一种紧凑型红外光学系统设计

光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解1.简述：（1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点；答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。

而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。

（2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么？答：优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，而CCD灵敏度较CMOS高30%～50%。

电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。

运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。

CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。

（3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些？分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。

2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。

答：1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。

2.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。

3.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。

4.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。

Zemax光学设计：热成像系统的设计实例红外光谱有三个大气“窗口”，在这三个波段大气吸收比较小。

其中一个是1到3um，另一个是3到5um，第三个是8到12um。

热成像也叫红外成像。

红外和可见光设计之间的最大区别是，在可见光中几乎都是物的反射光成像，而在红外则是物自身辐射成像。

红外物镜与可见光物镜的主要区别在于材料。

由于玻璃中含有羟基（OH-），在近红外有很强的吸收峰，普通光学玻璃最多只能工作到 2.8um左右的近红外，中远红外光学系统则完全依赖红外材料。

1.光子探测温度为 T（单位为K）的黑体，其辐射的光子数量为：其中，M 表示每秒钟、每平方厘米表面、每厘米波长的光子辐射量，c 表示真空中的光速，单位为厘米每秒，λ表示以厘米为单位的波长。

因为在多数热成像系统中，探测的是物所发射的光子数与其背景所发射的光子数之间的差值，因此信号探测与下式成正比其中ΔT表示物和背景的温差。

下表给出了物体在常温下293K(20 度)的辐射出射度，也给出了每度（单位为K）的信号。

由这个表格可以看出，物体在这个温度下，在大气窗口8-12um 的辐射出射度比 3-5um波段的大30倍左右，信号则大了15倍。

对于热成像，探测器探测的是辐射通量而不是光子数，所以这两个比例具有相同的意义。

在多数情况下，这两个波段的光学设计是明显不同的，因为它们所使用的透射材料是不同的。

而有些系统为了同时包括这两个波段，能够使用的适合材料就更加受限。

在8-12um 波段，常用材料如下表：锗是最广泛使用的材料，它的折射率高且色散小。

硒化锌和硫化锌可以作为校色差的负元件。

在3-5um波段，常用材料如下表：在这个波段，锗的色散就没有那么小了，所以在 8-12um 波段的非常有用的锗非球面单透镜，在 3-5um 就没有那么有效了，因为还要校正色差。

但是，可以利用双片式来校正色差，若我们以低色散的硅作为“冕牌”，则锗显然就是最好的“火石”材料。

2.单锗透镜由于在 8 到 12um 波段，锗具有高折射率和低色散的特殊性能，因此只要用锗材料就能制造高性能热成像物镜。

光学变焦原理介绍光学变焦原理是指通过调节光学设备中的镜片或透镜，实现对被观察物体的焦距调节，从而改变视野范围和清晰度的一种技术。

光学变焦广泛应用于相机、望远镜、显微镜等光学设备中，可以使用户在不移动或更换镜头的情况下，随意调整对物体的放大程度，提高观察器具的多功能性和灵活性。

不同类型的光学变焦技术在实际应用中，存在着几种常见的光学变焦技术。

1. 倍率式光学变焦倍率式光学变焦是指通过改变光学系统中的镜片距离或者改变透镜组的构成，来实现不同倍率的变焦。

这种技术的典型代表是相机中常见的光学变焦镜头。

通过调节镜头的焦距，可以使物体从远处拍摄变为近处拍摄，实现对焦距范围的调整。

2. 适配式光学变焦适配式光学变焦是指通过调整不同倍数的镜头组合来实现变焦效果。

它的工作原理是通过将不同焦距的镜头进行组合，使得焦距逐渐增大或减小，从而实现变焦。

适配式光学变焦通常应用于望远镜等光学仪器中。

3. 液晶光学变焦液晶光学变焦是一种利用液晶材料的电光效应来实现变焦的技术。

这种技术可以通过改变液晶材料中的电场分布来调节光线的传播路径，实现对光学设备的变焦。

液晶光学变焦具有快速、高精度和可控性好等优点，可以应用于显微镜、激光器和观看3D图像等领域。

4. 壳柱式光学变焦壳柱式光学变焦是一种将多个透镜叠加在一起的变焦技术。

通过调整透镜的位置，可以改变所观察物体的焦距，从而实现变焦的效果。

这种技术常应用于显微镜和摄像机等光学设备中。

光学变焦的原理光学变焦的原理主要涉及两个关键因素：光学系统的焦距和放大倍数。

1. 光学系统的焦距：焦距是指光线通过光学系统后汇聚的位置。

通过调节镜头或透镜间的距离，可以改变焦距，实现对物体的变焦。

根据薄透镜公式可以得出：1/f = 1/v - 1/u其中，f为透镜的焦距，v为像方距离，u为物方距离。

2.放大倍数：放大倍数是指被观察物体在显示器上的放大程度。

放大倍数与观察物体的实际大小、投射距离和像方距离等因素有关。

第２８卷第２期　２００６年２月　红外技术　

Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　、ｂ１．２８　ＮＯ．２　Ｆｅｂ．　２００６　

红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算　白清兰，马彩文，孙东岩　（中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安７１００６８）　

