一种光学集成式杜瓦组件的设计与制备

红外探测器杜瓦集成光学技术通过将光学系统集成在杜瓦组件内部,使之处于恒定的低温环境中,实现光学系统的低温化、无热化和小型化,有效提高红外成像系统的探测精度、灵敏度和对环境温度变化的适应能力。本文通过短焦距、大视场集成光学中测杜瓦组件的研制,获得了杜瓦内集成低温光学系统的设计方法,对于开展杜瓦集成光学技术研究具有一定的参考意义。     

红外探测器集成光学系统低温评价方法研究

红外探测器集成光学技术是将部分成像光学系统集成在杜瓦结构内部,以保证F数较小、探测目标信号能量大的同时,消除光学系统体积庞大和复杂带来的不便因素。本文研究的红外探测器集成光学低温评价技术是在不反复拆除杜瓦的前提下,直接评估集成光学系统低温MTF,缩短测试周期。进行集成光学透镜组精密装配,在此基础上开发独立的集成光学系统低温MTF评价装置,并搭建MTF测试光路,获得集成光学透镜组温度分布梯度,为集成光学透镜组的装配精度和光学性能提供可靠数据。     

新型红外光学系统的结构特点与技术分析

随着红外探测技术的发展,红外光学系统的作用已不容忽视.在归纳总结传统结构形式的折射式、反射式和折反射式红外光学系统的基础上,分析了现代红外光学系统中离轴三反、二元光学、自适应技术等结构特点,从技术上比较了传统红外光学系统和现代红外光学系统的优缺点,探讨了红外光学系统的发展趋势.对新型红外光学系统的发展具有一定的参考作用.     

一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

低温光学系统两级温区的设计与分析

在低温光学系统内建立两级温区是红外弱目标双波段探测的基础和关键，采用氦气压缩式制冷技术，通过精密的结构、热、光学设计和分析，实现了低温光学系统内两个低温温区的隔离与建立，一级温区80～100 K，二级温区40～80 K，控温精度±0.5 K，温区内最大温差2.4 K，两温区独立控温、互不干扰，克服了国内低温光学研究受液氮制冷对温度和使用条件的限制，使国内低温光学的研究达到了具有更低工作温度和双温区同时工作的水平。     

光学元件污染对红外光学系统信噪比的影响分析

红外光学系统直接暴露在外界热环境中,光学元件表面微粒污染的存在将降低红外光学系统的探测性能,严重时还可能会缩短其工作寿命。合理判断光学元件的污染容限并采取适当的镜面清洗及维护措施有利于红外光学系统的良好运行。介绍了红外光学系统中信噪比的计算方法,利用ASAP软件建立了典型红外光学系统的三维仿真模型,研究了信噪比随系统反射镜表面污染程度的变化规律,据此讨论了该红外光学系统中光学元件的污染容限,并分析了元件光学特性对光学元件信噪比的影响。研究结果表明,随着红外光学系统中光学元件表面污染程度的加重,系统信噪比将明显减低;当元件光学特性变差时,为保证低信噪比微弱信号的有效探测,必须严格控制光学元件表面污染微粒的覆盖率,使其表面洁净程度保持在更高的水平。     

机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构

低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声,有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K,采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小,直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差,影响成像质量,为此设计了一种新型支撑结构,一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变,另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型,来指导支撑结构热设计,减小透镜内部温差。最后,对透镜支撑的低温性能进行了测试,实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至150 K,支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时,光学表面的最大变形小于1（1=632.8 nm）。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。     

红外生命探测仪用光学系统的设计

为了使红外生命探测仪的光学系统具有更大的探测范围,提出了一种新型红外双视场光学探测系统.该光学系统为变焦距光学系统,它利用轴向移动变焦方式使透镜组实现变倍和温度补偿,简化了机电系统结构.该光学系统的工作波段为8～14μm,焦距为35～140 mm,变倍比为3倍.由于选择锗(Ge)和硒化锌(ZnSe)作为透镜材料,F数≥...     

