基于谐衍射特性的红外双波段光学系统设计

基于谐衍射光学元件的成像理论,将谐衍射透镜应用在传统红外单波段系统里,设计得到工作波段处于4.4～5.4μm和7.8～8.8μm的红外双波段光学系统。分析了谐衍射光学元件的特性,计算了光学系统的结构参数,并利用软件的多重结构进行了优化。设计结果表明,系统的光学传递函数在两个波段范围内,20 lp/mm时的归一化值均大于0.5,具有良好的成像质量。为红外光学系统的设计提供了一种全新器件。     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

基于双层衍射元件的红外双波段光学系统设计

利用红外双波段成像能够获得更多的信息,从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中,可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性,相比于单层衍射光学元件,多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率,给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此,设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中,双层衍射光学元件在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明,系统像质良好,满足要求。     

双波段红外折衍混合光学成像系统

双波段红外光学成像系统由于具有可以同时对3μm～5μm和8μm～12μm波段进行成像的特点,一直是国内外红外光学系统研究人员研究发展的对象。由于受传统红外光学元件     

红外7.5～10.5μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外7.5μm～10.5μm波段的红外折射/衍射混合消热差光学系统并进行了分析.设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点.     

一种红外双波段衍射望远镜的光学设计

深入研究了双层谐衍射光学元件,基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%,极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜,取得了接近衍射极限的成像质量,易于加工.     

一种红外双波段衍射望远镜的光学设计（英文）

深入研究了双层谐衍射光学元件,基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%,极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜,取得了接近衍射极限的成像质量,易于加工.     

周视扫描成像红外双波段光学系统设计

介绍了一种周视扫描双波段红外光学系统,该系统利用K镜消除像旋转,能对中波3～5μm、长波8～10μm光谱进行双波段成像,且同时具有较大的扫描视场和较宽的光学口径.系统结构简单,装调方便,成像质量优良.     

红外8～12μm 波段折射衍射光学系统的无热化设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外8μm～12μm 波段的红外折射/衍射混合无热化光学系统并进行了分析。设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点。     

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统,分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件,系统的主要技术指标为:工作波段3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,总结了3种不同类型光学系统的优缺点。     

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。     

宽波段DMD动态红外景象仿真器投影光学系统设计

宽波段红外景象仿真器可用于内场评价和验证中波/长波红外双波段成像仪。详细介绍了基于数字微镜器件(DMD)的动态红外景象仿真器的组成和工作原理。重点介绍了覆盖中波和长波红外的宽波段红外投影光学系统的指标要求、设计思想和设计结果。基于离轴三反射镜系统设计的系统,具有无色差、适用波段宽、相对孔径大、结构较紧凑、成像质量好等优点。根据待测设备要求,设计了一款口径100、相对孔径F/2.84、全面视场角4.4°、成像质量接近于衍射极限的宽波段投影光学系统。     

红外搜索跟踪系统中的双波段共孔径光学设计

由于红外搜索跟踪系统（IRST）探测距离长,伪装性良好和错误率低等特点,因此成为了空中及海上最好的探测装备。针对红外与搜索跟踪系统对多谱段的需求,设计了红外搜索跟踪双波段共孔径光学系统。具有优于单波段获取信息弱的优势,将中波红外图像和长波红外图像融合到一起,综合利用了中波红外和长波红外各自优点,提高了有效侦察率、降低虚警率。系统总焦距为400 mm,F#=2,视场角为2°,采用分光型RC系统实现3~5μm和8~12μm双波段共孔径清晰成像,为了抑制中波的热辐射杂光,对中波系统实现了二次成像。设计结果表明,系统像质优良,满足红外搜索跟踪系统的使用要求。     

中波-长波红外双色QWIP探测器设计

双色QWIP是一类重要的第三代红外探测器,但很少有研究报道对其有源区结构以及耦合光栅参数进行系统的计算分析和优化设计。文中基于包络函数近似、传输矩阵模型、经典光学原理等理论对中波-长波红外双色QWIP探测器的多周期有源区以及二维耦合光栅进行了较为详细的优化设计。长波红外(LWIR)有源区采用GaAs/AlGaAs准匹配体系的多量子阱结构,峰值响应波长为8.5 m;中波红外(MWIR)有源区采用InGaAs/GaAs/AlGaAs应变体系的微带超晶格结构,峰值响应波长为4.5 m;子带间跃迁类型均设计为束缚态-准束缚态(B-QB)以降低暗电流,提高探测率。此外,通过折衷优化设计,采用单周期二维光栅以有效实现LWIR与MWIR的双色耦合。上述设计对双色QWIP器件的研制具有较好的实际指导意义。     

High-Performance M/LWIR Dual-Band HgCdTe/Si Focal-Plane Arrays

Mercury cadmium telluride (HgCdTe) grown on large-area silicon (Si) substrates allows for larger array formats and potentially reduced focal-plane array (FPA) cost compared with smaller, more expensive cadmium zinc telluride (CdZnTe) substrates. In this work, the use of HgCdTe/Si for mid- wavelength/long-wavelength infrared (M/LWIR) dual-band FPAs is evaluated for tactical applications. A number of M/LWIR dual-band HgCdTe triple-layer n-P-n heterojunction device structures were grown by molecular-beam epitaxy (MBE) on 100-mm (211)Si substrates. Wafers exhibited low macrodefect densities (< 300 cm^?2). Die from these wafers were mated to dual-band readout integrated circuits to produce FPAs. The measured 81-K cutoff wavelengths were 5.1 μm for band 1 (MWIR) and 9.6 μm for band 2 (LWIR). The FPAs exhibited high pixel operability in each band with noise-equivalent differential temperature operability of 99.98% for the MWIR band and 98.7% for the LWIR band at 81 K. The results from this series are compared with M/LWIR FPAs from 2009 to address possible methods for improvement. Results obtained in this work suggest that MBE growth defects and dislocations present in devices are not the limiting factor for detector operability, with regards to infrared detection for tactical applications.     

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。     

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.     

High-Performance MWIR/LWIR Dual-Band 640 × 480 HgCdTe/Si FPAs

HgCdTe grown on large-area Si substrates allows for larger array formats and potentially reduced focal-plane array (FPA) cost compared with smaller, more expensive CdZnTe substrates. The goal of this work is to evaluate the use of HgCdTe/Si for mid-wavelength/long-wavelength infrared (MWIR/LWIR) dual-band FPAs. A series of MWIR/LWIR dual-band HgCdTe triple-layer n-P-n heterojunction (TLHJ) device structures were grown by molecular-beam epitaxy (MBE) on 100-mm (211)Si substrates. The wafers showed low macrodefect density (<300 cm⁻²) and was processed into 20-μm-unit-cell 640 × 480 detector arrays which were mated to dual-band readout integrated circuits (ROICs) to produce FPAs. The measured 80-K cutoff wavelengths were 5.5 μm for MWIR and 9.4 μm for LWIR, respectively. The FPAs exhibited high pixel operabilities in each band, with noise equivalent differential temperature (NEDT) operabilities of 99.98% for the MWIR band and 99.6% for the LWIR band demonstrated at 84 K.