基于应用型人才培养的红外光学系统课程建设研究

应用型人才培养是当前高等教育必须重视的人才培养模式,应用型人才的培养质量反映我国各高校的办学水平及课程的教学效果。该文结合工科专业应用型人才培养实际,从课程内容、教学资源、教学实施与模式及评价体系、教学反思等方面,以红外光学系统课程为研究对象,阐述红外光学系统课程建设的思路、内容及评价。以课程建设促进教学深度变革,利用信息化、数据化手段提升课程质量及教学效果,为应用型人才培养涉及的相关课程建设提供参考依据。

近红外光学系统在循环肿瘤细胞检测与肿瘤治疗中的应用

循环肿瘤细胞(circulating tumor cell,CTCs)是指从原发或转移的实体肿瘤上脱落后,存在于人体外周血中肿瘤细胞的总称~([1])。CTCs作为临床上肿瘤潜在诊断生物标志物,对其所携带的分子生物学信息性质和数量的检测对肿瘤治疗、疗效评价、预后评估和复发监测具有重要意义~([2])。

基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74×10^(-2)mm,在黑体温度为100℃时,光子计数率提高了6.4×10^(4)cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102℃时,光子计数率提高了9.1×10^(4)cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

红外光学系统光谱透射比校准技术

针对红外光学系统透射比参数无法准确测量的问题,开展了红外光学系统光谱透射比测量和校准技术研究。通过对积分球法、大面积均匀源法等测量方法进行分析,研究构建了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置,并建立了完整的光谱透射比量值溯源和量传链条。利用该装置实现了2μm~14μm波长范围的光谱透射比测量,对测量结果进行不确定度分析,结果为2%。相对于以往的透射比测量装置,该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。

大口径红外光学系统透过率测量装置

针对大口径红外光学系统的整机透过率测量难题,提出了基于图像灰度的单通道红外透过率测量方法,搭建了大口径红外光学系统整机透过率测量装置。首先,将黑体和靶标按照指定位置关系放置于待测红外光学系统的焦平面处,将红外热像仪放置于待测红外光学系统的入光口,采集被测系统的辐射图像;接着,将黑体放置于红外热像仪前,采集黑体辐射图像;最后,分别计算被测系统辐射图像均值和黑体辐射图像均值,二者比值即为被测系统的透过率。以某型大口径红外光学系统作为被测系统,开展了红外透过率测量实验。实验结果标明:本文方法测量值与设计值的绝对误差为0.85%,对测量结果不确定度进行分析,测量精度约为1.04%,测量方法可行。此方法测量过程简单,为大口径红外光学系统的整机性能评估提供了有效手段。

制冷红外光学系统中冷反射的非序列仿真分析

在制冷红外光学系统中,制冷探测器通过前面的光学表面反射,使得探测器探测到自身的像,形成边缘亮而中心暗的黑斑现象被称为“冷反射”现象。冷反射严重影响制冷红外光学系统的像面非均匀性,在进行光学设计时需对其严格控制。本文以某中波制冷红外光学系统为例,提出了能有效解决或降低冷反射效应的技术途径,对原设计改进优化,利用ZEMAX光学设计软件建立非序列数学模型,进行仿真分析,经分析改进后光学系统冷反射由40%下降到13%,并开展了工程样机成像实验,实验现象与仿真结果基本一致,表明该分析方法能准确地反映红外光学系统中的冷反射实际情况,可作为制冷红外光学系统研制生产前的判定依据。

一种轴向变倍四视场中波红外光学系统

设计了一款长焦距大变倍比轴向变倍四视场中波红外光学系统.该光学系统由前固定组、变倍调焦组、中间补偿组、后固定组、反射镜一、反射镜二、中继组组成.光学系统采用光学补偿叠加机械补偿方式克服单一光学补偿或机械补偿变焦方式无法同时满足光学系统长焦距、大变倍比、光学系统小型化、光学系统宽温度范围(-40℃~70℃)温度补偿等问题,实现了兼具长焦距和大变倍比的轴向变倍四视场中波红外光学系统.设计结果表明该光学系统像质良好,满足热象仪整机使用要求.

主动补偿无热化技术在机载红外光学系统中的应用

为了提高机载红外光学系统的环境适应性,分析了温度对光学系统的影响,比较了各种无热化补偿措施的优缺点。对提出的红外光学系统的结构形式、无热化补偿量进行了研究。首先,根据该系统无热化补偿的特点确定了主动无热化补偿的技术路线。接着,指出常规的凸轮-电位计检调焦机构无法满足要求,确定了以高精度步进电机为执行元件的方案。然后,针对该方法存在丢步的问题,引入线性霍尔元件作为位置反馈元件,采用局部拟合的方法实现了高精度无热化补偿。最后,介绍了该镜头的变倍及无热化补偿机构的实现方法。实验数据表明,此方案的补偿精度可以达到0.02mm,实现了红外光学系统在全温度范围内MTF下降到0.05以内。该方法基本满足两档变倍红外光学系统在全温度范围内的性能要求。

空间双波段成像光谱仪红外光学系统的设计

分析了空间双波段成像光谱仪光学系统的光学特性 ,提出利用光学材料间焦距位移系数的互补性 ,实现光学系统消热差、消色差设计方法 ,建立了一组既消热差又消色差的方程组 给出了利用这种方法设计的视场角 10° ,焦距 10 0mm ,F数为 1.98,温度范围在 - 2 0℃～ 70℃ ,工作波长为 3～ 5 μm和 8～ 11μm具有 10 0 %冷光栏效应的双波段消热差、消色差光学系统 ,分析了系统各波段传递函数。

