周视扫描成像红外双波段光学系统设计

　　1　设计要求分析

　　通常,周视成像系统必须通过扫描来实现,但不同的扫描方式有不同的特点,适用的范围也不同,所以,采用何种扫描方式就变得非常重要了.常用的有45°旋转扫描反射镜扫描、平面镜摆动或者360°旋转扫描、棱镜旋转扫描、光学望远镜系统整体扫描等多种扫描方式.其中,光学望远镜系统整体扫描方式不会产生像的旋转、没有色差、焦面平坦,同时系统的偏振度很小,但它的转动惯量比较大,所以这种方式只能用于视场角较大、探测距离较近的系统中,如瑞典的IRS-700.而其他几种扫描方式是使系统中的部分元件进行周视旋转扫描,而大部分固定不动,这样就方便旋转扫描系统的设计,体积质量可以少受限制,视场角可做得较小,探测距离较远.但这种扫描方式对光学系统设计提出来较高的要求.45°旋转扫描反射镜是目前最成熟的一种二维扫描方式,应用的也最多,如法国的VAMPIR MB,但由于此种扫描方式引入了像的旋转,设计中必须想办法消除掉[3].

　　由于45°扫描镜相对目标旋转扫描时会引起图像的旋转,因此对于多元探测器成像系统是不能直接使用,所以,光路中必须加入消旋部件.常用的消旋技术有:棱镜消旋、滑环消旋、K镜消旋和电子消旋等.其中K镜为全反射式光学部件,可应用在很宽的波段,而且不引入像差,光能量损失最小[3],所以设计上优先选择K镜消旋技术.K镜是由三面排列成“K”字形的反射镜组成的,当K镜和45°旋转扫描反射镜旋转方向相同且速度为45°旋转扫描反射镜转速一半时,物体在像面上的像不产生旋转,整个系统是消像旋的.为了方便引入K镜消旋组件,光学系统的结构选择是前部分为大口径望远系统,后部分为入瞳前置成像物镜的形式,45°旋转扫描反射镜置于望远镜物镜的上端,K镜就设置在望远系统的目镜后部的平行光路中.为了让K镜组件的尺寸不至于过大,还需要将望远系统的出瞳就位于K镜的中间,即反射镜R2处.

　　系统采用致冷型探测器时,其冷屏光阑约束着焦平面接收光束的相对孔径,所以整个光学系统的出瞳要与探测器冷屏光阑相匹配,达到100%冷光阑效率,即要求位置重合并且大小相等,否则会引起渐晕,产生杂散红外辐射,降低系统的信噪比.对于K镜之后的成像物镜来说,其入瞳即为望远镜的出瞳,其出瞳即为整个系统的出瞳.显然其入瞳位于镜头前面一定距离处,而出瞳则位于镜头与其焦面之间,两者还要满足相互共轭的关系.由几何成像光学原理可知,简单的物镜系统显然不能满足,所以,聚焦成像物镜必须为二次成像结构形式.另外,在国外很早就提出了双波段成像系统的研究[4-6],以提高系统的性能.一般双波段热成像系统可以由两种方式构成:一是2个分别响应不同波段的探测器组件分别用2个光学系统,或部分共用一个光学系统构成,二是用一个能响应2个波段的双波段探测器共用一个光学系统构成.后者由于结构紧凑、便于安装,更受人们的青睐.对于前一种方式构建双波段成像系统,光路中必须加一片分光镜进行分光.为了最大限度地减小体积质量,使结构紧凑,2个波段光束需要尽可能地共用光路,分光片的位置尽可能的往光路的后部放置.