低温红外镜头设计仿真方法及试验验证

在低温环境下镜头结构会产生热变形,对镜头光学传递函数（MTF）及离焦量均会产生影响,从而影响光学成像质量。在此基于某红外遥感器,针对210 K低温工作环境,设计了一套具备热卸载功能的透射式低温镜头。对其建立有限元模型,并加载模拟在轨工作环境温度场,得到热变形数据,最终计算出镜头MTF及离焦量变化,并通过该仿真分析手段对低温镜头结构进行优化设计。低温镜头装调完成后,将低温镜头及其他配合测试设备置于真空罐内,在常温与低温环境条件下,对光学系统MTF及最佳焦面位置进行测试标定。测试结果表明,各项偏差在可接受范围之内,MTF仅变化0.2%,说明使用的低温镜头多场耦合仿真方法是可靠的,能够对红外遥感器低温镜头设计进行指导。     

利用相位差异技术检测离轴三反光学系统的波前误差

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理,针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点,提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测,结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像,并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对,验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明,对于粗装调的光学系统,估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ;对于装调完成后的系统,相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。     

基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析

分析了基于波前编码技术的无热化光学系统中相位掩模板的自身热效应,得到了不同温度下光瞳处相位板相位函数的变化.分析了由相位板热效应引起的波前编码系统成像特性的变化.通过数值及图像仿真证明了相位板热效应对波前编码无热化光学系统性能产生的影响.结果表明,相位板热效应对系统MTF(调制传递函数)的离焦不变特性和编码图像的可复原性产生严重的影响.     

低温下(-213℃)补偿机构的设计

为了满足光学平台在低温下(-213℃)的光学设计稳定性要求,本文设计了一种温度补偿结构,基于材料热膨胀系数随温度变化的原理对该结构进行了理论计算和实验验证。该结构通过控制螺栓的预紧力保证连接件可靠,并使殷钢板在低温下处于自由伸缩状态;并利用在低温下因瓦合金变形极小补偿不锈钢变形带来的误差。其光学系统的在低温下的指标RMS≤?/10,?=632.8 nm。理论表明,在低温下因瓦合金的最大变形量为0.24884 mm,不锈钢的最大变形量为2.910 mm;实验结果表明:在常温和低温下用干涉仪测得的光学系统的面形精度分别为RMS=?/13、RMS=?/12,?=632.8 nm。在低温下能较好满足光学设计稳定性要求。     

非中心对称像差系统的光束质量控制

为了突破元件加工工艺水平对多元件光学系统像质的限制,基于计算机辅助装调,研究了系统中元件装调姿态的优化过程.针对由两个元件组成的光学系统,利用相位屏方法,通过计算机的数值模拟,分析了非中心对称像差的光学元件之间波前像差的互补性.结果显示,经过元件装校姿态的优化调整,系统的光束质量由预期的4.916优化为1.187,显著地提高系统的最终光束质量.分析表明,这种方法可以推广到多元件系统的装调中,能进一步提高在传统计算机辅助装调后的系统光束质量.     

基于DWC波前检测的计算机辅助装调技术

计算机辅助装调(CAA)技术是提升高精度、复杂离轴光学系统成像质量的有效手段.介绍了计算机辅助装调技术发展背景及现状,总结了用于计算机辅助装调技术的光学检测手段及优化方法.介绍了一种基于高分辨率波前传感器(DWC)的计算机辅助装调技术,建立了数学模型.这个模型包含光学系统出瞳波面像差获取、失调光学系统的失调量计算及系统像差表示三个方面的内容.最后,对模型进行了数值仿真试验,通过对比系统装调前后的结果,验证了该方法的理论可行性.     

