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。     

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。     

新型硫系玻璃在低成本热成像系统设计中的应用

随着非制冷红外探测器价格的不断下降,昂贵的红外光学元件成为限制非制冷红外成像系统成本的重要因素.新型硫系玻璃在3～5μm和8～14μm的大气窗口有着良好的透射性,同时具有价格低、可模压成型、折射率温度系数小等特点,较为适合非制冷红外成像系统.对常用红外材料和新型硫系玻璃的各方面特性进行比较,总结了新型硫系玻璃的优点,并使用新型硫系玻璃分别对两种温度范围的光学系统进行了设计,详细阐述了该材料在低成本热成像系统设计中的使用方法.结果表明:新型硫系玻璃既能满足光学性能,又在一定程度上解决了高成本的问题,可应用于批量生产的红外光学系统之中.     

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.     

温度对红外光学系统的影响分析及消热差设计

分析了温度对红外光学系统结构参数的影响,计算了温度变化引起系统的离焦量和调制传递函数,给出了红外光学系统消热差设计的基本原理;利用ZEMAX光学设计分析软件,结合实际的长波红外光学系统,分析其在20℃,－40℃和60℃时的成像质量。分析结果表明,该系统在常温时成像质量接近衍射极限,系统全视场调制传递函数在特征频率20 lp／mm处达0.6,87.6％的能量集中在探测器的一个像元内,成像质量优良;但是当温度在－40～60℃变化时,系统成像质量急剧恶化,不再满足使用要求,在分析的基础上采用折衍射混合光学被动式消热差技术中对其进行进一步设计,经消热差设计后该红外光学系统的成像质量得到了极大的改善,全视场调制传递函数在特征频率20 lp／mm处达0.55以上,且能量分布集中,满足红外探测系统的使用要求。     

基于硅锗材料低成本中波红外光学系统无热化设计

为实现中波制冷红外导引头的低成本、无热化设计,采用两轴框架式总体布局方式,基于硅锗光学材料,利用一次成像3片式光学结构（Si-Ge-Si）,选用斯特林制冷型面阵规模640×512像素尺寸为15μm的中波红外探测器作为接收器件,设计一种高分辨率低成本中波制冷红外成像制导光学系统,并实现了宽温范围内的无热化设计。设计结果表明,光学系统焦距为55 mm,视场大小为10°×8°,在33 lp/mm处,轴上0视场的调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）不低于0.6,轴外0.7视场传递函数不低于0.40,畸变小于1%,冷光阑效率100%。同时,结合整流罩进行针对性优化设计,系统冷反射现象基本消除,在-40℃～+70℃温度范围内具有良好的成像效果。光学系统结构简单,易加工装校,良品率高。经实测样机,光学系统成像质量优良,各项性能指标满足技术指标要求。     

紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

针对红外双波段量子阱探测器,设计了一个可同时工作在4.4~5.4mm(中波段红外)和7.8~8.8mm(长波段红外)波段的仅含3片透镜的紧凑型双波段无热化光学系统,有效焦距为30 mm,f/#为2.1。对比先前报道的双波段无热化红外光学系统,此设计仅采用硫系玻璃材料Ge_(20)Sb_(15)Se_(65)制备的两片镜片和常规红外材料Zn S制备的一片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统在中波红外及长波红外两个波段的无热化设计效果,且不含衍射面,整体结构紧凑,制备难度低。利用硫系玻璃易于精密模压制备非光学球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计一处非球面。设计结果显示,系统在两个红外波段,-40℃~60℃温度范围内像质良好,且光学调制函数(MTF)接近衍射极限。     

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.     