红外光学系统的无热化设计

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义,分析了温度对红外光学系统的影响,描述了目前无热化设计的方法。采用了常用的光学材料和球面透镜实现了无热化设计,试验证明了光学系统在-45^+60℃范围内保持良好成像。

硫系玻璃及其在红外光学系统中的应用

硫系玻璃是指以元素周期表VIA族中S,Se,Te为主并引入一定量的其它类金属元素所形成的玻璃,它具有优良的透中红外和极佳的消热差性能,被视为新一代温度自适应红外光学系统核心透镜材料,可广泛应用于军用(夜视枪瞄、红外肩扛导弹、战机夜视巡航等)和民用(汽车夜视、安防监控等)红外光学系统中。回顾了硫系玻璃发展历程,从商业硫系玻璃产品、制备工艺技术、玻璃精密模压技术及在红外光学系统应用4个方面总结了硫系玻璃目前的发展现况,并对其发展前景进行了展望。

机载双视场中波红外光学系统优化设计

为了满足机载红外搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论及中波红外系统的特点,设计了320 pixel×256 pixel的中波制冷型焦平面阵列探测器的双视场中波红外光学系统。系统采用了二次成像结构,并在系统的第一像面位置安装光阑,以此减小杂散光对系统的影响。设计结果表明:系统具有100%冷光栏效率,在仅移动一片透镜的情况下可实现在800和400 mm的两档变焦,系统F数为4且恒定不变,像面保持稳定,系统场曲<0.04 mm,畸变<2.5%,在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处光学传递函数的峰值>0.5,表明光学系统的像质满足使用要求。

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器。

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视，使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统，分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件，系统的主要技术指标为：工作波段3-5μm、8-12μm，F/#=2，2ω=5.74o，f’=100 mm，全视场畸变〈2%，空间频率16.7 lp/mm处的MTF〉0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究，给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线，总结了3种不同类型光学系统的优缺点。

镜面污染对红外光学系统杂散辐射性能的影响

高灵敏度的红外光学系统中,系统自身热辐射成为影响系统探测性能的重要因素之一,而在一些应用低散射光学元件的散射敏感红外光学系统中,污染微粒经常是杂散辐射的主要来源。以卡塞格伦结构为例,利用ASAP光学分析软件,建立了红外望远镜系统的三维仿真模型。在此基础上,对反射镜干净、基本洁净(洁净度250)、轻度污染(洁净度500)及重度污染(洁净度750)4种情况下探测器像面上的系统自身热辐射通量进行了仿真计算,并基于有效发射率的概念对系统的杂散辐射性能进行了评价。最后,分别以镜面干净和重度污染为例,展开污染微粒对探测器像面上杂散辐射通量分布影响的讨论,利用标准差对像面上辐射通量分布的均匀性进行了评价。研究结果表明,污染微粒会轻微地改变探测器像面上的辐射通量分布,明显增大系统的有效发射率,显著降低系统的杂散辐射性能。因此,保持光学元件表面的清洁至关重要。

红外光学系统无热化设计的途径

介绍了目前国内常用的主动式无热化技术和国外已成功采用的被动式无热化技术的原理。根据国内的加工工艺水平,分别从3个角度:球面系统光学材料匹配;引入非球面;使用简单的机械辅助结构讨论了从国外引进被动式无热化技术的可能性。经实例设计和大量数据分析得出结论。另外还介绍了目前国内适用于热成像的红外光学材料。

折-衍混合型两档变倍红外光学系统设计

当今红外成像光学系统应用广泛,根据需求,越来越多地采用双视场切换式红外光学系统。为了获得成像质量更好、轻量化的光学系统,引入了衍射光学元件进行光学系统设计,从而提高了镜头的成像质量,减少了光学元件的数量,减轻了系统质量。介绍了含有衍射光学元件的两档变倍光学系统的设计原理,设计了一个含有非球面且结构简单、装调容易的折-衍混合的两档变倍的红外光学系统,分别对长、短焦距位置进行了像差分析,该设计能够很好地满足实际工程的需要。设计结果表明采用衍射光学元件的红外光学系统能够有效地改善光学系统的像质,减小光学系统的体积。

折反式坦克目标跟踪识别红外光学系统设计

基于光学相关探测,根据坦克目标跟踪识别系统的需求,设计了一种新型的卡塞格林红外光学系统,其非球面的主镜和次镜都取代为球面镜,不存在卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调困难的问题;为满足大视场、大孔径的像差要求,用三个校正透镜,在保护罩中用一个偶次非球面。其系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,并且各视场均能获得接近衍射极限的成像质量,满足坦克目标跟踪识别系统的总体要求和像质的要求。

无调焦非制冷红外光学系统的无热化设计

论述了通过景深分析和无热化设计实现无调焦光学系统的原理。基于长波大面阵(640×512)非制冷探测器,设计了同时适应物距变化(15 m～100 m)及温度变化(-55℃～+70℃)的无热红外光学系统,焦距33 mm,F数1.3。设计结果表明,该系统在宽温度范围内具有良好的消热差性能,并且完全覆盖目标物距范围,从而实现了无调焦的要求,提高了系统操作性和可靠性。

红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系

建立了红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系 ,即可把红外光学系统无热化设计过程看成是广义变焦过程。介绍了设计广义变焦距镜头的过程 ,并进行了相关的理论推导。设计广义变焦距镜头的过程可分为以下四个步骤 :(1)在常温下满足像质要求的系统内设定变焦位置 ;(2 )建立不同温度状态下的玻璃库 ;(3)建立不同变焦位置的联系 ;(4)温度分析与加入消除热效应因素。