大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

引言

在空间对地观测领域中,对目标的空间分辨率和时间分辨率要求越来越高,传统的利用单元探测器进行二维扫描的方法已经很难满足要求.而最新的红外焦平面阵列往往只能在某一特定波段内使用.对于工作在较长波段的热探测器,目前只有线阵的技术比较成熟.综合各方面的因素来考虑,在某些特定的场合,用大的线视场进行一维扫描是目前最可取的探测模式[1].

系统的口径取决于目标辐射的强弱及探测距离要求,系统的焦距则与观测距离、线分辨率及接收器尺寸等有关.口径一定,焦距愈长则相对口径愈小,光学系统的设计及加工相对容易,但对同一角视场而言,线视场尺寸就愈大,线阵接收器的长度就愈长,同时,光学系统总尺寸愈长,这对于航空航天是非常不利的.从另一方面看,为了减小探测器的本征噪音,像元尺寸往往很小,如果像元对应的瞬时视场一定,则像元尺寸愈小,焦距就愈短.因此,焦距长短的选择是要综合考虑各方面的因素而定.总的来讲,红外探测系统的焦距往往只能很短,也就是光学系统的相对口径往往要很大.本文就以工作在地球同步轨道上的红外探测系统为背景[2],设计出了一个大线视场大相对口径的红外成像系统,并得到了很好的成像质量.

1　系统分析

由于该系统接收的辐射波段非常宽,包括可见光,中短波红外及长波红外,如果采用折射式光学系统,不但能透过红外辐射的光学材料很难获取,选择余地少,价格昂贵,而且还会产生很严重的色差,校正十分困难.而反射式系统不会产生色差,材料选择简单,孔径可以做得很大,易于实现轻量化设计,对温度等环境因素变化的适应性强,因此对于较长波段的红外成像,宜选用全反射的光学系统.

光学系统在保证一定成像质量要求的同时,还应该具有最简单的形式和最少数量的光学元件.首先考虑过去常用的两反射镜系统,它结构型式简单,但系统自变量少,只有轴上点成像符合理想,视场不能做的很大.然后是同轴三反射系统,结构也比较简单,但成像质量受次镜的遮拦影响较大,辐射利用率也不高,一方面不能有很大的视场,另一方面还要增加口径来保证有一定的接收辐射能量.而离轴三反射系统,不但可以通过光阑离轴或视场离轴,完全消除系统的遮拦,可以做到大视场和大口径,而且系统的自变量多达8个[3],在满足焦距、球差、慧差、像散及场曲的条件下,还剩余3个可变参数来满足光学系统的结构要求.

离轴三反射系统是在同轴三反射系统的基础上进行离轴、优化得到的.主要有两种方法[4]:一是将光阑置于主镜上,光阑离轴;二是将光阑置于次镜上,通过视场的倾斜来避免中心遮拦,光阑不离轴.采用光阑离轴的方法,虽然可以使系统结构变得紧凑,但是在较大视场的情况下,成像质量下降的很快.而视场离轴的三反射系统具有更强的像差校正能力,视场大,成像质量好,比较适合大线视场和大相对口径的要求.