制冷红外光学系统中冷反射的非序列仿真分析

在制冷红外光学系统中，制冷探测器通过前面的光学表面反射，使得探测器探测到自身的像，形成边缘亮而中心暗的黑斑现象被称为“冷反射”现象。冷反射严重影响制冷红外光学系统的像面非均匀性，在进行光学设计时需对其严格控制。本文以某中波制冷红外光学系统为例，提出了能有效解决或降低冷反射效应的技术途径，对原设计改进优化，利用ZEMAX光学设计软件建立非序列数学模型，进行仿真分析，经分析改进后光学系统冷反射由40%下降到13%，并开展了工程样机成像实验，实验现象与仿真结果基本一致，表明该分析方法能准确地反映红外光学系统中的冷反射实际情况，可作为制冷红外光学系统研制生产前的判定依据。     

低温红外系统光机结构设计

随着红外技术的发展,大口径望远镜越来越多地使用了红外设备终端。红外设备需要在低温下工作,这就给红外系统的光机结构设计带来了难度。为了解决光学部件需要安装定位精确,又要保证在低温环境下不会因为热应力导致破坏的问题,从理论上介绍了运动学定位的原理,针对光学系统中用到的反射镜、透镜、滤光轮等进行了详细的结构设计,实现了运动学安装定位。通过这些设计可以很好地解决光学件在冷却过程中的精确定位和无应力之间的矛盾,保证光学系统的安全,同时保证光学系统的成像质量。该研究结果对于红外光学系统的结构和热设计有一定的参考价值。     

低温红外光学透镜支撑结构研究

在低温红外光学系统中,光学元件及其支撑结构的加工和装配温度与其实际工作环境温度之间存在较大差异。根据低温红外光学系统对光机结构设计的要求,设计和加工了一套适用于低温光学透镜的柔性支撑结构。透镜的径向定位与支撑采用一组周向均布的悬臂柔性支撑结构来实现;轴向则采用压圈定位和波形垫圈来为透镜提供轴向预紧,以避免由于温差以及材料的物理性能差异与变化而造成透镜面型无法满足指标要求。试验结果表明,这种透镜支撑结构在133 K低温下具有良好的成像效果。     

空空导弹多光谱红外成像制导技术研究

从空空导弹红外制导系统的需求出发, 探讨多光谱成像制导技术的研究思路与系统设计方法, 介绍了共光路与分光路多种多光谱光学系统的结构设计, 分析了多光谱红外导引技术中的光谱细分、多光谱红外探测器、系统匹配、多传感器信号融合及光谱特征选取等关键技术。在此基础上给出了一种空空导弹双色成像探测系统实例, 该系统利用共光路系统设计实现双波段红外成像探测, 并针对红外诱饵干扰进行了基于光谱特征的目标跟踪与抗干扰算法, 实验验证该系统具有优于单波段成像导引头的目标识别与干扰抑制能力, 显示出了多光谱成像导引头是空空导弹的发展方向。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合十二五期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。     

激光直写制备衍射光学元件的研究及应用

衍射光学元件作为一种典型的微光学元件,其体积小、质量轻、设计自由度多、成像质量良好,在光学成像、光学数据存储、激光技术、生物医学等领域具有广阔的应用前景。随着现代光学系统的不断发展,对衍射光学元件的加工效率和制备精度提出了更高的要求。激光直写技术凭借加工精度高、工艺简单、灵活性好等优势,成为制备高精密仪器中关键光学元件所必需的一种加工方式。针对不同的加工需求,开发了多种激光直写系统,并在应用过程中不断地改进升级。另外,突破衍射极限的飞秒激光微纳结构制造技术,能够获得更高的加工精度和更好的分辨率,为微光学元件的制备提供了新的方法。首先介绍了激光直写技术的特点;其次综述了衍射光学元件直写加工技术的研究进展,包括直写技术的影响因素、激光直写系统和多光束加工技术;接着介绍了衍射光学元件的典型应用,如红外成像、色差校正、光束整形、图像显示;最后,对激光直写技术制备衍射光学元件存在的问题和未来发展趋势做出了总结。     

潜望式红外夜视瞄准镜的研制

介绍了潜望式红外夜视瞄准系统的工作原理和研制方案.该系统兼具了潜望瞄准镜和红外热像仪的功能.从探测器外围电路,信号处理系统、潜望式红外光学系统的设计以及移动焦平面整体电动调焦技术等几个方面分析了潜望式红外夜视瞄准系统研制过程中存在的关键技术.最后对基于此方案所研制出的海军红外夜视瞄准镜应用情况做了简要报告.