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。     

自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 m,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.6622.931,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。     

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。     

中波红外光学系统无热化设计

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义,分析了温度对光学参量的影响,探讨了无热化设计方法及光学被动式无热化基本原理.设计了一种用于320×256制冷型探测器光学被动式无热化中波红外光学系统,镜筒材料采用钛合金,光学材料为硅、锗和硒化锌组合消热差.该系统在-50~70℃温度范围内,最大离焦量小于1倍焦深,空间分辨率17 lp/mm处,光学调制传递函数(MTF)值大于0.7,比较接近衍射极限,探测器单像元内能量集中度大于84%.分析结果表明:该系统具有良好的成像质量和无热效果.     

超大视场红外光学镜头设计

超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7～4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围?55～+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。     

滚仰式导引头红外光学系统设计

滚仰式红外光学系统由物镜前组、折转镜组和成像后组组成,其平台内框架俯仰范围可达到90,外框架可以实现360滚转,使光学系统观察视场覆盖整个前半球。光学系统实现了100%冷光阑效率。为适应较大的工作环境温度变化,对光学系统开展了被动无热化设计,给出了被动无热化实现的计算公式,并利用虚拟色差技术,快速确定了满足无热化条件的光学系统最优初始解。针对制冷型红外光学系统的冷反射效应,给出了冷反射诱导温差（NITD）的计算公式,并对敏感表面进行了优化控制。设计结果表明,光学系统焦距为58 mm,视场大小为4.0,F数为2.0,在-50~60℃工作温度范围内系统MTF值接近衍射极限,并对冷反射效应具有较好的抑制能力。经样机测试,光学系统成像清晰稳定,性能良好,满足设计及使用要求。     

基于硫系玻璃的大视场红外光学系统无热化设计

在大视场红外光学系统中,基于普通红外光学材料实现的光学被动无热化系统存在透镜数量多且不易实现轻量化、小型化的技术问题。为解决这个问题,采用硫系玻璃与常用红外材料组合来实现光学被动无热化,并设计了一种视场为40°×32.5°、工作波段为8~12 μm、F数为1.0、工作温度范围为-55℃~+70℃的小型化非制冷红外成像光学系统。设计结果表明,该系统结构简单紧凑、成像性能良好,在空间频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.3,能够满足实际工程应用的需求。     

基于硫系玻璃的中波红外光学系统无热化设计

硫系玻璃作为优良的消色差和消热差红外材料,是红外光学系统中关键光学元件的理想候选材料,文中利用硫系玻璃实现中波红外光学系统无热化设计。首先分析了温度变化对红外光学系统的影响;其次分析了常用硫系玻璃的各方面特性,并总结了硫系玻璃的优点;最后利用硫系玻璃,镜筒材料选择最常用的铝合金材料,设计了一个工作于中波红外的二次成像全球面无热化成像系统。设计结果表明:在0～100 ℃温度范围内,光学系统的成像质量优异,具有良好的无热化能力。使用硫系玻璃可实现低成本高性能中波红外光学系统。     

一种制冷型红外近景成像系统的无调焦设计

针对制冷型近景成像红外光学系统,讨论了近景系统调焦量对系统冷反射的影响,分析了在定焦近景成像系统中采用无调焦设计的必要性,以及如何选取合适参数提高系统景深、如何选取材料进行无热化设计从而实现无调焦的设计方法。基于320×256中波制冷探测器,设计了一个焦距为20 mm、F/4的无热化红外光学系统,该系统景深范围可以覆盖成像范围(1~10 m),且在-40~55℃的温度范围内实现无调焦清晰成像。     

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。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

中波红外光学系统被动无热化设计及测试

温度变化对红外光学系统的成像质量有很大影响.根据中波红外光学系统工作环境要求,分析了导致光学系统成像质量下降的主要因素.推导出同时消热差和消色差的材料组合公式,采用结构件为铝,光学材料为AMTIR-1和Ge组合消热差,设计了光学被动无热化中波红外光学系统,在-40～60℃温度范围内系统成像质量达到衍射极限,离焦量在一倍焦深以内.为实际考核集成了探测器后中波红外系统的无热效果,建立了无热化光学系统测试平台,对高温箱内的中波红外系统进行测试,采集探测器输出的数字图像,在3×3像素窗口内计算单像素的能量集中度,60℃时的单像素能量集中度下降到20℃的89.3%,测试结果表明:系统具有很好的成像质量和无热效果.     

