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。

大视场小型无热化长波红外镜组设计

跟随红外镜头小型化、大视场化的趋势,利用ZEMAX设计了一款大视场无热化小型长波红外镜组。系统匹配384×288@17μm的非制冷型长波红外探测器,工作波段为8~12μm。系统F数为1.6,相比于传统红外镜头,视场角更大,全视场达72°,尺寸更小,总长仅为6.96 mm。主镜头仅用3片镜片,通过两种红外光学材料的搭配以及6面非球面实现像差的校正和光学系统的无热化,工作温度范围覆盖-40~60℃。仿真结果表明,在空间频率15 lp/mm处,全视场的调制传递函数大于0.5,空间频率30 lp/mm处,全视场调制传递函数大于0.15。同时为了增大红外探测器的填充因子,提高能量利用率,在系统中搭配设计了放置于红外传感器前的微透镜阵列。实现了红外光学系统的小型化,为红外热像仪在智能手机上的应用提供了解决方案。

锗基长波红外圆锥形微结构减反射性能

锗是重要的红外光学材料,为减小锗表面的菲涅耳反射损耗,提高光利用率,研究了锗基底圆锥形微结构的减反射性能。基于时域有限差分法(Finite Difference Time Domain),并采用单因素法研究了微结构的占空比、周期、高度等结构参数与入射角在8~12μm长波红外波段对反射率的影响,确定了微结构在低反射情况下较优的结构参数组合,其在整个波段范围内的平均反射率低于1%,远低于平板锗结构的35.47%,在9~11μm的波段范围内反射率低于0.5%,且光波在40°范围内入射时,圆锥形微结构的平均反射率仍然较低。将优化的圆锥形微结构与平板结构进行了对比,从等效折射率、反射场分布和能量吸收分布3方面进一步证实了圆锥形微结构在整个波段范围内优异的减反射性能。

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。

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。

InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究

开展了In As/Ga SbⅡ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究。通过对不同处理工艺形成台面器件的暗电流分析,发现N2O等离子处理结合快速热退火(RTA)的优化工艺能够显著改善长波器件电学性能。对于50%截止波长12.3μm的长波器件,在液氮温度,-0.05 V偏置下,表面处理后暗电流密度从5.88×10^(-1)A/cm^(2)降低至4.09×10^(-2)A/cm^(2),零偏下表面电阻率从17.7Ωcm提高至284.4Ωcm,有效降低侧壁漏电流。但是该表面处理后的器件在大反偏压下仍有较大的侧壁漏电,这可能是由于高浓度的表面电荷使得大反偏下侧壁存在较高的隧穿电流。通过栅控结构器件的变栅压实验,验证了长波器件存在纯并联电阻及表面隧穿两种主要漏电机制。最后,对表面处理前后的暗电流进行拟合,处理后器件表面电荷浓度为3.72×1011cm-2。

长波红外硫系玻璃光纤束制备与大面阵成像性能研究(特邀)

长波红外光纤传像束在军事、医疗以及环境监测等领域有着重要应用。当前,长波红外光纤高的光学损耗制约了红外光纤传像束的性能和应用。为了制备低损耗长波红外光纤,选择As-SeTe硫系玻璃组分,首先对As、Se、Te高纯原料进行了提纯工艺研究,原料表面氧杂质含量分别由1.3 at%、0.46 at%、0.48 at%降至0 at%(未检出)、0.06 at%、0.15 at%,除氧效果显著。以As-Se-Te玻璃为基质组分,对比研究了制备工艺对玻璃红外透过谱段的影响,采用Al作为除氧剂结合蒸馏提纯工艺,制备出热学性能优异、长波红外谱段良好的红外硫系玻璃。采用棒管法拉制出丝径100μm的光纤,弯曲半径小于5 mm,在长波红外波段损耗基线约为0.2 dB/m。采用叠片法制备出像元2.25万,单丝呈紧密排列的光纤传像束,断丝率小于3‰,传像束有效区域透过均匀,无黑丝、暗丝,对红外目标成像清晰,无明显畸变,综合成像质量良好。

长波红外高透射率二维光子晶体设计及应用研究

近年来,如何提高红外探测器的光子吸收率是目前红外探测的重点研究之一,增加入射光的透射率是其中重要的一环。传统的多层减反膜受到粘附性,热失配和稳定性不足等问题在应用上受到一定限制。光子晶体是一种直接在光学表面加工微结构实现增透效果,不存在上述等问题,并且表现出较好的增透效果。但目前光子晶体设计结构复杂,对工艺加工带来困难。基于此本文设计了几种简单的ZnS光子晶体几何结构,包括长方体、圆柱体、六棱柱体和金字塔结构,在长波红外8~10μm波段内每种光子晶体结构的最佳平均透射率均在90以上,其中金字塔的增透效果最好。设计了金字塔阵列结构,透射率仿真结果表明金字塔阵列间隙在一定范围内均能保持98以上的透射率。最后探究了不同基底材料碲镉汞厚度和温度对光子晶体透射率的影响。本文研究可为光子晶体增透研究和微纳光学器件设计提供一定的借鉴意义。

