红外光学系统的冷光阑效率

    摘要：本文介绍了红外辐射波段的划分以及利用红外技术进行目标探测、跟踪和识别的原理。针对制冷型探测器，介绍了如何利用冷屏和冷滤光片降低背景辐射，并详细讲解了如何优化冷屏的屏蔽效率以实现百分之百冷光阑效率，并解释了出瞳位置对于系统的像差的影响。最后，介绍了二次成像的方法来同时满足要求。

    通常红外辐射波段是指其波长在0.75um~1000um的电磁波。人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为0.75um~3.0um；中红外指波长为3.0um~20um；远红外则指波长为20um~1000um。由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即1um~3um、3um~5um和8um~13um可让红外辐射通过，因而在一些应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。8um~13um还称为热波段。在自然界中，任何温度高于绝对零度(0K)的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。对于致冷型红外探测器，一般是被封装在真空杜瓦瓶内，在器件光敏面前放置了冷屏、冷滤光片，有时还需要对筒壁和光阑进行冷却，其作用都是尽量降低来自视场外的背景辐射。如图所示。

    图：红外光学系统的冷屏为提高冷屏的屏蔽效率，可将冷屏选作孔径光阑（即出瞳），或者说使出瞳与冷屏重合。探测器中心对冷屏孔的张角应与F数（或数值孔径）匹配。另外，冷屏中心对探测器的张角应大于像方视场角，否则探测器不再是视场光阑。如果出瞳不能与冷屏重合，则意味着从像面上边缘点向光学系统反向看过去，可以看见系统内壁。也就是说，从光学系统内壁辐射的热能可以到达系统像面，这样就会造成像面的噪声，影响系统的分辨力。但是，一般来说，孔径光阑的位置，或者说出瞳的位置会直接影响到系统的像差，从像差优化的角度，出瞳的位置应该是使像差最小的位置，所以往往出瞳位置的确定是一个比较复杂的问题。对于一个对无限远一次成像的红外光学系统，既要满足系统的焦距和像高，又要满足出瞳与冷屏重合，一般是不能同时满足要求的。通常，可以采用二次成像的方法，即先成一次中间像，然后再利用一个透镜组（通常称为中继系统）将像成在探测器上，同时满足出瞳与冷屏重合的要求。出瞳与冷屏重合，即满足百分之百冷光阑效率，同时也满足光学系统的各种特性参数的要求。一般来说，采用制冷型探测器的红外光学系统都需要满足百分之百冷光阑效率的要求。

首先，为什么我们只在红外光学系统中讨论冷光阑效率呢？可见光系统应用时，明明也经常对探测器进行制冷。要理解这个问题，就首先要理解红外光学系统和可见光系统原理上的差异。

可见光成像依赖于物体反射或发射的可见光，而红外热成像依赖于目标自身的热辐射，对于所有温度大于绝对零度的物体每时每刻都在源源不断的向外辐射能量，红外热成像探测的正是目标与背景之间的温度和发射率差异（要深入解释的话，涉及到普朗克公式，量子力学正是从这里开始的）。这就产生了一个仅在红外领域存在的问题，即包括各种结构件的光学系统自身也是一个辐射源，我们希望探测器“看到的”只是目标，我们不希望镜筒遮光罩之类的结构参与成像，所以我们将制冷的冷屏，即冷光阑放置在光学系统的出瞳位置。

简单介绍一下三种情况：

①光学系统的出瞳和冷光阑完全重合，此时冷光阑效率为100%，探测器完全接收不到镜筒内壁发出的热辐射（不考虑散射、多次反射等杂散光来源）；

②光学系统的出瞳和冷光阑不重合(出瞳直径大于冷光阑)，一部分筒内壁发出的热辐射可以直接照射到探测器；

③光学系统的出瞳和冷光阑不重合(出瞳直径小于冷光阑)，此时冷光阑起到了渐晕光阑的作用，边缘视场的一部分成像光线被遮挡，在红外热成像中，渐晕往往是不可接受的。

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