可见光/中波红外双波段共口径光学系统设计

设计了适用于制冷型640×512中波红外凝视焦平面阵列探测器和1920×1080的CCD的可见光/中波红外共口径光学系统。该系统在中波3.6~4.8?m,可见光0.45~0.9?m,环境温度-40℃~60℃工作,可见光系统焦距500 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4;中波红外系统焦距600 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4.8,满足100%冷光阑效率。本设计利用共用卡塞格林系统,利用分光镜实现可见光与中波红外光谱分光,之后接各自校正像差的镜组。该系统满足工程光学的要求,能够良好成像,双波段系统在-40℃~60℃环境温度下的也能够正常工作,并能够实现可见/中波红外远距离识别。     

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。     

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3.7~4.8 μm,F数为2.0,可匹配像元尺寸为12 μm×12 μm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。     

使用简单机械结构实现红外光学系统无热化

为了介绍简单机械结构实现红外光学系统无热化的原理和方法,首先简单比较了国内外进行红外光学系统无热化设计的三种方法,然后给出了在红外3～5μm波段、3°视场范围和-40～60℃工作温度范围下经过无热化设计后的系统设计结果。结果表明,使用简单机械结构,不仅能在较大视场和较宽的工作温度范围内获得接近衍射极限的成像质量,而且系统结构简单,工作可靠。     

激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统设计

基于激光测距和红外目标探测需求,设计了激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统。系统参数设计如下:工作波段为1.064mm激光和7.7~9.3mm长波红外,入瞳直径均为120 mm;激光焦距为800 mm;长波红外焦距为240 mm,F数为2,视场为2.29°×1.83°。选择带有Ritchey-Chretien(RC)反射系统的折反式光学布局,缩短系统纵向尺寸。光学系统共用主镜和次镜,利用次镜实现激光和红外分光。长波红外采用二次成像结构,达到100%冷光阑效率。通过选择合适的光学材料、结构材料和合理分配光焦度,实现了光学被动式消热差。在-50℃^+70℃范围内,激光接收能量集中度高,长波红外成像质量良好,满足实际使用需求。     

硫系玻璃在长波红外无热化连续变焦广角镜头设计中的应用

针对市场上现有红外广角镜头大多采用定焦结构且缺乏无热化设计的现状,根据光学变焦系统的设计原理,设计了一种有效焦距范围为10~24 mm（变倍比为2.4:1）、视场角变化范围为34~90、工作波段为8~12 m、F/#为2.8的无热化连续变焦广角镜头。考虑到红外镜头多用在温度变化较大的使用环境中,系统设计选用了硫系玻璃NBU-IR2（Ge20Sb15Se65）以及常规红外材料锗（Ge）和硫化锌（ZnS）制备的六片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度及其空气间隔等参数,在连续变焦设计的基础上实现了无热化的光学设计效果。实验结果显示,系统在-40~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外热成像效果,调制传递函数全视场范围内均大于0.25。系统结构较为紧凑简单、质量较轻,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面,可有效控制光学系统的加工成本。整体设计适用于车载夜视等应用领域。     

高分辨率、大面阵红外无热化光学系统设计

利用普通红外光学材料实现的大视场光学被动无热化系统应用于当前新型高分辨率、大面阵红外探测器时存在透镜数量多,不易实现轻量化、小型化的技术问题。为此,引入了低折射率温度系数的硫系玻璃,并设计了一种工作波段为8~12 μm、视场为40°×32.5°、F数为1.0且适配1280×1024探测器的光学被动无热化成像光学系统。设计结果表明,在-55℃~70℃的工作温度范围内,探测器特征频率42 1p/mm处的光学传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值均大于0.35,系统成像性能良好,能够满足实际工程应用需求。     

红外二次成像无热化光学系统设计与实测

阐述了二次成像红外光学系统相比于一次成像红外光学系统而言,对温度变化更加敏感的特点及其影响,讨论了基于光学被动式无热化原理的二次成像红外光学系统的设计方法。不仅给出了设计的一个红外制冷型二次成像光学系统的实例,还对该无热化镜头进行了实际加热对比成像试验,并给出了成像测试结果。设计结果表明:该系统在-40℃～+80℃的温度范围内,像质接近衍射限,最佳像面变化量在一倍焦深范围之内,焦距变化率低,实现了光学被动式无热化。实际测试结果显示,所设计的二次成像无热化光学系统,具有良好的无热化能力,高温环境下无需调焦依然清晰成像。