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。

中波红外光学系统光学被动无热化设计

介绍了多重结构中波红外系统光学被动无热化设计的方法，设计了一个双视场无热化中波红外光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成，采用光学被动无热化技术设计，通过轴向移动一组（2个）光学元件实现系统变焦；采用硅、锗两种材料及引入两个非球面实现光学被动无热化设计。系统工作波段为4．5～5．1μm，结构紧凑，满足100％冷光阑效率，像质评定结果表明，光学系统在全温度范围内（-60～70℃）双视场像质良好，证明了该方法的正确性与可行性。

双视场红外光学系统被动无热化设计

温度变化会导致红外光学系统的成像质量差,为提高机载红外光学系统的环境适应性,保证红外光学系统在机载动态环境中能够稳定成像,提出了一种双视场红外光学系统无热化设计,给出了系统的主要技术指标和要求,说明了系统的原理和实现方法。

基于被动无热化技术的红外双波段系统

由于双色探测器技术逐步成熟，因此设计一种易于实现工程化、结构简单及可靠性高的红外双波段光学系统就显得日益迫切。在分析现有红外光学材料、加工能力和镀膜技术等条件的情况下，通过应用光学被动无热化技术，宽波段消色差理论，设计出了一种简单、紧凑、可靠的红外双波段光学系统。系统通过Znse，ZnS和Ge三种普通红外光学材料的运用实现了在-45℃～＋71℃范围内的被动无热化全折射红外双波段光学系统设计。在16 lp／mm时，全温度范围内系统调制传递函数接近衍射极限，畸变小于5％，并且焦移量控制在微米量级，满足高精度红外双波段光学系统的技术要求。

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。

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm(变倍比为2:1),工作波段为8~12μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17μm×17μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料(硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗)组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。

用于森林防火的大面阵中波红外系统无热化设计

森林防火的关键是通过火灾实时监测系统有效预测森林各区域的火灾风险。通过分析无人机在森林防火中的应用,提出了一种基于无人机的森林火灾实时监测中波红外相机系统。该系统的焦距为75 mm,工作波段为3.7~4.8μm,F数为2.0,可匹配像元尺寸为12μm×12μm的1280×1024元制冷型中波红外焦平面阵列探测器。在光学设计中采用3种红外光学材料(硅、硒化锌和锗)的组合,并引入3个偶次非球面。通过优化设计实现了光学被动无热化功能。设计结果表明,在-60~100℃温度范围内,空间频率41.7 lp/mm处各视场的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)均大于或接近0.4,成像质量良好。这种中波红外系统的成像质量与分辨率高,视场范围大,具有宽温度范围的自适应性,结构紧凑且易装调,在森林防火领域有着广泛的应用前景。

一种折反式红外/激光复合导引头光学系统设计

设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度,将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜,主反射镜采用金属抛物面,优化目镜组透镜尺寸,避免光路内部遮挡,利用反射式系统一次像面,配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计;在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片,提高系统分光效率和透过率。设计结果表明:红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF>0.2,激光线性区为2°,满足系统指标要求。

大变倍比光学被动半无热化变焦系统设计

针对传统变焦光学系统在环境温度变化的情况下,变焦全程无法一致清晰成像以及需频繁调焦的问题,提出了一种光学被动半无热化变焦系统设计方法,并设计了一种光学被动半无热化变焦系统。变焦系统的焦距为30~1000 mm,工作波段为486~656 nm,光圈为F_(4.4)~F_(8),短焦采用光学被动无热化设计。变焦系统的成像质量良好,结构非常紧凑,在工作温度范围为-40~+60℃的情况下,只需长焦位置调焦一次,即可保证从长焦到短焦的变焦全程一致清晰成像,中间过程无需再调焦,且温度调焦量仅为-0.56~+0.82 mm,这验证了设计方法的正确性。采用本方法设计的变焦系统既克服了传统变焦系统在不同温度下需频繁调焦的问题,也极大减小了系统的温度调焦量,有利于快速调焦。

双视场长波红外光学系统无热化设计(英文)

设计了一个无热化双视场长波红外光学系统,工作波段7.7～9.7μm。通过轴向移动一组透镜实现红外系统双视场设计,为了满足光学系统大温度范围工作的需求,采用光学被动无热化的设计方法,通过合理分配光学元件材料,利用不同材料的热差特性来消除整个光学系统的热离焦,实现了红外光学系统的无热化设计。像质评价结果表明,光学系统在全温度范围内(-60℃～+70℃)双视场成像质量好,接近衍射极限。

双波段红外光学系统无热化设计

介绍了双波段红外光学系统无热化设计的方法,设计了一个双波段无热化红外光学系统。该系统采用二次成像系统构成,利用Ge、ZnS和ZnSe三种材料及引入两个非球面,实现了双波段红外光学系统光学被动无热化设计。系统工作波段为3.7～4.8μm和7.7～10.3μm,结构紧凑,满足100%冷光阑效率要求。像质评定结果表明,光学系统双波段在全温度范围内(-60℃～70℃)像质良好,证明了该方法的正确性与可行性。

挠性压圈在被动式热分析中的应用研究

为了实现红外光学系统的被动式无热化,设计了挠性压圈,建立了有限元分析模型,对透镜表面的接触应力和挠性压圈结构参数的灵敏度进行了研究。首先,根据光机结构的无热化要求介绍了挠性压圈,对两种常用的挠性压圈进行了热变形分析;然后,在分析挠性压圈的灵敏度系数的基础之上,对单透镜组件设计了相应的挠性结构,说明了挠性构件在被动式无热化中能够减小透镜表面的接触应力以及增加对镜座材料的选择;最后,将挠性压圈应用在三片式透镜的光学系统当中。通过分析计算,当调制传递函数(MTF)的空间频率为10 lp/mm时,挠性压圈作用下的三片式光学系统的MTF能够达到0.5以上;普通压圈在60℃和-20℃的像面离焦量分别为4.765 mm和-6.312 mm,而相同温度下挠性压圈的像面离焦量分别为1.261 mm和-1.563 mm。基本满足了红外光学系统的被动式无热化要求。