摘要：短波红外波段处于大气窗口波段，具有较高的透过率，在遥感成像、生物检测、微光成像、光谱分析等领域具有广泛的应用。为提高短波红外光学系统的光能收集能力，对大相对口径光学系统进行了研究。通过分析短波红外成像的原理及设计方法，最终实现了200mm焦距，1:2相对孔径，对角为4.4°的光学系统设计。该系统在传递函数为33线对时接近衍射极限，90%能量集中度半径小于2个像元尺寸，弥散斑RMS小于像元大小。采用蒙特卡洛方法对该系统进行了公差分析，在给定中等精度公差下，系统满足组装和加工公差性能。 关键词：短波红外 大相对孔径 成像系统
1 序言
短波红外光波段波长范围为1～2.5μm的电磁波，介于近红外和中红外之间，短波红外主要来源于目标对环境中辐射的反射电磁波段。短波红外在成像应用中有如下优点：1）高透过率：具有如下该波段处于大气窗口，其中0.1～1.1μm、1.15～1.3μm、1.4～1.8μm波段透过＞80%，具有较高的透过率。2）微光成像：在夜光等低照度环境下，天空辐射也能覆盖短
波红外波段，使得短波红外具有较好的微光成像效果，可以用于全天候成像。3）天空背景辐射辐射亮度低：在天空背景下相对照度曲线如下图1所示：在短波红外1～1.7μm波段的背景光辐射亮度要远低于可见光400nm～700nm波段，在对空间目标观测时，可以获得信噪比较高的遥感图像[1～3]，随着近年来光电子器件的发展，基于InGaAs、HgCdTe等材料的短波红外探测器以广泛应用于成像探测系统中。
图1目标及背景相对辐射照度
2 设计分析
2.1设计要求
该学系统主要用于天文观察，主要波段为短波红外1～1.7μm，观测视场不小于2°×2°，相对口径要求不小于1:2，口径不小于100mm。光学系统的焦距公式为：
其中：f-光学系统焦距
n-探测器像元
θ-光学系统视场角
手机应急充电器根据现有短波红外成像器件的发展水平，选择像元为15μm，分辨率为640×512的InGaAs探测器。最终计算获得光学系统参数如下所示：
表1光学系统指标表
性能参数 | 指标 |
波段 | 1～1.7μm |
相对口径 | 1:2 |
探测器分辨率 | 640×512 |
像元尺寸 | 15μm |
入瞳直径 | 100mm |
视场 | 2.7°×2.2° |
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2.2光学系统结构选择
目前在光学系统结构主要分为三类：分别为折射式光学系统、反射式光学系统、和折返光学系统。折射光学系统主要原理为通过不同光焦度、不同材料的透镜的组合进行像差消除，最终完善成像，其优点可以对实现大视场范围成像，缺点是整体尺寸较长，同时受制于透镜材料及大尺寸透镜加工难度大的影响，难以做到大口径。反射式光学系统主要通过不同光焦度反射镜组合实现成像，其优点系统长度可以设计较短，不受光学材料的的影响，系统无差，可以做到宽波段大口径成像；其缺点为难以做到较大的成像视场，且系统灵敏度较高，对加工和装调都有较严格要求。折返光学系统通过采用透镜和反射镜结合光学系统，可以在反射式系统基础上增大光学系统视场角[4]。
根据系统指标，系统入瞳直径为100mm，视场角为2.7°×2.2°，且有较大相对大口径，综合以上三类结构的特点。本系统选择折射式光学系统结构，可以有效实现相对大视场成像，加工及装调难度小，可以有效降低系统的加工周期、降低生产成本。
2.3光学系统设计
在大相对孔径光学系统设计时，在现有的专利中选取与目标光学系统参数接近光学进行优化，在材料方面选择CDGM的的玻璃材料。
光学系统设计结果如下所示：系统由5片镜片组成，总长度为257mm。其中第1、3、4镜片为正透镜。2、5镜片为负透镜。5镜片采用4材料分别为H-ZPKK7、H-TF8、H-LAF55、H-K9L，四种材料在1～1.7μm波段具有较高的透过率，可以保证光学系统具有较高的效率。内存缓冲区
图2 光学系统结构图
从图3-a，3-b中可以看出光学系统的传递函数达到了衍射极限，3-c中可以看出在15μm的半径中能量集中率达到了90%，图3-d中可以看出全视场畸变＜1%，整系统具有较高的成像质量，满足指标要求。
a 光学系统传函图 b标准点列图
c 几何圈入能量图 b视场畸变图
图3系统成像质量图
2.4光学系统公差分析
考虑加工及装调公差对系统影响，采用蒙特卡洛方法对光学系统进行公差分析，公差分配如下表所示：
表2系统公差分配表
| 面型误差 | TILT X /″ | TILT Y /″ | DEC X /mm | DEC Y /mm | 间距/mm | 折射率 | 阿贝数 |
透镜1 | 3-0.3光圈(λ=632.8nm) | ±60 | ±60 | ±0.02 | ±0.02 | ±0.02 | 0.0005 | 0.003 |
透镜2 | 3-0.3光圈(λ=632.8nm) | ±30 | ±30 | ±0.02 | ±0.02 | ±0.02 | 0.0005 | 0.003 | 特种设备检验检测人员管理系统
透镜3 | 3-0.3光圈(λ=632.8nm) | ±60 | ±60 | ±0.02 | ±0.02 | ±0.02 | 0.0005 | 0.003 |
透镜4 | 3-0.3光圈(λ=632.8nm) | ±60 | ±60 | ±0.02 | ±0.02 | ±0.02 | 0.0005 | 0.003 |
芯模透镜5 | 3-0.3光圈(λ=632.8nm) | ±60 | ±60 | ±0.02 | ±0.02 | ±0.02 | 0.0005 | 0.003 |
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从图4中可以看出在给定公差分配后，33线对处传递函数＞0.3，光斑能量集中度80%在2个像元内。可以保证该系统在加工装调后仍具有较好的成像质量。
图4公差分配后传递函数及能量集中度图
3 结论
设计了一大相对口径短波红外成像光学系统，采用透射光学系统结构，成像波段1～1.7μm，口径100mm，焦距200mm，相对口径1:2，视场角2.7°×2.2°，传递函数接近衍射极限。经过分析，对透镜面型误差3个光圈、局部0.3个光圈，倾斜误差60″，偏心、间隔误差0.02，折射率误差0.0005，阿贝数误差0.3%下，光学系统传递函数＞0.3。确保了该系挂墙柜
统在加工及装配后成像质量仍满足指标要求,相较与传统的短波红外成像系统，提供了一种新的设计思路。
参考文献
[1]钟兴.《多波段短波红外相机光学系统设计于成像质量评价》
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