红外大变倍比连续变焦距系统光学被动式无热化设计

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计,研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法,设计了一个焦距30~150mm,长波红外工作波段在8~12μm,相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统,并进行光学被动消热差设计,使系统在-30℃~60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理,成像质量满足要求,通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。

红外光学系统被动式无热化设计方法

红外光学系统在一定温度条件下会由于温度变化导致系统成像质量变差。利用光学材料热特性之间存在的差异,提出一种光学被动式无热化设计方法,分析了透镜组的消像差方程组并进行求解,讨论了不同透镜材料消热差和消色差的实现过程,利用不同材料合理匹配与合理分配光焦度实现热补偿。针对相同技术指标,设计了两个红外双波段光学系统并对两种系统性能进行比较,结果表明,采用热补偿措施的红外系统在-40～+60℃温度范围内弥散圆尺寸变化不大,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限,不同温度下系统焦距的变化不影响成像质量和性能。

长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计

对于长波红外长焦距光学系统,大孔径能使系统具有更好的成像亮度,但也带来了孔径边缘像差较大且难以校正的问题。利用折反射式结构减少光学系统总长,采用两块反射镜结构作为基础,在其后搭配一组校正折射透镜构成光学系统,并应用光焦度分配、消热差及消色差条件,设计出大孔径、长焦距的长波红外无热化光学系统。该光学系统工作波段为8~12μm,焦距为800 mm,全视场角为0.6°,F数为2.5,遮拦比为0.2,光学系统总长为344.62 mm;在-40~60℃工作温度范围内,全视场角的调制传递函数值在奈奎斯特频率20 lp/mm处均大于0.25。设计的长波红外大孔径长焦距光学系统由2块反射镜和4块折射透镜组成,系统结构紧凑,成像性能稳定,可为类似此类光学系统设计提供参考。

基于硫系玻璃的光学被动式红外无热化镜头设计

为了提升产品的可靠性,设计了一款工作在8~14μm波段的光学被动式无热化红外镜头。该镜头无需调焦即可在宽温度范围内清晰成像。系统选用可压型加工、适合大批量生产的新型硫系玻璃。本文中的光学镜头选用三片式结构,基于折/衍射原理设计而成,是一款光学被动式无热化镜头。该镜头的焦距为42 mm,F数为0.9,可匹配像元大小为14μm、像元数为640×512的非制冷长波红外探测器。这种镜头在-40℃~50℃温度范围内以及在全视场范围内均能清晰成像,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)在工作温度和全视场范围内均大于0.38@36 lp/mm,接近衍射极限。

被动式红外光学系统无热设计

围绕环境温度效应这一主题,着重分析了温度变化对光学材料折射率、光学元件的曲率半径和厚度以及光学元件之间的间隔等三方面的影响,并介绍了其解决方法,以无热技术来消除其产生的影响,从而使系统在要求的温度范围内保持良好的成像质量。最后设计了一个适用于3μm～5μm波段的红外光学系统,采用光学被动式无热技术来消除温度效应对系统的影响。

红外双波段双层衍射定焦光学系统设计

通过对多层衍射光学元件在中、长波红外波段的设计分析与计算,设计了一种焦距为200 mm的红外光学系统,在中波红外和长波红外两个波段的透过率均大于80%,成像效果良好并且满足无热化设计要求。其采用了双层衍射技术,选用锗、硒化锌和硫化锌等材料,高效率地实现了衍射目的,提升了两个波段的光学透过率。采用了二次成像的光学系统结构,实现了光学小口径设计,其光学传递函数能够在-55℃至+71℃环境下实现无热化成像的要求,达到了设计目的。

中波红外光学系统被动无热化设计及测试

温度变化对红外光学系统的成像质量有很大影响。根据中波红外光学系统工作环境要求,分析了导致光学系统成像质量下降的主要因素,推导出同时消热差和消色差的材料组合公式,采用结构件为铝,光学材料为AMTIR-1和Ge组合消热差,设计了光学被动无热化中波红外光学系统,在-40～60℃温度范围内系统成像质量达到衍射极限,离焦量在一倍焦深以内。为实际考核集成了探测器后中波红外系统的无热效果,建立了无热化光学系统测试平台,对高温箱内的中波红外系统进行测试,采集探测器输出的数字图像,在3×3像素窗口内计算单像素的能量集中度,60℃时的单像素能量集中度下降到20℃的89.3%,测试结果表明:系统具有很好的成像质量和无热效果。

长波红外光学系统混合被动无热化设计

结合光学被动无热化和机械被动无热化各自优势,提出一种低成本、高质量混合被动无热化方法。针对焦距75 mm,F/1的无热化镜头研制要求,分别利用光学被动无热化和混合被动无热化设计实现。对比发现,相较于传统的机械被动式无热化,混合无热化可减小补偿结构的体积和复杂性,从而有助于系统的小型化、轻量化;相较于光学被动无热化,在保证成像质量相当的情况下,可减小系统的体积和加工难度。从而证实,利用混合被动无热化技术可实现低成本、高质量的长波无热化镜头设计。

