机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计

针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差（MRTD）模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在?40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

可见-近红外无热化连续变焦光学系统设计

变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在?40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。     

单透镜移动的红外双视场光学系统设计

结构简单、视场变化范围大的红外双视场系统在红外领域中的应用越来越广泛.采用折衍混合系统设计了具有大变倍比的红外双视场光学系统.该系统的主要参数为:波段3.7～4.8 μm,变倍比为10:1,F数为4,双视场分别为0.6°×1.7°和5.4°×15.9°,透镜总数为6片.系统的透镜数量少,成像质量高,移动单个透镜实现视场的转换,系统结构简单.     

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3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。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。     

面阵探测器连续扫描成像光学系统

研制了一套用于面阵探测器360连续扫描成像的红外光学系统。该光学系统包含了一个无光焦度的望远镜、一个方位补偿摆镜及一个二次成像物镜,采用了制冷型面阵红外探测器。引入了方位补偿摆镜,按二倍角关系朝相反方向摆动,解决了面阵探测器连续扫描中的成像拖尾与模糊问题。采用了像方扫描方式,使得摆镜通光尺寸由物方扫描的大约40 mm220 mm缩减至目前14 mm22 mm,摆镜质量减轻了95%以上,摆动频率可达100 Hz,使系统可在1 s内完成对360方位的扫描成像。系统结构简洁紧凑,共由八片透镜以及一片反射镜组成,像质接近衍射限。实验室测试结果表明:方位补偿摆镜固定时,对小圆靶成像有明显拖尾成长条状;而开启摆镜摆扫之后,小圆靶成像清晰无变形,成像效果接近凝视型。     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统。此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7~10.9 μm。该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾。利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强色散,有效解决薄膜衍射主镜成像视场小、谱段范围窄等问题。采用薄膜衍射主镜、折衍混合透镜,很好地利用了衍射面良好的消热差特性,再结合透镜材料的选择,对光学系统消热差起到了良好的作用,并且,衍射面的使用为系统设计优化过程中增加了自由度。薄膜衍射消热差红外光学系统重量轻、成像质量好、消热差性能优良,在红外遥感成像探测领域具有良好的应用前景。     

二元球透镜可见/紫外双波段光学系统

提出了利用带二元光学元件的球透镜实现可见/紫外双波段光学系统的新方法.在蓝宝石球透镜中部引入二元光学元件,有效校正了色差及球差;同时利用谐衍射设计,使可见/紫外双波段共用同一二元光学元件.利用光纤面板对像面的补偿,既校正了场曲,又满足半视场0～15°为可见波段,15～35°为紫外波段的实际应用需求.完成了在蓝宝石平面基底上最小线宽为10μm的八台阶二元元件的制作.所研制的系统经测试,在F数为1的条件下,弥散斑小于60μm,与传统的球透镜相比,光斑缩小了1/3.     

红外双波段共光路环形孔径超薄成像系统设计

针对中长波红外双波段系统的元件数量多、结构复杂等问题,分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点,给出了系统初始结构遮拦比的计算方法,并设计了一种适用于中长波红外双波段的共光路环形孔径超薄成像系统,焦距为50 mm、全视场为14°、F数为1。系统仅由单一光学元件构成,结构简单且光路紧凑,其轴向尺寸与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3~5 μm波段的全视场调制传递函数大于0.45,长波红外8~10 μm波段的全视场调制传递函数大于0.30,同时实现了?40~80 ℃温度范围内的红外双波段无热化。通过公差分析可知该系统具备可加工性,且基底材料为红外硫系玻璃,可以通过精密模压的方法进行批量化生产。该研究为低成本、小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

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8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm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。     

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。     

中波和长波红外双波段消热差光学系统设计

为了有效提高目标的红外探测与识别能力,设计了能同时对高温和常温目标成像的中波和长波红外双波段消热差光学系统。所设计的光学系统采用柯克型结构,视场、有效焦距和相对孔径分别为5.5°×4.4°、100 mm和F/2,工作波段覆盖中波红外(波长3～5μm)和长波红外(8～12μm)。通过采用光学被动消热差方法,优化设计的镜头可工作于-60～80℃的环境温度,奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值变化小于0.05。该镜头使用Ge、ZnSe和ZnS 3种红外材料,具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。