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.     

大视场高分辨率深海探测变焦光学系统设计

为满足深海探测需求，实现深海中更高质量成像，设计了深海专用的连续变焦光学系统，该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境，考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降，对光学窗口进行光机集成分析，将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后，光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m，变焦全程F数恒定为3.0，可实现全视场角5.7°～90°范围内可调，10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面，系统总长为260 mm。在208 lp/mm处，整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3，另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑，成像质量良好，变焦曲线平滑，可以满足实际应用的需要。     

中波红外双视场光学系统的设计

设计了一款用于较大规模制冷型面阵焦平面探测器的双视场红外光学系统。该光学系统采用二次成像的光学结构形式与切换式的视场变倍方式,实现了大倍率、小体积用于红外前视（FLIR）的光学系统设计;通过仿真,在系统的合理位置设立非均匀性校正单元与视场光阑,以提高系统的抗干扰性;微扫组件的引入,提高了系统的空间分辨率。     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

基于实际光线追迹的共形光学系统设计

提出了基于实际光线追迹的共形光学系统设计方法,获得了较好的设计结果.共形光学系统具有偏心、倾斜特性,需用两个视场参量来描述--关联视场和瞬时视场.随着关联视场的变化,系统的球差与各类轴外像差呈现出动态变化特性.共形光学系统中,像散和彗差是最重要的两种像差,强烈地影响系统成像质量.与一般的光学系统相比,共形光学系统光学设计难度进一步提高.已发表的有关共形光学系统设计的文章都基于泽尼克多项式像差理论,限制了系统像差的进一步详细分析.为此,通过建立实际光线追迹像差模型有效克服了上述难点.实例结果表明,该方法能有效指导共形光学系统设计.最后在整个关联视场内得到较好的成像质量.     

中波红外弹载共形光学系统研制

以优化系统整体性能为目的,针对弹载跟踪系统,设计了一种基于共形光学整流罩的红外光学系统。首先,根据载弹信息,通过数值仿真计算及相关验证风洞试验,得到共形整流罩外曲线;通过优化分析,得到整流罩内曲线。应用Wassermann-wolf方程,结合Zernike多项式像差分析方法,设计两片固定式校正片,用于校正共形整流罩带来的附加像差。选择F=2的制冷型中波红外探测器,设计折反式成像光学系统,通过ZEMAX软件优化共形光学整体系统,并进行了公差分析。共形光学系统焦距120 mm,冷阑效率100%,设计传函在各视场范围内均大于0.6,公差分析后,均大于0.4。通过成像测试试验,结果表明,共形光学系统成像质量良好,满足跟踪设备对光学成像系统的要求。     

高分辨率双视场光学系统设计

介绍了一种高分辨率红外双视场光学系统设计,该光学系统采用二次成像的光学结构形式和切换式的视场变倍方式,该系统工作波长为3~5μm,F数为2,变倍比为4倍,采用了像元尺寸15μm的制冷式640×512高分辨率红外探测器.设计结果表明,双视场模式下均可获得较好的光学性能,最后给出了系统的了冷反射和公差分析结果.     

共形光学系统设计研究

设计了一个红外波段共形光学系统,并提出了整体解决方案.共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性,因其特殊的光学结构须用瞬间视场和目标视场两个视场参量来描述,像差同时随两视场的变化而变化,使系统设计难度大幅增加.通过建立扩展形式的Wassermann-Wolf曲面结构、建立实际光线追迹模型与Zernike多项式模型相辅相成的像差评价体系,提出了共形光学系统整体设计方案,并给出了设计实例.实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好成像质量.     

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8～12 μm,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.     

共形光学系统消色差设计

设计了一个红外波段消色差共形光学系统.共形整流罩采用流线型几何外表面,能够有效减少空气阻力,提高导弹飞行性能.但是上述表面破坏了球形整流罩的点对称几何特性,使该系统具有大倾斜、大偏心光学特性,引入依赖于目标视场和瞬时视场的动态像差特性.已报道的文献都是针对单色像差校正问题,而对于大目标视场下单色像差与色差校正难点一直没有相关研究报道.基于实际光线追迹结果、通过衍射元件色散特性和构建适当的光学系统结构,克服了导引头内部有限的空间限制,实现了系统消色差设计.最后设计实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好的成像质量.     