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。     

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。     

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。     

国外高变焦比中波红外镜头的研究进展

与红外定焦镜头和红外两档变焦镜头相比,红外连续变焦镜头具有连续可变的视场,可对目标进行连续的跟踪,是未来红外成像技术的发展方向.随着光学冷加工、精密机械加工、镀膜技术等工艺水平的不断进步,以及现代科技的发展要求,红外变焦镜头向高变焦比方向发展,同时还须保持良好的成像和消热差性能.概述了国外各种高变焦比中波红外镜头的结构和设计方法,包括20高变焦比中波红外镜头、30高变焦比中波红外镜头、300高变焦比中波红外镜头,总结了一套高变焦比中波红外镜头设计经验,对国内高变焦比中波红外镜头的应用发展研究有借鉴价值.     

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。     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。     

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。     

复杂环境下弱信号红外探测系统灵敏度需求及实现方法研究

针对真实环境条件下远距离对红外弱信号目标的成像探测任务,首先需结合中波及长波红外所选探测谱段分析各类复杂气象条件下大气传输对信号的衰减效应,提出红外系统在复杂环境下有效实现对弱信号目标远距离成像探测的灵敏度需求为系统噪声等效温差(NETD)达到5 mK;然后分析中波及长波红外系统NETD实现5 mK的技术难度,最后选用像素级数字化积分体制实现了甚高灵敏度的中波及长波红外系统并进行了NETD测试和成像探测试验。     

快速制冷型红外焦平面成像制导系统设计

红外焦平面成像技术是一种通过摄取景物热辐射分布,并将其转换为人眼可见图像的技术,广泛应用于侦察、制导、空间探测等方面.针对红外制导小体积、快速启动的应用要求,设计了快速启动红外焦平面成像制导系统.对应用于系统的折反式红外镜头、快速启动型红外焦平面探测器、低噪声成像电路等进行了设计,设计结果满足制导条件下的红外成像要求.     

Large-Format Voltage-Tunable Dual-Band Quantum-Well Infrared Photodetector Focal Plane Array for Third-Generation Thermal Imagers

We report a large-format (640 times 512) voltage- tunable quantum-well (QW) infrared photodetector focal plane array (FPA) for dual-band imaging in the mid- and long-wavelength infrared (MWIR and LWIR) bands. Voltage-tunable spectral response has been achieved through a series connection of eight-well MWIR AlGaAs-InGaAs and 16-well LWIR AlGaAs-GaAs QW stacks grown by molecular beam epitaxy on GaAs substrate. The peak responsivity wavelength of the detectors is shifted from 4.8 to 8.4 mum as the bias is increased within the limit applicable by commercial read-out integrated circuits. The FPA with MWIR and LWIR cutoff wavelengths of 5.1 and 8.9 mum provides noise equivalent temperature differences of 20 and 32 mK (f/1.5) in these bands, respectively. The results are very encouraging for the development of low-cost large-format dual-band MWIR/LWIR FPA technology.     

紧凑中波/可见摆扫成像装置光学设计与分析

为了在空间限制严格的条件下,实现远距离、双波段、摆扫成像要求,采用双波段折反缩束镜、双快反镜及紧凑的单波段透镜后组,并通过优化设计,建立了一种紧凑型双波段摆扫成像光学系统。其中,双波段折反缩束镜由RC系统、CAF₂分色棱镜、及单波段透镜组组成,分别在0.6~0.9 μm及3.6~4.9 μm波段取得接近衍射极限的像质,且摆扫成像像移均控制在半个像元以内。该双波段系统中,主次镜间无透镜,可见光系统焦距为1752 mm,光学系统三维尺寸为380 mm (轴向)×Φ360,远摄比达到0.22,线遮拦比为0.34。在无遮光罩的前提下,仿真分析表明,入射角大于30°时,红外PST均小于1×10?4。且该系统加工及装调工艺成熟可控,成本较低。     

折反式远红外光学系统设计

针对红外搜索与跟踪系统在现代战争中体现出的优势和重要性,提出了一种折反式红外光学系统设计方法.在折反系统中,用同一种红外材料实现了像差特别是二级光谱的校正.该设计结果满足设定要求,可用于机载红外搜索与跟踪系统,并适用于像元尺寸为25μm的非致冷焦平面阵列探测器.