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。     

光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计

环境温度变化导致红外光学系统成像质量变差,利用光学材料热特性之间存在的差异,研究了一种光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计方法。首先,根据远摄物镜基本结构及远摄比建立含参方程;其次,结合不同材料组合及消热差和消色差方程将前组复杂化,获得初始的光焦度分配。最后,利用ZEMAX光学设计软件进行优化、像差校正,设计实例焦距为100 mm,F数为2.0,远摄比达到0.8,全视场角6°。设计结果在-40℃~60℃范围内,成像质量稳定,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限。     

红外双视场枪瞄光学系统设计

随着现代战争中伪装技术的日益增强,瞄准镜的性能对武器威力的发挥起到至关重要的作用。结合红外与变倍特性的瞄准镜系统将在观测中发挥重要的作用。本文设计的双视场红外瞄准镜系统工作波段为8～11μm,视场大小变化范围为0.716°/2.886°,实现了4倍的变倍比。同时,由于红外材料对温度变化敏感的特性,对光学系统进行了被动消热差设计,保证了系统在-40℃～60℃工作温度内成像质量稳定。系统采用德国AIM公司的长波非制冷探测器接收红外信号,为了实现可加工性,所有面型皆为球面。通过对透镜形式的合理选择,透镜之间的合理搭配,最终实现光学系统的设计,系统成像质量良好,环境适应性强。     

机载折反式光学系统的无热化设计

为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响,对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析,实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先,根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数,列出透镜组的消热差方程。接着,在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率,以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后,结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明,工作在486～656nm波段,焦距为1 850mm的机载折反式可见光光学系统在0～40℃之间成像良好,调制传递函数下降不到0.1。     

论红外光学系统消热差技术中的归一化系数

温度变化对透镜成像效果的影响称为热差.为了使透镜在一定温度范围内具有稳定的成像质量,通常需要通过采取某些补偿措施来实现消热差.归一化系数是消热差数学模型的重要组成部分.讨论了归一化系数的概念及其在消热差技术中的应用情况.基于国内相关文献资料,介绍了红外光学系统消热差技术的发展思路与动态.     

实现光学被动热补偿的非制冷红外双焦光学系统

分析讨论了光学系统热补偿设计的几种方式,并基于衍射光学元件特殊的热差特性,将衍射元件应用于非制冷红外双焦光学系统实现光学被动热补偿。ZEMAX光学设计软件分析结果表明,该系统在规定温度范围内成像良好,温度对双焦光学系统的影响不大。     

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≥...     

自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统,该系统中采用特殊自由曲面面型结构,构建自由曲面透镜组,利用垂轴偏移的变焦特性,改善光学系统的成像位置,提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理,并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中,分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明,光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3,满足成像要求,该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。     

二次成像光学被动无热化设计

介绍光学被动无热化设计的原理,对二次成像系统进行热离焦分析,提出一种使物镜组和中继镜组无热化,从而实现二次成像系统无热化设计的方法。研究由三种材料4片透镜构成的镜组无热化的图解法并给出详细设计步骤。采用Ge、ZnS和CdTe三种常用的红外材料,设计一个长波二次成像光学系统。设计结果表明该系统在-60～70℃的温度范围内,具有良好的消热差、消色差性能。     

一种紧凑型红外光学系统设计

介绍了制冷型红外成像光学系统设计初始结构的选择方法,采用折反射光学系统结构,设计了一种紧凑型红外光学系统,实现总长/焦距比为0.59,在-40～60℃温度范围内,具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射限,具有结构紧凑、体积小等优点,可满足红外成像导引头的使用要求。：     

机载复杂红外光学系统无热化补偿方法研究

为提高机载红外光学系统的环境适应性,保证红外系统在机载动态环境中能够稳定成像,提出一种无热化加权温度补偿方法,根据每个光学元件和间隔温度变化对系统成像影响程度的不同赋予不同的权重,建立在不均匀变化温度场中光学系统的加权温度补偿模型。利用光学设计软件仿真分析,工作温度在-50～+60℃范围内仿真误差<0.5%。建立了无热化光学系统的测试平台,对无热化加权温度补偿方法仿真分析结果进行实验测试。研究结果表明,加权温度补偿模型实用性强、精度高。在机载环境温度范围内,各项误差能够控制在1.5%,满足机载环境复杂红外光学系统的被动无热化的要求。     

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。     

长波红外光学系统混合被动无热化设计

结合光学被动无热化和机械被动无热化各自优势,提出一种低成本、高质量混合被动无热化方法.针对焦距75 mm,F/1的无热化镜头研制要求,分别利用光学被动无热化和混合被动无热化设计实现.对比发现,相较于传统的机械被动式无热化,混合无热化可减小补偿结构的体积和复杂性,从而有助于系统的小型化、轻量化;相较于光学被动无热化,在保...     

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1.064μm激光和7.7～9.3μm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.     

含有双层衍射光学元件的红外双波段无热化光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型.基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm红外双波段光学系统.光学系统的焦距为100 mm,F#为2,采用像元数为640×512、间距为15μm的制冷型探测器.该系统在空间频率33 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.52和0.16,最大RMS半径小于9.88μm,波前像差小于0.0705λ,最大离焦量小于焦深,在-40℃～71℃范围内实现了无热化设计.系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于99.15％.入射到衍射面上的角度为0°～10°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为97.70％和96.95％.     

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C (尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40～+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8～12μm,焦距变化范围为20.7～126 mm,对应F#为1.05～1.2,视场变化范围为21°×16.8°～3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。     

红外系统变倍机构研究与分析

红外系统具有成像质量好、探测灵敏度高、信噪比高、抗干扰能力强以及探测距离远等优点,在军事、民用等各个领域得到广泛应用。红外系统对目标进行搜索与探测时,对多视场或连续变焦光学系统的需求日益增强,其中一个措施就是改变两个或两个以上透镜在光学系统中的位置,从而改变光学系统的焦距。从机械设计的角度出发,对几种变倍机构的构型、工作方式及设计要点进行较详细的说明,给出其各自的适用范围和优缺点,为红外热像仪的工程设计提供参考和依据。     

用于无人机的长波红外消热物镜设计

针对无人机载用红外光学系统的特殊要求,借助二元面、非球面以及新材料硫系玻璃GASIR2的使用,针对面阵为320×240、像元间距38 μm的氧化矾探测器,成功设计了一个在-80℃～+120℃的温度范围内完全被动消热的长波红外光学系统,系统F#为1、焦距17.5 mm、视场40°×30°、总长46mm.与同类系统对比,其主要特点是采用的光学元件少、体积小、重量轻、像质佳.