摘要：红外光学系统在用于制冷型的探测器时必须考虑出瞳与冷屏的匹配问题，采用二次成像方式进　行光瞳匹配导致光学系统结构复杂化使系统透过率降低，采用光学结构简单的不完全匹配方式会存在　轴外视场渐晕，但能有效地提高视场中心的透过率，而红外光学系统在用于点目标的跟踪测量时往往　用到的是一定范围的中心视场。在本文中，我们分析了几种不同的匹配方式并给出了用冷屏参数表示　的估算轴外渐晕的计算公式以便在像差校正之前判断渐晕的大小及采用何种匹配方式以提高光学系统　性价比。　关键词：红外光学系统；渐晕；出瞳；冷屏；匹配效率　中图分类号：０４３５，０４３４．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１　８８９１（２００６）０２—００９５　０３　

Ｔｈｅ　Ｍａｔｃｈ　Ｆｏｒｍ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｅｘｉｔ　Ｐｕｐｉｌ　ａｎｄ　Ｃｏｌｄ　Ｓｈｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｔ　ａ　ＩＲ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＢＡＩ　Ｑｉｎｇ—ｌａｎ，ＭＡ　Ｃａｉ—ｗｅｎ，ＳＵＮ　Ｄｏｎｇ—ｙａｎ　（ｍ＇ａｎ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＯｐｔｉｃｓ　ａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＳｈａｎｘｉＸｉ＇ａｎ　７１００６８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｗｈｅｎ　ａ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ＩＲ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｆｏｒｍ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｉｆ　ｔｈｅ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｓｔｏｐ　ｉｓ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ　ｂｅｈｉｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｎｓ　ｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｔｈｅ　ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒｍ），ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｖｉｇｎｅｔｔｅ　ｉｓ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃａｓｅ，Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒｍｓ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｖｉｅｗ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒｍ．Ｉｔ　ｉｓ　ｕｓｅｆｕｌ　ｉｎ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｔａｒｇｅｔ．Ｓｅｖｅｒａｌ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒｍｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｃｏｌｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｖｉｇｎｅｔｔｅ　ａｎｄ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｖｉｇｎｅｔｔｅ　ｉｓ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｃｉｄｅｄ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＲ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ；ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ；ｃｏｌｄ　ｓｈｉｅｌｄ；ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

文章编号:1672-8785(2020)09-0015-05红外探测器杜瓦的小型化设计方法张磊王冠付志凯(华北光电技术研究所，北京100015)摘要：杜瓦小型型红外探测器组件的发展，红外成像小型化、集成化发展的需要。

由于杜瓦为探测器组件提供光、机、电接口，其小型化设计要综合机的能力、探测性能、性能和系应用面&结合杜瓦的结构组成和工，分析了小型化设计的。

该研究对杜瓦设计的启发和用。

关键词：红外探测器；杜瓦；小型化中图分类号：TN215文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8785.2020.09.002 Compact Design Method of Infrared Detector DewarZHANG Lei，V@NG Guan，FU Zhi-kai(North China Research Institute of Electro-Optics，Beijing100015，China)Abstract:Compact Dewar is not only one of the development directions of cooled infrared detector assembly but also the need for miniaturization and integration of future infrared imaging system.Dewar provdes optical，mechanical and electrical interfaces for the detector assembly，so its compact design requires comprehensive consideration of refrigeration capacity，detection performance，vacuum performance and system application.Combined with the structure composition and working principle of Dewar，the method and influence of compact deignareanalyzed.There?earchha?abe t erin?pirationandguidanceforthedeignoftheDewar.Keywords：infrared detector；de w ar；compact0引言红外探测器技术具有被动探测、探测精度高、环境性强的特点，预警探测、、、夜视和天文观测等领域口*。

小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计摘要：基于红外探头视场的标定原理和技术，设计了一种技术指标为焦距f=800mm、有效口径D=160mm、工作波段14～16于剑，等：小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计第1期9的很大波长范围内工作，传输能量大，系统透过率高。

所以拟采用反射式系统。

而在球面反射镜和非球面反射镜两种方案中，球面反射镜仅有一个参数R 决定其面形，它在系统中当光阑位于球心时，不产生像散，球差也很小。

非球面其面形是由几个参数决定的，能使平行光束完善地会聚于一点，但加工难度大。

由于被测件精度要求较高，所以选用抛物面反射镜，为保证反射面不变形，中心厚度应取厚一些。

为使抛物面反射镜的焦点正好在光轴上，同时光管要求在有效孔径内不能被遮挡，所以要从大的抛物面镜中偏离光轴切割出所需孔径，这样便成为离轴式抛物面反射镜［2］。

离轴的特点使平行光管成像不会产生很大的模糊，这一特点是非常有价值的，主要是由于发射或接收的信号都没有被遮拦。

偏斜的反射镜为平板式，对从红外平行光管出射的光束进行重导，整个反射镜的光学特性较为成功。

该光管作为准直光源使用，其原理是在光管离轴抛物面反射镜焦点处放置一光源，其发出的一束光入射到平面反射镜后，经反射投射到离轴抛物面反射镜上，然后形成具有一定准直精度的平行光。

