从短波光学系统的初步设计看短波杜瓦的开发

　　0引言

　　从空间监测大气层的某些飞行器，短波具有一定的优势，如图1所示为晴朗夜空的光谱辐射亮度[1](在白天需加上3μm以下的散射太阳光线，阴暗天空的光谱辐射亮度曲线可以和黑体的相比拟)，从图中可以看出，热辐射主要集中在4一20μm波段，短波段热辐射很少，可以作为红外系统的背景;图2所示为某些飞行器(包括超音速运输机)在大气层中的平衡温度值(包括观测值和计算值)与所对应的辐射通量密度的峰值波长的对应图表[1]，从图中可以看出，某些飞行器在空中飞行时与空气摩擦产生热，其平衡温度所对应的峰值波长在短波段;因此从空间监测天空中的某些飞行器，短波段具有一定的优势。

　　1短波红外光学系统的设计

　　1.1材料的选择

　　短波红外((SWIR)光学系统可以选择卤化物、氟化物、ZnSe, ZnS, Amtir 1等光学材料[2]，但是由于机械特性、化学持久性等的限制，卤化物不作为候选材料，又由于材料的可获得性，加工及镀膜经验的限制，可选择的材料限制在氟化物、ZnSe, ZnS等几种材料上。

　　1.2结构设计

　　设计了一款焦距为100mm，F/4的SWIR光学系统(波长为1~3μm，所用器件为SWIR 320 X 256 )，其结构如图3所示，杜瓦的冷屏为光学系统的出瞳，设计追求的是100%冷屏效率，冷屏在杜瓦中的位置如图4所示。光学调制传递函数(MTF)的设计值如图5所示，像点能量分布的设计值如图6所示;在图3所示的结构中，用了五块球面镜，若再减少系统镜片的数量，对增加非球面有所帮助，但是在光路中适当的位置加入孔径光阑，效果更加显著。在杜瓦的窗口之前加入孔径光阑，对系统进行优化，得到如图7所示的光学系统结构，光学系统的光学调制传递函数(MTF)的设计值如图8所示，像点能量分布的设计值如图9所示;与图3的结构相比，设计性能基本未变，但系统少用了一块透镜，同时系统长度变短。

　　在图7中，光学系统的出瞳移到孔径光阑附近，杜瓦内部的冷屏不再是光学系统的出瞳，冷屏效率下降，但出瞳和冷屏在几何位置上是完全匹配的[3]，没有渐晕，光的透过率增加了。

　　由以上分析可以看出孔径光阑放在不同的位置，SWIR光学系统的尺寸、透过率、MTF都不同。

　　1.3系统的信噪比

　　SWIR光学系统要求有较高的信噪比，若W_T为目标出射度，w.cm^-2，;ε_T为目标发射比;W_B为背景出射度，w.cm^-2;ε_B为背景发射比;D*为探测器的可探测比，cm.Hzl/2·w^-1;Δf为噪声等效带宽，Hz;τ 为光学透射比;d'为探测器尺寸(假设为方形)，cm;F/#为光学系统的F/#，则: