大变倍比制冷型长波红外变焦光学系统设计

长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦,利用主动补偿的消热差技术使系统在−40°C~+65°C温度范围内能够清晰成像,实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm,变倍比为15,光学系统包络尺寸为268 mm(长)×200 mm(宽),光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征,在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XBnn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有显著抑制作用。本文在GaSb衬底上采用分子束外延技术生长了nBn和pBn两种结构的InAsSb/AlAsSb/AlSb中波红外光探测器材料,并通过微纳加工工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG结构探测器。XRD和AFM的测试结果表明,两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。器件暗电流测试结果表明,相较于nBn器件,在室温和反向偏压400 mV的工作条件下,直径90μm的pBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm^(2),说明该器件在室温非制冷环境下表现出较低的噪声水平。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明,pBn器件的表面电阻率低于对照的nBn器件的表面电阻率。另外,根据探测器的电容测试结果,可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区,nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明,直径90μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz,对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz,响应速度提升了29.7%,初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光电探测器。

中波红外成像系统冷反射抑制

冷反射现象是指在红外热成像系统中制冷探测器通过前面光学表面的反射而探测到的自身的像,冷反射的控制是红外成像系统的重要任务。本文设计了一款采用Cassegrain(卡塞格林)反射结构的制冷型中波红外成像系统,分析了该系统的冷反射现象,得到了冷反射现象严重的表面。接着,通过Zemax软件降低这些严重面的冷发射,在控制冷反射的同时兼顾系统传递函数MTF的优化。通过NARCISSUS宏命令(冷反射分析宏命令)、Tracepro建模软件和实际成像图将优化后的中波红外成像系统与冷反射抑制前的系统进行比对。结果显示:探测器像面冷反射引入的等效温差(NITD)由1.0484 K下降到了0.1576 K,同时系统在调焦过程中冷反射斑的能量和尺寸无明显变化,优化后的光学结构有效地控制了系统的冷反射。

分时型长波红外偏振成像系统图像配准研究

针对分时型长波红外偏振成像系统在图像采集过程中,由于在不同偏振方向获得的原始图像存在平移或者旋转的问题,使用自行搭建的分时型长波红外偏振成像系统拍摄的2组不同复杂程度场景图像作为实验对象,利用3种经典的特征检测算法(Harris角点、尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT)和KAZE)和2种匹配器(Brute Force和Flann)进行图像配准实验。结果表明:KAZE算法检测出的特征点数比Harris和SIFT算法少,但与Brute Force匹配器搭配时的配准正确率分别为79.58%和59.53%,远大于Harris和SIFT算法的配准正确率;KAZE与Brute Force组合作为偏振成像系统的图像配准算法时,配准后的图像中物体的几何形状和边缘轮廓更加清晰,很好地减少了像素偏差带来的影响。

制冷型中波红外偏振成像光学系统设计

除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外,基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比,应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰,增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力,采用分孔径同时偏振成像方式,完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析,保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明,光学系统的MTF接近衍射极限,各类像差得到了有效校正,成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外,最终完成的光学系统结构紧凑,透过率高,避免了非球面的使用,具有良好的加工和装配工艺性。

制冷型被动式消热差红外光学系统设计

在大温差条件下,由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈,对杂散辐射要求较高。为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量,通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法,设计了一套制冷型中波红外光学系统。该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成,工作波段为3.7~4.8μm,F数为2.5,焦距为62.5 mm,视场为14.36°×10.87°,探测器采用640×512阵列中波制冷型探测器,通过采用硅、锗材料组合,合理分配光焦度,实现了消色差和消热差设计,通过冷反射优化和冷光阑匹配设计,较好地抑制了系统的杂散辐射噪声,通过引入少量非球面优化,在满足指标要求的情况下,对高阶像差进行了校正。结果表明,光学系统在−55~+70℃温度范围内,成像质量稳定良好。

凝视型红外探测系统的三维噪声研究

应用三维噪声模型分析了凝视型中波红外探测系统的噪声特性,并研究了信息处理方法对各类噪声分量的抑制效果。在不同积分时间下对不同温度的面源黑体连续采集图像数据并进行分析,发现增加积分时间和黑体入射能量时,各噪声分量都先以非线性形式迅速减小再逐渐趋于恒定,且各噪声分量会呈现出各自特有的图像模式。研究发现在未经任何信息处理的原始图像中,空间噪声是系统噪声的主要成分;综合运用空间和时间噪声抑制方法后,空间噪声几乎被完全抑制,时间噪声降低约一半,瞬态像素噪声成为噪声的主要成分。

一种制冷型红外近景成像系统的无调焦设计

针对制冷型近景成像红外光学系统，讨论了近景系统调焦量对系统冷反射的影响，分析了在定焦近景成像系统中采用无调焦设计的必要性，以及如何选取合适参数提高系统景深、如何选取材料进行无热化设计从而实现无调焦的设计方法。基于320＆#215;256中波制冷探测器，设计了一个焦距为20 mm、F/4的无热化红外光学系统，该系统景深范围可以覆盖成像范围（1～10 m），且在-40～55℃的温度范围内实现无调焦清晰成像。

紧凑型折/衍混合中波红外无热化成像光学系统

分析了衍射光学元件的温度特性,利用衍射光学元件,设计了工作波段在中波红外、全视场为5.2°的红外无热化成像光学系统。设计结果表明,该光学系统在-55℃^+80℃的温度范围内系统的MTF接近衍射极限,全视场内的MTF数值在33 lp/mm处达到0.5,像质优良。该光学系统最大直径为110 mm,总长90 mm,满足了技术指标要求。

紧凑型中波红外成像系统无热化设计

红外成像光学系统应用日益广泛,并且对小型化有了更高要求,因此提出一种紧凑型中波红外成像系统的无热化光学设计。首先针对需求对光学参数进行了分析与计算,根据参数要求采用卡塞格林系统缩短系统纵向尺寸,然后用中继透镜组校正像差,考虑到透镜易于加工、成本低,中继透镜组采用全球面面型,最终实现了卡塞格林系统的次镜到红外探测器之间的尺寸小于47 mm,使系统足够紧凑。通过合理选择材料以及光焦度的分配,推导光学被动消热差方程,计算出系统的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化,最终实现波段为3.7~4.8?m,视场为3°×3°,温度范围-40℃^+50℃消热差结果,在空间频率17 lp?mm-1处,各视场光学调制函数(MTF)值均大于0.5。

offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计

为了适应不同视场光谱仪的应用需求,设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦,同时采用光栅型offner同心结构进行光谱分光及成像,系统工作波段为3~5μm,选用制冷型红外探测器,系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算,并应用zemax软件对各子系统进行优化,使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限,点列斑均方根半径均小于一个像元大小,设计的结果显示系统结构简单,在各个焦距位置及各谱段下,像质均满足了设计指标要求,成像质量良好。

紧凑型折反式制冷型中波红外成像光学系统设计

为解决长焦距大口径红外成像光学系统长筒长、大体积、高成本的问题,设计了基于卡塞格林结构(卡式结构)的折反式制冷型中波红外成像光学系统。鉴于该类系统初始结构的确定缺乏充分的理论指导,推导了由拦光系数α、副镜放大率β_(sec)和中继镜组垂轴放大率β_(relay)三个关键参数表示的计算公式,包括光学系统初始结构参数、系统长度T值、卡式结构初级球差和初级彗差计算公式,分析了系统像差校正难度和紧凑性随α、β_(sec)、β_(relay)的变化规律。基于像差校正难度与结构紧凑性之间的相互矛盾关系,提出了关键参数的最佳取值方法,为确定系统初始结构提供了重要的理论指导。使用ZEMAX软件对初始结构进行设计优化,完成了一款焦距为-600 mm、F数为2的紧凑型折反式制冷型中波红外成像光学系统,系统实现了100%冷光阑效率,总长为428 mm,各视场调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率处均大于0.4,并对系统进行了公差分析,验证了理论的正确性和系统可加工性。

Offner型中波红外成像光谱仪分光系统的设计

Offner型分光系统属于同心光学系统,适用高光谱的分光系统。通过分析和计算确定轴外物点的子午像点和弧矢像点,从而得到Offner型分光系统像散的表达式,采用中心波长消像散的思想,确定系统的初始结构。优化设计适用于中波红外波段（3,000~5,000,nm）的该类型成像光谱仪分光系统。设计得到的系统具有结构简单紧凑、相对孔径大（F/2.5）、物像方远心等优点,色畸变和谱线弯曲均小于0.1%,,成像质量接近衍射极限。

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120°的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5μm^4.8μm、长波7.8μm^9.8μm,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122°/44.49°双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃^+60℃范围内,在奈奎斯特频率18lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。

凝视型红外成像系统中冷像的仿真分析

在凝视型红外成像系统中,虽然焦平面阵列的非均匀性校正可以消除冷像的影响,但是校正后工作条件发生改变时,冷像变化的影响会显现出来,因此,在设计凝视型红外成像系统时冷像的分析显得很重要。通过分析红外光学系统中冷像形成的原因,根据辐射学原理分析各表面的冷像贡献,并建立了冷像等效温差(NITD)的数学模型。以该数学模型和动态数据交换接口(DDE)技术为基础,运用光学软件ZEMAX及仿真软件MATLAB进行联合仿真,实现了凝视型红外成像光学系统的冷像等效温差的计算和分析,并给出了焦平面阵列上冷像的效果图。实现了在凝视型红外成像系统光学设计过程中对冷像的评估。

应用光力学效应的非制冷红外成像系统

应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列(FocalPlaneArray-FPA),配有可见光读出部分的红外成像系统,可以在8至14μm光谱区得到热物体成像。其核心部件是双材料悬臂梁结构的焦平面阵列。不同于利用其他效应的非制冷红外成像系统,此种成像系统可以方便的在室温下正常工作,而且省去了相当复杂的信号转换电路,降低了制备复杂程度和成本。采用MEMS表面硅工艺制备FPA,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理、光学读出系统、工艺制备难点,并得到了高温物体红外源的成像响应结果。

凝视型红外光电成像系统主要参数的实验室测评分析

综合阐述了凝视型红外光电成像系统实验室主要参数测评,并对最小可分辨温差MRTD、系统调制传递函数MTF和噪声等效温差NETD等参数的测试方法进行了陈述,给出了具体测试实验过程和实验结果,对影响测试结果的因素进行了分析。

基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外成像系统

报道了一种利用MEMS技术制备 ,基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外焦平面阵列 (FPA)并配有可见光读出部分的红外成像系统 ,可以在 8～ 14 μm光谱区得到成像。基于该结构的非制冷红外成像系统利用的是光力学效应原理。我们采用MEMS表面硅工艺制备FPA ,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理 。

中波红外共口径偏振成像系统分析与设计

对红外偏振成像的国内外发展现状进行了分析。根据中波红外偏振成像的应用需求,提出了一种中波红外共口径偏振成像系统。该系统由前置共口径和后置分口径成像系统组成。后置分口径成像系统包括四个偏振通道,每个通道上放置不同的偏振元件,这样系统就可以实现全偏振成像。根据所使用的探测器,完成了系统分析与设计工作。设计完成之后,系统的MTF>0.3@17lp/mm。最大RMS光斑直径小于探测器像元尺寸,单个像元能量集中率大于80%。

基于Vega的某凝视型红外热成像系统仿真研究

基于Vega软件的红外仿真模块,结合凝视型热成像系统的具体成像原理,介绍了红外仿真的基本思路,分析了Sen-sorWorks模块的理论基础,把模块模型分解为调制传递函数模型和噪声模型;给出了具体的仿真结果。