实际使用中，红外光源是不可能放在焦点处的，通常采用在焦点处放置光阑孔，用具有足够张角的红外光源照亮，从而形成等效光源。

光阑孔的大小就是抛物面反射镜焦点上的光源直径的大小，它决定光管出射的平行光的张角。

3设计思想根据系统的技术指标，焦距f =800mm ，有效口径D=160mm ，工作波段14～161时二次曲面为抛物面。

根据已知数据，应用ZEMAX 软件进行离轴设计，选取主镜和次镜的离轴量，在设计过程中对数据进行调整及优化。

优化后系统结构参数如表1所示。

将离轴量h 与a 、b 综合考虑，经过几次试取h 值后，离轴量h=110mm ；主镜与次镜距离640mm ；平面镜半径尺寸为16mm ；a 大约为8.8mm ，b 大约为66.7mm ，满足a 、b 距离的要求。

锗材料光学镜片-概述说明以及解释1.引言1.1 概述锗材料是一种优质的光学材料，凭借其出色的光学特性在光学镜片领域得到了广泛的应用。

随着科技的进步和人们对光学器件要求的不断提高，锗材料光学镜片作为一种重要的光学元件，具有着独特的优势和巨大的市场潜力。

首先，锗材料具有优异的光学特性。

其具备宽波段传输特性，能够在可见光、红外光和高能量激光等多种波长范围内有效传输光信号。

同时，锗材料的折射率和色散性能也非常出色，能够准确地控制光的传播和聚焦，适用于各种需要高精度光路设计的光学系统。

其次，锗材料在光学镜片中具有广泛的应用前景。

由于其高折射率和良好的耐高温性能，锗材料可用于制造高性能的透镜、反射镜以及各种光学滤光片等光学元件。

在红外光学系统中，由于锗材料对红外光的透过率较高，可以有效用于制造红外透镜和红外滤光片等器件，拓宽了红外光学领域的应用范围。

综上所述，锗材料光学镜片凭借其优异的光学特性在光学领域具有重要的地位和广阔的市场前景。

锗材料的应用将推动光学技术的进一步发展，同时也为光学器件的制造和应用提供了更多可能性。

展望未来，随着科技水平的不断提升，对锗材料光学镜片的需求将会更加迫切，相信锗材料光学镜片在未来的发展中将会不断创新和完善，为光学领域的发展作出更大的贡献。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下:文章的结构按照以下几个部分展开：引言、正文和结论。

在引言部分，首先会概述整篇文章的主题和背景，介绍锗材料光学镜片的重要性和应用场景，引起读者的兴趣。

随后，会给出整篇文章的结构和内容安排，让读者可以预先了解到接下来的内容。

在正文部分，主要会分为两个小节来介绍锗材料的光学特性和在光学镜片中的应用。

在第一个小节中，会详细介绍锗材料的光学特性，包括其折射率、透射率、吸收率等方面的特点，以及在不同波长范围内的表现。

第二个小节则会探讨锗材料在光学镜片中的应用，包括其在红外光学、激光器件、光电传感器等方面的具体应用情况。

〈系统与设计〉R-C光学系统设计及杂散光分析闫佩佩1,2，樊学武1（1.中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学研究室，陕西西安 710119；2.中国科学院研究生院，北京 100039）摘要：将光学系统设计与杂散光分析相结合，介绍了一种焦距2000mm、F/#＝10、2ω＝1.66°的空间用R-C光学系统，系统像质优良，结构紧凑。

同时，针对R-C系统的特点，考虑轴外渐晕的影响，计算了主、次镜内遮光罩的尺寸，给出外遮光罩的设计方法，对该R-C望远镜系统进行了遮光罩设计，并用光学软件进行杂散光分析，计算得到方位角为0°时的PST曲线。

结果表明，当离轴角度大于太阳临界入射角时，PST值小于10－8量级，满足要求。

关键词：光学设计；R-C系统；杂散光；遮光罩设计；PST曲线中图分类号：O436 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2011)04-05-0214Optical Design and Stray Light Analysis of R-C SystemYAN Pei-pei1,2，FAN Xue-wu1(1.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics Chinese Academy of Science, Xi’an Shaanxi 710119, China;2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)Abstract：Combining optical design and stray light analysis, a kind of R-C optical system used in space was introduced. The system had an effective focal length of 2000mm, an F-Number of F/10, and a field of view of 2ω＝1.66°. The system had high image quality and compact system structure. Meanwhile, the size of primary baffle and secondary baffle was calculated when basing the characteristic and taking account of vignette of R-C system. The design method of outer baffle was given. The method was used to design a baffle for this R-C telescope system, and the true stray light condition was simulated with optical ray trace software. According to the simulated datum, the PST curve at azimuth 0° are drawn, and the curve shows that PST values are 1ess than 10－8 when off-axis angles are larger than the solar critical angle which satisfies requirement.Key words：optical design，R-C system，stray light，baffle design，PST curve引言R-C（Ritchey-Chrétien）光学系统是卡塞格林系统的一种形式，该系统具有尺寸小、焦距长、无色差等优点，在空间光学遥感器中得到广泛应用。