变光阑长波红外连续变焦光学系统设计

非制冷长波连续变焦光学系统由于相对孔径大导致小型化和无热化设计困难,本文采用可变光阑约束物镜尺寸压缩系统总长,实现长波640×512非制冷连续变焦光学系统轻小型化设计。通过材料合理配置及主动补偿实现5片透镜的8.5×连续变焦光学系统消热设计。该系统F#恒定1.2、工作波段为8~12μm、视场变焦范围为30°×24°~3.5°×2.8°、系统总长187.5 mm,该连续变焦光学系统重量轻、总长短、透过率高、在-40℃~+60℃温度范围全视场成像质量良好。

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。

防辐射长波红外连续变焦光学系统设计

为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题,基于机械正组补偿式连续变焦结构形式,通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统,避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8~12μm、F数为1.2、焦距为25~90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明,该系统结构合理、成像良好,在探测器对应的特征频率421p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)值大于0.2,满足应用需求。加工装调后,经实际成像测试,验证了设计的准确性。

国产非制冷气体泄漏红外成像检测技术试验研究

针对石化企业气体泄漏检测问题,对常见气体甲烷、乙烯、环氧乙烷进行红外成像检测技术试验研究,完成非制冷型泄漏检测关键模组选型测试,对比分析国产非制冷红外成像技术与进口制冷红外成像技术在不同检测距离、气体流量、镜头焦距、检测模式下的性能。试验结果表明,非制冷型气体红外成像检测技术可实现150 m距离,小于0.5 m 2的气体泄漏目标检测,适合作为企业气体泄漏长周期监测技术手段,并提出使用建议。

光学读出非制冷红外成像的最新进展

针对以前红外成像中红外图像的噪声等效温度差(NETD)较大和空间分辨率不高的问题,本文在制作工艺改善的基础上,设计了一个单元尺寸分别是50μm×50μm和60μm×60μm的红外焦平面阵列(FPA),它是由0.5μm厚的SiNx和0.2μm厚的Au构成的双材料微悬臂梁阵列构成。微梁单元倾斜角的变化利用在谱平面刀口滤波的光学方法测量。FPA是利用基于体硅的表面微加工工艺制作的,利用制作的FPA的60μm×60μm单元区域和12bitCCD,得到了室温物体的热像。讨论了60μm×60μm单元区域的性能,给出了NETD在100mK左右。和以前的工作相比,红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善。

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。

双材料微梁阵列非制冷红外成像系统——微梁阵列的设计与制作

给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件———双材料微悬臂梁阵列的设计和制作.微梁阵列是无硅基底的S iNx/Au双材料单层膜结构,其制作工艺简单、可以直接放在空气中成像.实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-b it CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为7K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.

四片式非制冷长波红外热像仪双视场光学系统

介绍了一种用于非制冷凝视焦平面探测器的长波红外双视场光学系统设计实例,该系统工作波段为8～12μm,变倍比为2.5倍,采用轴向移动变焦方式。引入一个衍射光学元件,减少了光学零件的数量,减轻了系统质量,具有成像质量高、体积小、重量轻等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价。

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。

利用消杂散光的偏振光技术提高光学读出红外成像检测灵敏度

在基于刀口滤波技术的光学读出的非制冷红外成像技术中,光学元件的反射会在CCD靶面引入杂光光斑,使得检测到的光强信号中FPA的像所占比例降低,因此降低了光学检测灵敏度.采用偏振光学读出系统,即在光路中添加偏振片、四分之一波片,利用对透射光和反射光的偏振方向有选择的偏振分光棱镜代替原有分光棱镜,用偏振光原理消除光路中光学元件的反射杂散光,使FPA像在CCD靶面接收到的光强中所占比例大幅度增加,进而提高光学检测灵敏度.偏振光路检测实验结果显示,检测灵敏度比非偏光实验提高了约47%,与理论分析值一致.

基于光学读出非制冷红外成像系统的无基底FPA等效电学模型

与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比,基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异,传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用,因此,通过电学比拟方法,将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型,进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能,分析表明:该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能,其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.

非制冷焦平面红外热像仪光机热分析

非制冷红外热像仪在军事和民用领域具有广阔的应用前景。在空间或军事应用中,环境温度变化对系统成像质量影响很大。红外光学系统对温度变化非常敏感,温度的变化引起镜片间距的改变等,使系统产生离焦等热像差,从而使系统成像质量下降。利用光学设计软件Zemax的多重结构功能分析了红外光学系统在-20-60℃温度范围内的光学传递函数变化情况,结果表明系统的传递函数下降很小,满足设计指标的要求。

双层红外微测辐射热计的微桥结构仿真

非制冷红外探测器具有广阔的军事和民用前景。近年来,出现了一类性能优越的新型双层微测辐射热计型红外探测器。利用有限元分析方法和光学导纳矩阵法详细研究了两种类型的双层微测辐射热计的主要性能。结果表明,双层微测辐射热计的综合性能优于单层微测辐射热计。其中,双层S型结构的温升最优,但其力学稳定性较差,难以满足实践需要;双层U型结构的温升虽低于双层S型结构的温升,但明显优于单层微桥;重要的是,双层U型结构在光吸收性能、力学稳定性、器件制造等方面均优于双层S型结构。所以,双层U型结构的综合性能更优。还设计了一种综合性能更优的改进型双层U型结构。

空对地精确攻击瞄准光电转塔系统设计

某些现役轰炸机均未配备能够实现全天候精确轰炸的光电瞄准系统,其轰瞄设备为纯光学目视老设备,夜间及复杂气象条件下无法观测目标,不能完成精确轰炸。为实现空对地的全天候精确攻击瞄准,本文根据国内光电转塔技术研究现状,设计了集热像仪、可见光摄像机和激光测距机于一体,通过对作用距离和稳定精度的计算和仿真,确立了光学接口板、稳定平台及控制电子箱等分系统的设计方案,并对稳定精度进行了仿真测试及校验。结果表明,本文设计的光电转塔系统可以实现空对地全天候的精确攻击瞄准,能够满足夜间及复杂气象条件下观测目标的要求,可以在现役机型上得到实际应用。

非制冷热瞄具图像实时开窗增强方法研究

针对红外观瞄系统图像增强技术的实时性问题,根据人们的视觉特性,提出非制冷热瞄具图像实时开窗增强方法。该方法首先在红外图像中取出适当大小的子图像,再用合适的增强算法来处理子图像,而子图像以外的区域不作任何处理。文中给出了硬件实现流程。最后证明开窗增强的方法减少了背景像素的处理时间,提高了图像处理的实时性,并且开窗增强不会对增强效果有不良影响,对小目标图像增强有不可替代的作用。

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术——微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件——微悬臂梁阵列的设计和制作，它是SiNx／Au双材料单层膜结构，简化制作工艺、可以直接在空气中成像。实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-bitCCD，得到120℃以上的物体热像，噪声等效温度差（NETD）为5K左右，实验结果与热机械模型预测结果一致。

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术——微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统，提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术，并对光学探测灵敏度进行了理论分析。利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像。通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术，得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差（NETD）约为5K。并对系统噪声进行了讨论。

采用非制冷红外探测器的折衍混合物镜设计

针对长波320×240元非制冷焦平面阵列探测器，设计了折射／衍射混合大相对孔径红外镜头，工作波段8～12舯，焦距为90mm，F数为1，视场为10°．系统为三片式结构：利用二元光学元件具有大的负向色散特性，在第4面引入衍射面，有效地消除了色差，简化了系统结构并减轻了质量，并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价．结果表明，系统成像质量良好，各项指标均满足使用要求．

非制冷焦平面热像仪用双视场红外光学系统

介绍了一种用于非制冷凝视焦平面探测器的长波红外双视场光学系统设计实例,该系统工作波段为8m～12m,变倍比为3倍,采用轴向移动变焦方式。变倍透镜组可实现变倍、调焦及温度补偿功能,简化了系统机电设计,具备体积小、重量轻、功耗低等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价。

光学读出红外成像研究进展

介绍红外成像技术的发展与应用,着重评述中国科学技术大学近代力学系光测实验室从事光学读出非制冷红外成像技术课题的研究进展.提出了刀口滤波法测量微梁阵列FPA(focus planearray)变形的高灵敏光学检测法,将微梁单元的热致转角变形转变为像平面上微梁像的灰度变化,从而获得微梁阵列转角变形表示的FPA上的热像;针对提出的测量方法,设计制作出相应的无基底多回折间隔镀金腿变形放大FPA;在研制的原理样机上实现了室温物体红外成像;是国际上第三个实现新概念光学读出红外成像、国内第一个实现自主核心芯片非制冷红外成像及其系统研制的课题组,热成像指标已达到:温度分辨率100 mK,感热像素尺寸60μm,相关技术指标处于国际领先,研究工作已申请了12项发明专利,并有4项已获得授权.