高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

星载激光测距仪扩束系统的高精度装调

星载激光测距仪扩束系统为无焦系统,对光学装调有着苛刻的要求,装调精度是决定激光测距仪工作能力的关键因素。利用计算机辅助装调技术,确定光学系统对光学元件的敏感度和补偿调整参量。针对镜间距影响该系统性能参数的特点,提出采用高精度三坐标测量技术和双光路定心技术对扩束系统装调。最后,采用 1 064 nm干涉仪对光学系统像质进行测试,使用套孔法对束散角进行测量。测试结果表明:该星载激光测距仪扩束系统RMS优于0.225,束散角为0.41 mrad,满足设计要求。     

红外跟踪光学系统装调技术

本文简要介绍了红外导引头光学系统的组成及其作用、系统工作原理及光学系统主要装调技术参数和性能。针对与装调性能密切相关的用可见光实现系统装调、系统成象技术状态确立、系统焦面位置确立及光学零件联接方法确定等关键装调技术,作了针对性、实质性的重点论述。实践证明,该技术对装调带滤光片或不带滤光片的红外跟踪光学系统均适用并保证产品获得良好性能,最后,举出一个某型红外导引头光学系统的装调实例。     

一种机械被动式无热补偿方法

军用光学仪器大都工作在一定的环境温度范围内,温度变化将导致光学系统的像面离焦,成像质量明显下降,必须采取有效的温度补偿措施.介绍了多种无热补偿方式,如机电被动、光学被动和机械被动三种无热补偿方法,并且给出设计实例.提出一种新的补偿方法,利用热双金属进行机械被动补偿,使成像质量明显提高.计算和仿真结果表明,采取该方案补偿后的光学系统,在温度变化时像面与壳体依然保持相对稳定,即可以自动消除环境温度变化造成的像面离焦.这对红外光学系统的无热化设计具有重要的意义.     

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。     

透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计

某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。     

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。     

空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证

针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。     

Improved performance of a cooled photoreceiver for high speedcommunication

An alternative method of improving photoreceiver sensitivity in a high-bit-rate optical transmission system is described. HEMTs have recently become commercially available and are known to generate mainly thermal noise and to exhibit transconductance enhancement at cryogenic temperatures. This suggests that a cooled photoreceiver with a HEMT in the first stage of the front-end amplifier could have an improved sensitivity with respect to that of room temperature operation. The DC transconductance variation between room temperature and 40 K for HEMTs of various technologies is presented. The signal-to-noise (S/N) ratios of a photoreceiver with a first-stage HEMT working at room temperature and 45 K are compared. The S/N improvement is currently about 4 dB (optical). It is found that HEMT noise generated in the frequency range considered does not seem to be of pure thermal origin. The results confirm that the proportion of MOCVD (metalorganic chemical vapor deposited) HEMTs exhibiting electrical characteristic degradation at low temperature is far less for MBE (molecular-beam epitaxial) HEMTs     

国外温度补偿自调焦红外光学系统研究的述评

本文分析了红外光学系统的热离焦现象，并对这种热离焦对热象仪性能指标的影响和国外实现温度补偿自调焦的三种方法进行了综合评价。     

光学系统中白宝石分光镜的热变形像差分析

以光学系统中的白宝石分光镜为研究对象,利用有限元方法和Zernike多项式对其热变形像差进行了计算和拟合,分别对入射激光的反射相移和信标光的透射相移进行了研究和分析。入射激光的反射相移的主要像差为离焦项;信标光的透射相移的主要像差包含离焦项和主球差项,而主球差的引入主要是由于在激光入射区域边界上轴向温度分布的不均匀性。利用像差比率γnm直观反映入射激光的吸收功率与反射激光和透射信标光的像差的关系,对入射激光而言,其离焦比率γ20=0.0393;对信标光而言,其离焦比率γ20=-0.0011,主球差比率γ40=-0.0033。     

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。     

影响激光主动探测效能的机理研究

利用猫眼效应可对光电装备进行主动探测。面对环境的复杂性,寻求提高主动探测效能的方法尤为重要。建立猫眼效应分析模型,分析影响猫眼效应回波效能的作用机理,利用入射角,离焦量等参数推导出回波能量平均照度表达式,分析制约主动探测能力的因素从而寻求提高探测概率的方法,并利用FRED进行仿真。研究表明：离焦量产生回波发散角降低回波能量;微量的入射角在不改变有效通光口径的同时可以降低回波发散角;利用探测激光波长和发散角可以弥补猫眼系统固有的离焦量从而提高探测能力;仿真结果证实了这个结论。