大口径红外成像系统的光学设计

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1、第23卷　第12期光　学　学　报Vol.23,No.122003年12月ACTAOPTICASINICADecember,2003文章编号:025322239(2003)122147524大口径红外成像系统的光学设计潘君骅(苏州大学现代光学技术研究所,苏州215006)摘要:推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后,转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式,才能做到光瞳匹配,这就是冷屏为系统的出瞳,而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜

2、的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性,红外系统的口径取为250mm,红外接收器的冷屏直径为5mm,冷屏到红外像面的距离为20mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-1000mm及-800mm两个值,两镜系统焦距为2000mm,1500mm及1000mm三个。共计算了六种结构参量不同的系统。关键词:红外成像;光学设计;光瞳;匹配;冷屏;高斯参量中图分类号:O435　　　文献标识码:A1　引　　言位置就定了。从仪器的总体结构考虑,主镜顶点到红外焦平面的长度不能太短,也不宜太长。合理地由于红外CCD焦平面技术已经成熟,大口径红选择这

3、个长度,是选择两镜系统结构的主要考虑。外成像系统的应用愈来愈广,特别在军事方面。口当然,主镜的相对口径不要太大、副镜的遮拦比尽可径超过250mm,基本上不可能用纯透镜系统,反射能小,照例也是要考虑到的。[1]式两镜系统是最合理的选择。为了最大限度地限制背景辐射的影响,红外焦平面的冷屏必须是整2　光瞳匹配要求个系统的出瞳。所以在两镜系统第一次成像之后应有一个转像透镜(组)以达到位于主镜的入瞳成像到以反射式两镜系统为主体的红外成像系统光路冷屏上。以后我们将看到,两镜系统结构可以有一见图1。其中D1为主镜口径(正值),r1为主镜曲定的选择自由,但一旦选定,则转像系统的

4、共轭成像率半径(负值),r2为副镜曲率半径(负值),l0为副Fig.1Opticallayoutofthetwo2mirrorsystemwithrelaylens镜顶点到主镜焦点的距离(负值),d为主镜顶点到副镜顶点的距离(负值),l′0为副镜顶点到两镜系统E2mail:jhpang@suda.edu.cn收稿日期:2002210214;收到修改稿日期:2002212204焦点的距离(正值),s0为入瞳(D1)经副镜成像的位©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsrese

5、rved.http://www.cnki.net　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　　　学　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　147623卷　置(负值),

6、、d、l′0,当两镜系统确定后都可以算出。所以,只距离(负值),s′为转像透镜到出瞳的距离,即出瞳位要选定两镜系统,则转像系统的共轭成像位置及其置(正值),<′s为出瞳尺寸,即红外焦平面的冷屏尺寸焦距即可算出,于是自动优化程序所要求的初始数(正值),Δ为冷屏到系统焦面的距离(正值)。据均可得到。光瞳匹配,实际上是两点要求:1)入瞳D1经副镜及转像透镜成像在冷屏的位4　实例计算置;以D1=250mm,<′s=5mm,F=4,Δ=20mm2)入瞳尺寸(D1)经成像后其大小等于冷屏的为基本数据,计算不同主镜焦比(即不同的r1),不尺寸<′s。同主系统焦距(f′1)解出

7、的结果及优化后的结果。满足光瞳匹配的同时,当然必须满足整个系统视场大小,按红外接收器对角线尺寸为12.6mm计的成像关系,即最后像面离冷屏距离等于Δ。算。为了说明导出公式的可靠性,转像透镜先用单片锗透镜,波长取λ=4μm。如果为了在3～5μm3　关系式推导波段消色差,可以进一步将转像透镜复杂化,例如加根据上述要求,我们可以写出以下基本式子:入硅透镜。主系统焦点的引出量Δ0,从实际装调方111便出发,应为正值,即伸出主镜顶点之后,现暂取-=,(1)s′sf′GeΔ0=60mm。s′S0s′我们计算了r<′s=

8、dsf′1=2000mm