二次成像光学被动无热化设计

介绍光学被动无热化设计的原理,对二次成像系统进行热离焦分析,提出一种使物镜组和中继镜组无热化,从而实现二次成像系统无热化设计的方法。研究由三种材料4片透镜构成的镜组无热化的图解法并给出详细设计步骤。采用Ge、ZnS和CdTe三种常用的红外材料,设计一个长波二次成像光学系统。设计结果表明该系统在-60～70℃的温度范围内,具有良好的消热差、消色差性能。

光学被动式和机电式组合消热差方法的研究

为了解决机电式消热差中光学系统热差太大,透镜的移动不能补偿温度变化引起的像面漂移问题,提出光学被动式和机电式消热差相结合的无热设计方法。该方法先通过光学被动消热差方法得到合理的消热差透镜组合,使热差控制在较小的范围内;然后通过机电消热差的方法消除剩余热差。在(-40～60)℃温度范围内,利用该方法对波长为(7.5～10.5)μm的双视场红外光学系统进行无热化设计,借助传递函数(MTF)对设计结果进行评价,说明该设计在整个温度范围内满足系统像差要求。

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃~60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明:星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。

红外光学系统无热化设计方法的研究

无热化设计是利用不同手段消除环境温度变化对光学系统性能的影响。针对红外光学系统,提出一种光学被动式无热化设计方法。从单个透镜出发,列出透镜组的消热差方程组,通过笛卡尔坐标系描绘出常用红外材料的消热差系数和消色差系数,使用图解方法求得红外材料的合理组合,同时得到归一化的组合光焦度分配。最后用实例说明光学被动式无热化设计的求解过程,并通过光学设计软件对结果进行分析,说明该设计结果在-40℃～+60℃温度范围内均满足消热差和像差要求。

大相对孔径长波红外光学系统无热化设计

针对目前许多军工仪器红外成像系统的结构简单、体积小、质量轻的无热化设计要求,采用光学被动式方法对8μm～12μm波段、相对孔径为1的红外光学系统进行了无热化设计。具体光学系统参数:F=1,f=60mm,2ω=11.4°。设计结果:在-40℃～60℃工作范围内,该系统的调制传递函数(MTF)接近衍射极限,空间分辨率在20lp/mm处,中心视场传函接近0.7,边缘视场传函大于0.6。其设计结果满足系统的无热化设计要求。

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C(尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40~+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8~12μm,焦距变化范围为20.7~126 mm,对应F#为1.05~1.2,视场变化范围为21°×16.8°~3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。

红外二次成像无热化光学系统设计与实测

阐述了二次成像红外光学系统相比于一次成像红外光学系统而言,对温度变化更加敏感的特点及其影响,讨论了基于光学被动式无热化原理的二次成像红外光学系统的设计方法。不仅给出了设计的一个红外制冷型二次成像光学系统的实例,还对该无热化镜头进行了实际加热对比成像试验,并给出了成像测试结果。设计结果表明:该系统在-40℃^+80℃的温度范围内,像质接近衍射限,最佳像面变化量在一倍焦深范围之内,焦距变化率低,实现了光学被动式无热化。实际测试结果显示,所设计的二次成像无热化光学系统,具有良好的无热化能力,高温环境下无需调焦依然清晰成像。

可见-近红外无热化连续变焦光学系统设计

变焦系统中,动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化,环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变,给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题,从光学系统像差模型出发,将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类,并结合变焦系统的消色差和消热差模型,讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则,及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法,给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例,该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68μm和0.7~0.9μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料,透镜总数12组16片,总长仅90 mm,在-40~60℃范围内,变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。

紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

针对红外双波段量子阱探测器,设计了一个可同时工作在4.4~5.4mm（中波段红外）和7.8~8.8mm（长波段红外）波段的仅含3片透镜的紧凑型双波段无热化光学系统,有效焦距为30 mm,f/#为2.1。对比先前报道的双波段无热化红外光学系统,此设计仅采用硫系玻璃材料Ge_（20）Sb_（15）Se_（65）制备的两片镜片和常规红外材料Zn S制备的一片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统在中波红外及长波红外两个波段的无热化设计效果,且不含衍射面,整体结构紧凑,制备难度低。利用硫系玻璃易于精密模压制备非光学球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计一处非球面。设计结果显示,系统在两个红外波段,-40℃~60℃温度范围内像质良好,且光学调制函数（MTF）接近衍射极限。

基于制冷型探测器的双波段红外光学系统无热化设计

针对640×512阵列双波段制冷型探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载红外搜索跟踪系统。该光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合,实现了消色差和消热差设计,通过引入非球面和构型优化,很好地校正了系统的高阶像差,简化了系统结构。光学系统仅由8个镜片构成,工作波段为3.7~4.8μm和8~9.4μm波段,F数为2,焦距360 mm,视场2.54°×2.03°,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-55^+70℃温度范围内,双波段成像质量良好。非均匀温度场分析表明,光学系统温度梯度容忍性较好。

空间光学系统无热化设计

在空间光学系统无热化设计时，需要考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献．满足系统总光焦度和消热差、消色差要求，解出各光学组元的光焦度．再在保持光焦度不变条件下进行像差平衡．本文以成像光谱仪为例，对反射系统进行了热分析，对折射系统介绍了无热化设计的原理和方法，并给出了设计结果．

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40^+50℃无热化设计。设计结果表明:光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。