红外光学镜头设计方案.doc

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1、光学系统设计方案设计参数：1)ICCD分辨率：1248х10242)像元尺寸：6μmх6μm3)靶面尺寸：7.48mmх6.14mm4)系统焦距：1500mm5)F数：3.756)波段范围：450nm～800nm系统初步设计如下：口径Ф400mm，系统长度500mm。光路二维图如下图所示。系统为折返射式光学系统，前部采用施密特矫正镜，后端采用卡式系统，达到减小系统尺寸的目的。图1光学系统二维图图2光学系统三维图图3光路剖视图表1线视场分析距离（km）151030线视场（m）5×4.125×20.550×

2、41150×123图4系统球差及场曲曲线系统传递函数曲线如下图所示，根据探测器像元尺寸，MTF截频计算至83lp/mm处，从下图可以看出，系统MTF在100lp/mm处，水平最大视场及垂直最大视场均高于0.5，对角线视场MTF高于0.5。图5系统MTF曲线系统弥散圆的大小如下图所示，弥散圆表示点源物体经过系统后的发散情况，其半径越小、能量越集中，说明成像质量越好。通常接近衍射极限的系统弥散圆直径小于接收器的单个像素值。本系统采用的探测器像元尺寸为6μm，系统的弥散圆直径最大值为3.8μm，说明系统的成像

3、质量接近衍射极限。图6畸变网格及畸变曲线系统的畸变网格和畸变曲线如下图所示，畸变的大小能直接反映出系统图像的变形情况，从下图中可以看出，系统的最大畸变小于0.01%，图像变形肉眼无法分辨。图7畸变网格及畸变曲线系统成像的二维仿真效果如下图所示，左图为目标图像，右图为经系统后所成图像，从图中可以看出，系统成清晰倒像。图8二维成像仿真公差分析镜头最终的成像质量受到材料、加工、装配等各方面的影响，为保证系统最终获得良好的成像质量，设计时应充分考虑系统各部分的公差分配，使材料、加工及装配的误差均在可接受的范围内

4、，避免某类误差过大使最终的成像质量下降过多。下图给出了系统在100lp/mm处MTF的概率分布曲线，系统对各部分的公差要求如下表所示，从图中可以看出，在考虑各部分的公差后，系统MTF90%概率处于0.37以上，能够保证最终系统有良好的成像质量。目前的装配及加工水平均可以保证表中要求的公差。图9MTF概率分布曲线公差类型公差要求DLF（大光圈）2DLR（样板半径）0.03mmCYD（局部光圈）0.5DLN（折射率）0.0005DLV（阿贝数）0.002DSY（偏心量）0.02mmDSX（偏心量）0.02m

5、mBTY（倾斜量）0.0003mradBTX（倾斜量）0.0003mradTRY（边厚差）0.02mmTRX（边厚差）0.02mm探测能力分析决定探测距离的因素通常有以下几个方面。1、镜头焦距决定探测距离的一个重要因素就是镜头焦距。镜头焦距直接决定了目标所成的像的大小，也就是在焦平面上占几个像素，焦距越大，目标像所占用的像素点越多，根据约翰逊准则可知，其探测距离更远。2、探测器性能镜头焦距是从理论上决定了相机的探测距离，在实际应用中起着重要作用的另一因素是探测器性能。镜头焦距只是决定了所成像的大小，占用

6、像素点的数量，探测器性能则决定图像质量，如模糊程度，信噪比等。探测器性能可从像元尺寸、灵敏度、信号处理等方面来分析。像元尺寸越小，则空间分辨率越小，其探测距离越大。探测器的灵敏度和信号处理决定了图像的清晰度。如果探测器的灵敏度和信号处理能力不好的话，则所成的像只是一个模糊的像，也就无法识别。因此，一些探测器的灵敏度不高的话，则采取加大镜头口径的方法来提高图像效果，这增加了成本。3、大气环境虽然热辐射对大气的穿透能力比可见光强，但大气吸收、散射等对热像仪成像还是有一定的影响，特别是大雾和大雨的天气环境，从

7、而影响到探测距离。综上所述，在能见度一定的情况下，光电系统的探测能力主要由两部分组成，一是目标在靶面上成像所占的像元数，二是目标被系统接收成像后的信噪比。此部分内容需要和探测器的探测灵敏度，转换效率等因素一并进行分析考虑。