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。     

长波红外非制冷光学系统设计

由于温度变化会导致红外光学系统的成像质量变坏,因此,对于工作环境温度在-45～60℃之间的长波红外折射光学系统来说,无热化设计成为光学系统设计的难点和关键.为研究不同的无热化补偿方式的特点,分别设计了基于光学被动式无热化补偿和基于机械被动式无热化补偿的两种长波红外非制冷光学系统,对比分析了两种光学系统的优缺点,给出了选择无热化补偿方法的基本原则.     

红外二次成像无热化光学系统设计与实测

阐述了二次成像红外光学系统相比于一次成像红外光学系统而言,对温度变化更加敏感的特点及其影响,讨论了基于光学被动式无热化原理的二次成像红外光学系统的设计方法。不仅给出了设计的一个红外制冷型二次成像光学系统的实例,还对该无热化镜头进行了实际加热对比成像试验,并给出了成像测试结果。设计结果表明:该系统在-40℃～+80℃的温度范围内,像质接近衍射限,最佳像面变化量在一倍焦深范围之内,焦距变化率低,实现了光学被动式无热化。实际测试结果显示,所设计的二次成像无热化光学系统,具有良好的无热化能力,高温环境下无需调焦依然清晰成像。     

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.     

红外光学系统无热化设计研究

分析了温度对红外光学系统的影响。军用红外光学系统往往工作在温度变化较大的环境中,因此必须采取有效的温度补偿措施以减少离焦。介绍了红外光学系统无热化设计的方法及原理。根据小型红外光学系统的设计参数,提出了光学被动式无热化设计思路。试验结果表明,光学系统在0～60℃范围内可保持良好的成像效果。     

一种红外镜头的被动式无热补偿设计

探讨了温度变化导致光学系统像面离焦的原理,介绍了目前国内外典型的消热方法,分析了光学系统被动式无热补偿的优势,推导了实现热补偿需要满足的无热化方程组.提出一种光学和机械相结合的无热补偿方法,采取该方案补偿后的光学镜头在环境温度发生变化时像面与传递函数保持相对稳定,即光学系统基本实现无热化,这对红外镜头的无热化设计具有重...     

长波红外制冷型光学系统超宽温消热差设计

采用光学被动式无热化设计方法,给出了针对长波红外制冷型光学系统的一个设计实例.该系统采用了576元线列探测器,相比于以往288元线列探测器而言,在相对孔径、焦距等参数不变的条件下,视场扩大了一倍.该系统F数为1.6,焦距100 mm,视场9.2°,实现了100%的冷光阑匹配.设计结果表明,该系统在-50℃～+90℃的宽...     

紧凑型长波红外光学系统无热化设计

对于工作环境温度在-40~60℃之间的长波红外折射光学系统来说,由于红外光学材料受温度变化影响非常大,光学系统必须进行无热化设计。在介绍了无热化系统的种类,分析了温度变化对红外光学系统的影响基础之上,基于非制冷型焦平面探测器,设计了工作在长波红外8~12 m,F#为2,视场角为6.8的摄远型物镜系统。采用添加棱镜的方法,使系统在不添加特殊面型的情况下达到无热化的目的,同时使系统结构紧凑,摄远比达到0.69。透镜面型均为标准球面,利于加工、装调、检测。设计结果表明,光学系统的调制传递函数在每个规定温度下均能接近衍射极限,满足了设计要求。     

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.     

中波红外无热化镜头的设计与制造

无热化技术是保证工作在非设计温度下光学仪器性能的关键所在。与主动无热化技术和光学被动无热化技术相比,机械被动无热化技术在红外光学系统消热设计中具有一定的优势。在光学、机械仿真的基础上,镜头采用高膨胀系数的塑形材料以及合理的结构设计实现了无热化设计与制造。测试与试验表明,该镜头在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内具有良好的成像质量。     

摄远型红外8~12μm波段消热差物镜设计

介绍了一种摄远型长波红外消热差物镜的设计方法.将摄远物镜模型与消热差模型相结合,推导出之间的光焦度分配关系,并将二者统一起来,直接得到摄远型消热差物镜的光焦度分配关系式.首先,根据摄远物镜的设计方法进行物镜的设计,在满足远摄比的情况下结合像差理论合理选择最优的前组和后组光焦度解;然后采用光学被动消热差方法,进行消热差设计,选择材料组合,分配组元内部各透镜的光焦度;最后利用计算机辅助软件进行像差校正.为了验证该方案的可行性,设计了一个工作于8~12 m,焦距100 mm,F数为2.0,全视场角为6,远摄比达到0.8的长波红外消热差光学系统.在-40~60 ℃温度范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限,并且体积小、结构简单,质量轻.所设计系统优化后的光焦度分配值和初始计算值非常接近.     

远距型红外消热差物镜设计

介绍了一种远距型红外消热差物镜的设计方法。首先建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,将其与远距型物镜模型相结合,得到了光焦度分配方程组,再根据系统要求的远距比和所选择的光学材料组合,获得初始的光焦度分配,然后利用计算机辅助设计进行像差校正。该方法准确、实用。作为应用实例,利用ZEMAX软件分别设计了中波红外和长波红外光学系统,它们的焦距均为100 mm,F数为2.0,远距比达到0.8。环境温度分析结果表明:在-40 ~60 ℃范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相吻合。     

双波段消热差红外鱼眼光学系统设计

双波段鱼眼红外光学系统可以获取中波和长波两波段的图像信息,同时由于其大视场的特性,可以大大增加目标信息获取范围。根据光学系统的设计要求对光学系统进行了设计,全视场196,4.4~5.4 m/7.8~8.8 m波段内清晰成像,考虑到冷光栏的制冷效应,F#严格与冷光栏匹配,达到100%的冷光栏效应。推导了大视场被动消热差公式,通过对玻璃材料的优化选择,达到了双波段消热差,所设计的光学系统结构相对简单,成像质量较好,系统各个波段在-40~60 ℃的工作温度下实现了消热差,满足使用需求。     

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。     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内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处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

红外目标模拟器动态校准系统光学系统设计

基于红外目标模拟器动态校准系统的应用场景,分析了动态校准系统光学系统的设计特点,指出光学系统应选择折反式二次成像光路结构。基于经典的光学系统无热化原理,以光机材料精密搭配与计算为基础细化了该折反式光学系统的无热化方法,基于该方法设计了F/2、焦距370 mm、工作波段3.7~4.8m、总长为182 mm的光学系统,光学系统采用512512、15m15m规格的斯特林制冷式探测器,光学系统在-40~60℃范围内成像质量接近衍射极限。建立了光学系统鬼像和冷反射分析模型,分析结果表明:光学系统杂散光抑制能力较强、性能优异,满足红外目标模拟器动态校准系统在复杂恶劣环境下的使用要求。     

像旋扫描在红外成像系统中的应用研究

分析了采用像旋扫描原理扩大视场的途径,并建立了一个二次成像结构的设计模型.采用别汉棱镜作为像方一维扫描器件,并通过偏置致冷型中波红外探测器,实现了光学系统出瞳与冷光阑的完全匹配.此外,采用光学被动消热差以保证不同温度下的像质.该模型的相对孔径为1∶3,波长为3.7～4.8μm,焦距为34 mm,视场为士20°.通过采用...     

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。