，而用结构参数改变量和计算像差变

46、化表时该参数的增量之比，代替作为方程组的自变量。根据像差方程组中方程式的个数和自变量的个数的多少，分成两种不同的情况，这就形成了两种不同的自动校正方法，一种是适应法，另一种是阻尼最小二乘法。在这里我们选择阻尼最小二乘法来优化。 当时，方程组没有解，我们用最小二乘解作为方程组的近似解。设： （4.9）称为评价函数，称为加权像差函数，称为权因子。我们求的极小值解作为像差方程组的近似解。为极值的条件是：上述讨论的基本前提是像差和结构参数之间符合线性关系。但是实际上像差和结构参数之间的关系是非线性的。如果现有系统的像差很大，由像差线性方程组求出的解也很大，很可能已大大超出了系统的近似线性范围。如果直接用这样的解来修改系统的结构，往往不能获得预期的结果，甚至可能使像差变得更坏。为了解决这个问题我们采用“逐次渐近”的方式来克服像差和结构参数之间的非线性。在阻尼最小二乘法中，具体的要求是我们希望每一次修改结构，既能使评价函数下降，又不希望结构改得太多。为了达到这个目的，我们不单纯求的极小值，而