折反射中波红外探测无热化成像系统设计分析

系统研究分析了红外光学系统中各个光学参数随温度变化的影响情况,根据红外硫系光学材料折射率温度系数较小的特点,并结合折反射结构良好的消热差特性,应用Code-v光学设计软件设计了一种折反式中波红外探测无热化成像系统,系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距为109.7 mm,全视场角为6.4,F/#为2.0,满足100%冷光阑效率,采用锗、硫化锌和硫系玻璃AMTIR1三种红外材料,设计结果表明,该系统在低温-40 ℃、高温60 ℃时的成像质量和常温20 ℃的成像质量变化不大,取得了良好的成像性能,可匹配像元尺寸为30 m,像元数320256的凝视型焦平面阵列中波红外探测器。     

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.     

红外光学系统中心偏差及装调方法研究分析

光学系统的装调是决定光学系统成像性能的关键因素,所以对于光学系统装调技术的要求日益增加。在红外光学系统中,中心偏差是光学系统成像质量决定性因素。为了保证镜头组件为共轴光学系统,倾斜偏心与水平偏心应调至最小。本文简述了红外中心偏差出现的原因及几种测量方法,并分析了中波无热化镜头的权重因子,重新设计了中波无热化镜头的机械结构。最后介绍了一种基于红外中心偏测量仪的中波无热化镜头的装调方法。     

基于新型硫系玻璃的红外成像光学系统(特邀)

为了丰富当前可用红外材料的种类，满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求，充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势，开发了新型硫系玻璃材料，并且在同一系统指标要求下，分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统，有效实现了去锗化设计，与基于传统红外材料的红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了35%，长度减少了15%，透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统，在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了40%，长度减少了30%，透过率提高了15%；在制冷型中/长波红外光学系统中，具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了20%，长度减少了20%，透过率提高了18%。设计结果表明，新型硫系玻璃的出现，是对现有红外材料的有益补充，为新一...     

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.     

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8～12μm、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...     

红外光学系统的无热化设计

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义,分析了温度对红外光学系统的影响,描述了目前无热化设计的方法。采用了常用的光学材料和球面透镜实现了无热化设计,试验证明了光学系统在-45~+60℃范围内保持良好成像。     

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。     

红外成像光学系统无热化设计

红外成像光学系统受温度变化的影响非常明显,所以必须进行无热化设计.分析了温度变化对红外成像光学系统的影响,根据无热化设计技术设计一个能满足-40℃～80℃宽温度范围的红外成像系统.通过比较机械补偿法和光学补偿法两种无热化补偿技术,可以看出光学补偿法具有明显的优点.     

硫系玻璃及其在红外光学系统中的应用

硫系玻璃是指以元素周期表VIA族中S,Se,Te为主并引入一定量的其它类金属元素所形成的玻璃,它具有优良的透中红外和极佳的消热差性能,被视为新一代温度自适应红外光学系统核心透镜材料,可广泛应用于军用(夜视枪瞄、红外肩扛导弹、战机夜视巡航等)和民用(汽车夜视、安防监控等)红外光学系统中。回顾了硫系玻璃发展历程,从商业硫系玻璃产品、制备工艺技术、玻璃精密模压技术及在红外光学系统应用4个方面总结了硫系玻璃目前的发展现况,并对其发展前景进行了展望。     

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。     

大口径硫系玻璃内部缺陷检测物镜设计及实验验证

大口径硫系玻璃在军事及民用高分辨率红外夜视成像领域有着重要的应用价值。现阶段缺少针对大口径硫系玻璃内部缺陷（包括条纹、杂质和裂纹等）进行量化评价的检测技术,因此硫系玻璃的品质控制成为了限制其大范围发展的瓶颈之一。针对课题组大口径硫系玻璃的透射光谱特性以及现有的近红外照相机的光谱响应特性,提出了一种工作在近红外波段的大口径硫系玻璃内部缺陷检测技术并设计成像镜头,镜头包含了使用K9、F6玻璃的三片双胶合透镜,有效焦距为200 mm,在近红外波段0.95～1.05 m实现消色差,成像质量接近衍射极限。根据镜头特点搭建了大口径硫系玻璃内部缺陷测试装置,实验验证了镜头的分辨率与设计要求相符,并可针对大口径硫系玻璃的各种内部缺陷进行有效检测。     

硫系玻璃在红外成像系统应用进展

随着红外热像仪在民用领域的广泛应用,低成本高性能的产品正得到业界的重视。本文主要介绍了硫系玻璃在红外光学设计领域的应用前景。相对于红外领域常用的材料单晶锗,硫系玻璃不但具有低成本,折射率随温度变化小(dn/dt)的特点,而且,由于它是非晶态材料,可以用精密的模压工艺来代替用于晶体材料的单点金刚石车削工艺,其批量加工的成本得到了大幅的降低,产品的稳定性,一致性也得到了明显的提高。     

远红外Ge-Te-Ag硫系玻璃的光学性能研究

用熔融淬冷法制备了一系列Ge-Te-Ag硫系玻璃,并确定了玻璃态的成玻区。通过阿基米德排水法、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)、可见/近红外吸收(UV-VIS-NIR)光谱和傅里叶红外透射(FTIR)光谱等技术,研究了玻璃态的物理特性、热学特性以及光学特性。研究表明,玻璃态的密度随着Ag含量的增加而增大;Ag的掺入改善了玻璃态的形成能力和热稳定性;随着Ag含量的增加,玻璃态的短波吸收限发生了红移,而红外截止波长基本没变化;玻璃态有着较宽的红外透过范围(1.8～20.0μm),表明其在远红外领域具有很大的应用前景。     

硫系玻璃在民用红外车载成像系统中的应用

针对324256非制冷探测器,设计了一个工作波段为8~12 m,有效焦距为9 mm,F数为1.3,视场角为33.2626.28的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片,结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能,且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。     

红外热成像系统用硫系玻璃的熔制技术

硫系玻璃是一种理想的红外光学透过材料,在红外热成像技术领域具有显著的应用价值。红外热成像技术要求所用硫系玻璃材料具有高透过、高均匀、大尺寸等性能优势和批量化、低成本制备特点,玻璃的熔制技术是有效解决上述需求的关键所在。概括介绍了硫系玻璃的真空密封安瓿瓶熔制、真空/气氛保护坩埚熔制技术和装置,特别提出和说明了一种硫系玻璃熔制新方法气氛保护下的二次熔制方法,详细分析了该方法对硫系玻璃的光谱性能、内在光学质量和光学均匀性的影响,研究发现:随着保护气体纯度提高到99.999%,二次熔制后玻璃的光谱透过性能与真空密封安瓿瓶中接近,玻璃的内在光学质量和光学均匀性均显著改善。     

硫系玻璃集成光子器件综述(特邀)

硫系玻璃具有超宽的红外透过光谱范围、较高的线性折射率、极高的光学非线性和超快的非线性响应,近年来在集成光子器件研究领域备受关注。首先回顾了硫系玻璃集成光波导的制备,综述了硫系集成光子器件在红外传感和高性能非线性应用方面取得的进展,然后介绍了硫系相变光子器件在光开关、光存储和光计算等方面的前沿进展,最后对目前硫系玻璃光子器件研究存在的问题进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。     

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。