像旋扫描在红外成像系统中的应用研究g.doc

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作者简介：邓键（1976-），男，重庆人，高级工程师，博士，主要研究方向为光学系统的设计、装调和检测
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像旋扫描在红外成像系统中的应用研究
邓键1李锐钢2郑昌盛1
(1.西南技术物理研究所二部四川成都610041）
（2.长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130031）
摘要：研究了采用像旋扫描原理以扩大视场的途径，并建立了一个二次成像结构的设计模型，采用了别汉棱镜作为像方一维扫描器件，通过偏置制冷型中波红外探测器，实现了光学系统出瞳与冷光阑的完全匹配，并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径为1：3，波长为3.7μm~4.8μm，焦距为34mm，视场达±20º，采用了八片透镜两个非球面，在全视场范围内具有接近衍射限的像质。
关键词：光学设计；像旋；像方扫描；别汉棱镜；无热化
中图分类号：TN202文献标识码：A
Appliedresearchofinfraredimagesystembyusingimagerotatorscanprinciple
DENGJian1,LIRui-Gang2,ZHENGChang-Sheng
(1.SouthwestInstituteofTechnicalPhysics,2ndDepartment,SiChuan,ChengDu610041,China)
(2.KeyLaboratoryofOpticalSystemAdvancedManufacturingTechnology,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,CAS,JiLin,Changchun130031,China)
Abstract:Theprincipleofimagerotatorscanisstudiedtobeasthemethodtoexpandopticalsystem’sfieldofview(FOV).Anopticaldesignmodelisintroduced,whichsystemisasecondaryimagingstructure,andPechanprismisusedasone-dimensionscandevice.Thecooleddetectoristiltedanddescendedtomatchtheopticalsystemexitpupilwiththedetectorcoldstop,andopticalpassiveathermaliztiontechnologyisusedtosatisfytheimagingquality.Themodel’srelativeapertureis1:3,andthefocallengthis34mm,andtheFOVis±20°.Theopticalsystemhas8lenseswith2aspheresurfaces,whichhasneardiffractionlimitimagequalityinthewholeFOV.
Keywords:Opticaldesign;Imagerotator;imagespacescan;Pechanprism;Athermalization
引言
对于制冷型红外光学系统，由于像素较少且有冷指等物理因素的限制，难以兼顾长焦高分辨和搜索大视场之间的矛盾，要么需要专门的物方扫描镜，要么将光学系统安装在万向支架上。一种新的解决思路是进行像方扫描，把探测器对应的视场作为瞬时视场，需要的物方视场作为像方扫描视场，通过像方扫描使焦平面分时复用，可在一定程度上解决长焦高分辨率和大视场之间的矛盾，从而达到简化结构的目的。在1998年的SPIE文献中[1]，博登湖技术公司(BGT)就提出了一种采用四个前置物镜的二次成像光学系统，通过微透镜阵列的扫描将不同位置物镜所成的一次像导入后置成像光路，使一个焦平面探测器根据扫描位置的不同可对四个视场成像，达到四个焦平面探测器拼接的效果，其结果相当于把光学系统的视场扩大了两倍。实现这一目的还可以通过其他途径，如1994年LacyG.Cook等人即在其专利设计中采用了别汉棱镜作为扫描器件，在一个传统的一次成像中波红外光学系统中获得了与BGT公司类似的视场拼接的效果。但在工程实用化上有所欠缺的是，该设计没有考虑探测器的冷光阑限制，为一次成像结构。
本文即根据该专利的扫描原理，综合了BGT公司的二次成像方案，在工程运用基础上建立了一个设计模型，针对制冷型中波红外探测器，进行了包括光学被动消热差和冷光阑匹配的设计方法研究，该设计仅采用一个普通制冷型中波红外探测器和一组光学系统即获得两倍于普通系统的视