水下激光周视扫描4f发射光学系统设计

针对水下激光周视扫描环窗设计的缺点,提出一种转移扫描基点的发射光学系统设计方法。该方法基于开普勒望远镜的结构,通过对物镜和目镜组分别采用像方远心方法进行共轭设计并加以畸变控制,对光束的发散角及其分布均匀性进行了优化。在优化设计的基础上,分别仿真分析了平板窗和共形窗对光束质量的影响,以及镀膜对能量传输效率的影响。最后,对不同窗口设计进行了公差分析和水压受力仿真。光学和力学仿真结果表明,该方法有效减小了壳体表面开窗面积,避免了环窗设计造成的扇形探测盲区,对水下激光周视扫描发射系统的工程设计具有一定的指导意义。     

超音速共形光学系统动态热差实时校正研究

随着科技的发展,高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响,设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统,系统采用楔形镜进行视场扫描,瞬时视场2=4,扫描视场2=60,完成了速度为3Ma、攻角为0共形整流罩空气动力学仿真实验,得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值,通过流固耦合,计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合,将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中,观察其对成像质量的影响。结果表明:共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度,文中通过采用空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）对不同时刻的像差进行校正,校正后系统成像质量接近衍射极限,实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正,对高精度飞行器有着重要科学意义。     

高空高速环境热光学分析及光学窗口设计

为提高高空高速环境下机载光谱相机光学系统的成像性能,分析了飞行高度对光学窗口面型变形的影响,合理设计光学窗口厚度。基于有限元流固耦合、流热耦合模型,仿真高空高速环境下气动压力、气动热载荷对光学窗口的作用,分析了飞行高度对不同厚度光学窗口面型变形的影响;初步选择光学窗口厚度,利用Zernike多项式对该光窗面型变形进行拟合并输入光学软件,以MTF及波相差为评价指标,分析了光学窗口变形对光学系统成像性能的影响,最终确定合理的光学窗口厚度。结果表明:飞行器在5～30 km高空以3 Ma速度、5毅攻角飞行时,口径200 mm的光学窗口合理设计厚度为15 mm。为不同飞行高度范围光学窗口厚度的选择及优化提供了一定依据。     

无热化旋转双光楔共形光学系统设计

针对共形光学系统中因大倾斜、大偏心带来的像差校正困难以及双框架结构带来的体积大、结构不紧凑的问题,采用了由Wossermann-Wolf方程确定的固定校正透镜与Zernike旋转双光楔相结合的结构,通过两个光楔沿光轴方向相对转动实现对不同关联视场（FOR）像差的校正,使得系统结构更加紧凑,并且更好地校正了共形光学系统的像差。设计了焦距f=90 mm、口径D=48 mm、波长3.7~4.8 m的共形光学系统,关联视场为42,瞬时视场角为2.44,利用二元衍射元件实现光学被动消热差,结果表明,在-20~60 C内各个视场的光学传递函数在17 lp/mm处大于0.45,成像质量优良。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

光学探测系统电磁屏蔽设计与应用

光学探测系统在高功率微波系统运行造成的强辐射、强电磁干扰环境下工作,HPM产生的强电磁脉冲会通过后门耦合的方式由探测器前端光学镜头进入内部的电路系统造成光学探测系统瞬间黑屏、图像抖动、器件毁坏等现象,通过采用光学玻璃金属丝夹层的方法研制光窗,在2.4 GHz±100 MHz频段内电磁屏蔽性能达到了65 dB,同时满足探测目标的光窗透过率的要求。经过应用后表明:加载了这种电磁屏蔽光窗的光学探测系统在HPM工作时图像稳定,未受到干扰。     

共形整流罩技术研究

由于共形光学技术对红外制导导弹的空气动力学性能提高明显,近年来对该领域研究的投入不断加大,文章通过对比安装有共形整流罩导弹与传统导弹的作战性能,说明了共形光学技术在提高导弹机动性和隐身性方面的优势,论述了共形光学研究领域的难点问题,详细介绍了固定校正器、反向旋转位相板、可变形性反射镜等几种设计方案,用于消除共形整流罩随扫描视场变化的像差,并对各方案的优点与不足进行了讨论,简单介绍了共形光学零件加工与检测技术,最后对共形光学的未来进行了展望。     

采用相位板的中波红外共形光学系统设计

为了满足现代军事装备中的侦查需求,提出了一种新型的红外共形成像光学系统,在消除光学头罩引入的复杂像差过程中,采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正.给出了一个红外共形成像光学系统设计实例,其工作谱段为3.7μm～4.8μm,焦距为40mm,长径比为1.0,瞬时视场为2°,扫描视场为±15°.结果表明,在奈奎斯特频率...     

光学共形映照

本文分析了经典光学图形变换的局限性,提出了用衍射光学元件的组合可实现类似数学理论中的任意图形间的共形映照变换这类平行处理的图形变换,在光学信息处理与光计算技术中有应用潜力.