基于碲化铋纳米线的长波红外光热电探测器

研究碲化铋(Bi_(2)Te_(3))光电探测器在长波红外波段的响应机制及性能提升策略对光电探测的发展具有重要意义。首先通过化学气相沉积(CVD)中生长温区的选择,实现了热力学主导的纳米结构形貌可控合成,其形状从三角形纳米片转变为纳米线。然后研究了Bi_(2)Te_(3)纳米线光电探测器在长波红外波段的响应,确定其响应机制由光热电效应主导。通过优化电极材料,将探测器响应度提升至17 V/W,噪声等效功率为0.22 nW·Hz^(-1/2);通过构造非对称电极结构,解决了微纳型光热电探测器在全局光照明下无响应电压输出的问题。此外,Bi_(2)Te_(3)纳米线光热电探测器响应时间为53μs,突破了传统热型光电探测器毫秒级响应速度的限制。与其他复杂的结构设计相比,Bi_(2)Te_(3)纳米线光电探测器有与之相当的性能,为二维材料光热电探测器的设计提供了新的思路。

长波红外减反射膜及锥镜膜厚均匀性研究

红外探测因全天候、作用距离远和抗干扰性好等优点而被广泛应用。本文提出在锥镜上制备8~12μm反射率小于0.5%的长波红外减反射膜,利用Essential Macleod软件,在ZnS基片上完成了长波红外减反射膜的膜系设计。采用物理气相沉积方法,选择n=4.3@10μm的Ge做基片和镀膜材料的粘结层,n=2.2@10μm的ZnS为高折射率材料,n=1.35@10μm的YF_(3)为低折射率材料,完成了光学薄膜的制备。提出锥镜膜厚均匀性的补偿方法,通过使用修正后的补偿挡板,使10°锥镜薄膜厚度均匀性达到99%。利用Lamda1050光谱仪测试了锥镜的反射光谱曲线和薄膜厚度均匀性测试曲线,结果表明所研制的膜层在8~12μm处反射率均值为1.483%,对试验件开展了环境适应性测试,测试结果满足使用要求。

空中目标夜间不同方位长波红外辐射特性分析

针对试验和训练中靶机实装模拟、建模仿真需求,需在外场动态测试靶机飞行状态下红外辐射特性,该测量结果置信度较高。本文通过对红外成像测量设备定标,计算路径辐射和透过率,亮度反演的方法获得了靶机夜间不同方位辐射强度分布,测量误差约为21.24%。分析测量结果,但当靶机相对测量设备绕飞时,靶机不同方位辐射强度基本一致;靶机在一定距离外无法探测长波尾焰辐射,在靶机模拟和建模中需合理考虑尾焰辐射。该距离下靶机目标/背景灰度对比度约为人眼响应阈值的2倍,人工侦察探测识别较为困难,在靶机外场模拟时需注意对比度对试验探测识别结果的影响。本文可为靶机特性建模、外场模拟应用和测量设备研制提供支撑。

短工作距无热化长波红外检测镜头设计

针对1 024×1 024长波非制冷探测器的应用需求,设计了一款短工作距高分辨率8~14μm波段长波红外检测镜头。该镜头采用了一个非球面提高了光学元件的校正像差能力,减少了镜片数量;为满足在-45℃~70℃的温度范围内的无热化要求,在光学系统中加入了衍射面,使其在40 lp/mm处的MTF均大于0.2。该镜头畸变小于1.5%,成像质量良好,结构紧凑,满足了在短工作距离范围内的高分辨率检测,具有较广泛的应用价值。

基于低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率测量

长波红外光谱(8~14μm)是介于中红外和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的光谱辐射波段和地球"第三大气窗口",相对于短波和中波光谱辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外光电探测器在红外光谱成像、红外侦察、光谱探测等领域得到广泛使用。绝对光谱响应率作为表征探测器响应能力的主要参数之一,对其高精度标定的需求亟待解决。现在传统方法,即基于标准辐射源的定标方法已无法满足诸多高精度绝对光谱响应率的应用需求。目前,国内还没有建立基于激光光源和低温辐射计的长波红外绝对光谱响应率校准装置,主要原因是缺少光功率稳定、光束质量高的激光光源,以及性能稳定的长波红外传递标准探测器。针对此问题,开展了以激光为光源,以低温辐射计为光功率测量基准的长波红外绝对光谱响应率量值溯源技术研究。课题组选用可调谐CO2稳频激光器作为光源,以低温辐射计作为光功率测量基准;采用CdTe晶体电光调制器搭建了激光功率稳定控制系统;根据光束传输理论,搭建长波红外空间滤波器以优化光束质量;采用积分球与HgCdTe探测器组合,研制了性能稳定可靠的标准传递探测器,建立了长波红外探测器绝对光谱响应率高准确度校准装置,实现长波红外光谱范围(9.2~10.8μm)探测器绝对光谱响应率的高准确度校准测量。选择可调谐激光器输出的波长值9.62和10.60μm分别对积分球型HgCdTe探测器进行了测量。实验结果表明,(1)利用低温辐射计准确测量光功率,光功率测量不确定度优于0.30%~0.42%(k=2);(2)探测器绝对光谱响应率测量不确定度优于0.80%~1.02%(k=2),其他波长点可参考分析。该工作实现了基于激光光源的长波红外探测器绝对光谱响应率的高准确度校准。

