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I、簡介 近年來熱(紅外)成象系統13趨重 要。這主要是由于： · 紅外系統的應用范圍蓬勃擴展．重 要性日顯突出。 · 紅外探測器技術已整體成熟，批量 生產的許多探測器質優價廉。 紅外系統的這種與日俱增的重要性 以及性能不斷提高的探測器問市．使得 對光學系統及其設計的需求空前增長。 盡管在可見光系統中用來進行公式推導、 準則判定、平衡取舍以及其他考慮的經 典光學設計和工藝技術可以直接運用于 紅外系統．但對紅外系統的許多考慮還 是明顯區別于可見光系統，其中一些考 慮還是相當復雜的。實際上，如果完全 采用從可見光系統技術原理推導出來的 準則來設計紅外掃描裝置的光學系統。 則該掃描裝置不可能具有良好的性能。 本文將探討有關紅外光學系統設計 的許多事宜。盡管我們打算重點描述對 紅外系統來說具有特色的方面，但人們 不難發現這必然會使我們涉及到光學設 計技術的方方面面。 Ⅱ、光譜問題 溫暖或熱的物體發射出遠至l2 光 譜帶的大量紅外能量．這可由圖l的黑 體曲線表現出來。尤其應注意的是在接 近于環境溫度(約300QK)下．絕大多數 F sc ，RE 趨 紅外輻射發生在高于3胛的光譜區域。 要 ： 驛 婁 波長 m 圖1 黑體的光譜輻射率 L～— ～疆一L。。 [．!． … 翁鏨： 一隧 ”鰻 圖2 海平面0．3KM空氣通道上 0．6—14~um虹外輻射大氣透過率 ?＼ (云光技術)2oo0 坩．32 ^b6 ·7 · 除以下情況外，紅外輻射在大氣中的透 過率都很低： (n)近紅外(低于2．4mn 的若干波段)． (b)中波紅外(約3— 5pm)，(c)長波紅外(約8—12vm)。圖 2所示為簿平面位置0．3KM空氣通道上 的大氣透過率…1。 由于絕大多數熱能都包含在3—5mn 和8—12．urn光譜帶．因而我們把目前的 討論集中在這兩個波段上。絕大多數光 學玻璃只能透過遠至約2．5mn的紅外輻 射。因此在近紅外光譜區域(低于 2．5 )。光學系統設計所考慮的問題與 可見光系統并無實質上的差異。還有兩 個較長光譜帶則需要紅外透過材料， 和 采用顯著不同的設計原則。 Ⅲ、探測器／杜瓦瓶有關問題 為了探測報小的溫差． 紅外探測器 必須在深冷的條件下工作，一般為77。K 或更低。為了使探測器傳感元件保持這 種深冷溫度，探測囂都集成于 杜瓦瓶 組件中。這種牲瓦瓶尺寸雖�。捎� 制造困難，所以價格特別昂貴；杜瓦瓶 實際上就是絕熱的容器，類似于“保溫 瓶 。圖3所示為通用探測器／杜瓦瓶組 件的剖視圖�！袄渲� 貼向探測器，并使 址瓦 捕光芊系統 圖3 通用探洲囂／杜瓦瓶組件 注：與探測囂陣列匹配的冷指由氣 罐或深冷泵冷卻 之冷卻；這種冷指是一種用氣罐或深冷 泵冷卻至深冷的元件。透過紅外線的杜 瓦窗起到真空密封的作用。 圖中所示還有“冷屏” (或 冷 闌 )．它是杜瓦組件不可分割的一部分。 冷屏后表面上的低溫呈不均勻分布(盡 管只比探測器陣歹唾的溫度略高)，因此會 發射少許熱能，或不發射。冷屏的作用 是限制探測器觀察的立體角。 if,at很有必要強調可見光光學系統 與紅外熱成象儀中的光學系統之間的區 別。在可見光系統中．探測器(如：照 相底片、眼睛等)敏感于可見光．儀器 內壁的涂黑以及適當的擋光措施避免或 減少來自形成光錐的圖象之外的光線射 到探測器上。紅外系統則敏感于熱能， 任何來自成象輻射錐之外并到達探測器 的輻射都會降低系統的靈敏度．在某些 情況下甚至造成圖象異常。在一定程度 上我們可以把可見光系統類比為紅外系 統，比如一只機殼內壁照亮的照相機； 這自然會使底片灰霧．并由于相機內壁 雜散光的反射而產生不需要的圖象異常。 這種情況下我們實施一種方案。即底片 只能觀察物方空間并且“看不見 照亮 的相機內壁。 · 冷闌。如果以上討論的杜瓦組件內 的孔徑就是“冷闌 ，那么它肯定就是系 統的孔徑光闌；探測器剮只 看見 來 自物空間的輻射。探測器杜瓦瓶內的冷 闌通過下述兩個方法之一而變成系統的 孔徑光闌： 。．我們可將傳統的孔徑光闌(即系 統前方的物鏡或主反射鏡)再次成象于 冷闌平面上。通過少許減少冷闌孔徑的 · 8 · ‘云光技術)∞∞ ~o1．32 №6 直徑(或相反地，將系統前方的孔徑光 闌加大)，冷闌便有效地成為系統的限制 孔徑光闌， 探測器則只看到物空問。 (注：冷闌的這種尺寸減少必須計人公差 積累、光瞳象差，及其他效應中)。如果 冷闌是系統的孔徑光闌，那么可以說系 統具有“180％ 的冷闌效率”。 6．我們能直接使用非再次成象系統 結構以冷闌作為孔徑光闌。由于此光闌 — -孛目 鋅 1冊 一 距象差校正所要求的位置較遠．所以這 種結構通常不可行。此外，這種遠離的 光闌還會在系統的前方元件上造成明顯 的光瞳移動。為了避免圖象異常，必須 消除漸暈， 因而多數情況下會導致光學 系統的尺寸明顯加大。但對小視場應用 場合，這種方寨還是可行的。 圖4所示為上述達到l00％冷閹教事 的方法舉例 |