基于OpenCV的长波红外摄像机标定研究

设计一种适用于长波红外摄像机的标定装置,并用此标定装置对长波红外摄像机进行标定。通过拍摄多张红外标定板图像,并提取图像上圆孔特征点的像素坐标,利用每个像素点的与空间实际三维坐标点的一一对应关系,结合Open CV摄像机标定函数库,求解出长波红外摄像机的内外部参数,并利用求得的畸变系数,对畸变图像进行矫正。本研究中的标定装置能有效解决长波红外摄像机标定的问题,同时验证了Open CV函数库在摄像机标定程序开发中的具有标定结果精确、运算效率高、跨平台移植性好等优点。

长波红外高光谱成像系统的设计与实现

针对长波红外高光谱系统背景辐射强以及信噪比低的特点．设计了能有效抑制背景辐射的长波红外精细分光光谱成像系统。利用杂散辐射分析软件，对系统进行了背景辐射分析，包括全波段各辐射面源对背景辐射的贡献分量、各光学通道的背景辐射、机械内壁吸收率对背景辐射的影响、以及光机内壁温度对背景辐射的影响。主要通过制冷光机系，统的温度、抛光亮化处理光谱仪的内部表面，降低系统的背景辐射。搭建了一套地面实验装置，该系统光谱范围为7．7～9．3p,m，光谱分辨率为54nm，空间分辨为0．75mrad，推扫式成像。整机的测试结果表明，系统的光谱分辨率（SRF）达到了预先设计的要求值，低温150K时，系统的噪声等效温差NETD接近300mK。

长波红外大视场大相对孔径光学系统设计

设计了用于非制冷红外焦平面阵列探测器的大视场、大相对孔径的长波红外物镜。系统由3片非球面锗镜组成,采用反远距结构,系统焦距为6mm,相对孔径为1∶0.8,全视场角为160°,总长为86.13mm。设计结果表明:在空间频率为20lp/mm处的MTF值大于0.7,接近衍射极限。该系统除具有反远距结构的结构简单、体积小、质量轻、像面照度均匀等优点外,还具有超大视场。

星载长波红外焦平面成像系统

随着国产红外焦平面技术的发展,使用长波红外焦平面器件采用推扫方式对地观测的成像系统成为现实。文中介绍的星载长波红外焦平面成像系统是一个工作波段在8.0~12.5μm之间的对地观测相机,该相机采用两条256×1的长波红外焦平面探测器,60 K的深低温斯特林制冷机和同轴两反RC主光学系统的技术方案,通过设置合理的探测器冷屏、并采用-26°C的低温光学系统以及高性能的信息获取和处理电路,系统获得了较好的温度灵敏度,利用该相机获取了外景长波红外图像,这是我国利用国产的红外焦平面器件获取的截止波长大于12.5μm的红外图像。

大视场大相对孔径长波红外物镜

介绍适用于非致冷焦平面阵列 (FPA)探测器的大视场大相对孔径长波红外物镜设计与研制 由三块非球面锗透镜组成 ,采用”负 正 正”像方远心光路 ,全视场角和相对孔径分别达 135°和F/ 0 .8 镜头的成像性能接近于衍射受限 ,具有体积小、重量轻、像面辐照度均匀等优点 给出非球面锗透镜的研制。

长波红外光学材料的研究进展

红外光学材料是红外技术应用的基础之一.适用于8～12μm波段的长波红外光学材料具有广阔的应用前景.本文介绍了几类常用的长波红外光学材料的基本性质,简述了其制备技术及发展现状,讨论了它们各自存在的问题.文章指出未来研究重点在于复合型红外光学材料的设计和制备,大尺寸Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶的生长,碱卤化合物晶体保护膜技术以及新型硫系玻璃的开发.

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外 (LWIR)广角地平仪镜头的光学设计。其工作波长范围 1 0～ 1 6 μm ,全视场角为 1 35°。采用“负 -正 -正”型式的反远距像方远心光路镜头结构 ,仅有三块非球面锗透镜构成。能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题。此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大 ,成像质量接近于衍射极限 ,在 2 0lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过 0 .6 ,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过 1 5 %。