一体化红外双波段成像光学系统

根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计了双波段系统,具有优于单色探测系统的探测能力和复杂环境下的目标识别与干扰判别能力,提高了有效侦察率、大大降低了虚警率.介绍了几种常见红外双波段系统,简述其原理,通过相应具体实例重点分析研究了折反式红外双波段以及折射式制冷型中波红外和长波红外双波段,采用共用窗口一体化红外双波段形式,结合二次成像和100%冷光阑效率技术,同时在两个波段内较好地完成了系统像差的校正,且两波段相对孔径、视场和焦距一致,因而可以融合中波红外图像和长波红外图像,充分利用中波红外、长波红外各自优点,符合实际应用需要.     

紧凑中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320×240凝视焦平面探测器,设计了一个仅有6片透镜的紧凑中波红外连续变焦系统.该系统由机械补偿变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成,可实现27.5～458 mm连续变焦,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有透过率高、变倍比大、分辨率高、体积小、像质高等优点.     

光学补偿中波红外变焦光学系统设计

针对320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个变倍比为12x的中波光学补偿连续变焦光学系统.该系统由7片透镜和两个反射镜构成,可实现26.7mm/80mm/160mm/320mm四档变焦,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有结构简单、透过率高、体积小、像质高等优点.     

红外宽波段双层谐衍射光学系统的设计

相比传统的折反射元件,衍射光学元件和谐衍射光学元件因其独特的色散性能和温度效应在消色差和补偿热差方面有得天独厚的优势,将其应用于混合光学系统,可以简化结构,提高像质。但是二者衍射效率均依赖于波长,降低了宽波段成像的对比度。而双层谐衍射元件可以减弱衍射效率对波长的依赖性。因此,该红外宽波段系统采用双层谐衍射元件,第一层材料为Ge,第二层材料为ZnSe,微结构厚度分别为73.3 m和149.3 m,整个工作波段的衍射效率达到97.5%以上。在Code V中仿真优化得出:混合系统的各种像差性能都比较理想,特别是宽波段8~14 m的色差得到了很好的校正,二级光谱得到较好的控制,系统的调制光学传递函数接近衍射限。最终的性能测试结果显示:各项性能均可满足使用要求。     

多波段单元宽场红外成像系统

军事和空间应用都需要利用红外探测技术来进行目标跟踪和搜索,而且它们都要求能探测到中红外波长范围(1.5μm—20μm)内的微弱辐射。诸如红外成像系统之类的电光敏感器是利用光学元件将接收到的辐射聚焦到探测器上的。然而,电光敏感器的尺寸和重量却一直是一个重要的设计根据。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

采用综合信噪比的中波光谱探测波段选择

中波红外是非常重要的探测波段,对于目标探测而言,在保证足够光子数的情况下,进行波段选择有利于更好地区分目标与背景。针对典型目标及其所在区域的背景的中波红外光谱辐射特性,分析了信噪比和信杂比对探测的影响,提出了一种基于综合信噪比的波段选择方法,该方法综合考虑了传感器噪声、背景杂波辐射对目标探测的影响,计算了典型状态下目标信噪比、信杂比和综合信噪比,从仿真结果来看,不同典型场景下能使目标探测的综合信噪比较高的波段并不相同,从而给出不同场景下最优探测波段的建议。白天探测该目标,3~3.7m可以考虑作为优选波段,在夜间探测该目标,3~5m可以考虑作为优选波段。     

二次成像中波红外折射衍射光学系统设计

中波红外(3～5 μm)在航天遥感中有着重要的应用.由于背景辐射的影响,中波红外光学系统一般要求达到100%冷光阑效率.在航天应用中由于系统轻量化的要求,同时要求光学系统的设计尽可能简化.光学技术的发展,使得光学设计可以利用非球面,二元光学衍射面等,获得更多的自由度,对成像光学系统的像差进行有效的校正.利用三个光学元件,设计出波段范围3～5 μm,口径200 mm,F/2.5的二次成像光学系统.系统由主光学卡塞格林系统加中继系统组成.中继系统由一片硫化锌透镜组成,成像质量达到衍射极限.     

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。     

空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计

设计了一种短波红外成像光谱仪的光学系统.它采用离轴透镜来校正大视场像差,避免了采用大口径同心透镜,降低了大口径透镜获取难度和加工要求,同时校正了狭缝弯曲和畸变;采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,并减小了残余像差;采用一个色散棱镜来修正非线性色散,满足了光谱分辨率要求,在棱镜背面镀反射膜,简化了结构,减轻了重量.最后给出了各个通道的光谱非线性和光谱弯曲结果.     

瞬态短波红外光谱仪光学系统设计

设计了瞬态短波红外光谱仪的光学系统。论述了光谱仪的工作原理和光学系统方案选择,对CZ-ERNY-TURNER结构形式的光谱仪进行了光学设计和像差分析。该光学系统的波长范围为900～1700nm,光谱分辨率达到5nm,谱面20mm不平直度0.021mm。光学系统性能接近国外同类产品水平。     

双色中波红外点目标成像特性差异分析

在深入分析双色中波红外被动热成像过程的基础上,明确了双色中波红外成像的影响因素,建立了点目标的双色中波红外图像的形成模型,并对模型进行了仿真实验,揭示了双色中波红外点目标成像特性差异的形成机理,明确了双色中波红外点目标成像在灰度值、目标受环境影响和目标背景对比度等三个方面存在的差异,通过实验图像的差异特征验证了这些成像特性差异存在的普遍性,为双色中波图像特征提取、融合规则和融合权重确定等提供了依据.     

小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.     

双色中波红外成像融合技术的研究进展

双色中波红外成像是红外多波段探测研究的重要分支,以双色中波成像及其图像处理为线索,按照“探测—成像—融合”的思路,从双色中波探测器研制、探测成像应用、成像特性分析和图像融合4个方面分析了双色中波红外成像融合技术的研究现状,指出了双色中波图像融合研究中存在的问题及其原因,提出了在双色中波红外图像差异特征形成机理研究基础上,探索差异特征驱动的多级融合方法、融合工程化及建立新的图像融合评价方法的发展思路.     

星载大视场多光谱成像光学系统设计

大视场、多通道、小型化已成为星载测绘光学系统的迫切需求。根据上述需求,提出了先用视场分光再用窄带分色片分光的设计方案、并构建了自动消遮挡和轻小型化优化函数。设计了一款主、次、三镜均为球面的离轴三反四通道光学系统,其焦距360 mm、相对孔径为1/6、视场角13°×5°、工作波段0.4~1.1 m、地面像元分辨率5 m、全视场畸变小于5%。加工、装调后的整机系统实测MTF（Modulation Transfer Function）曲线在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.25,同时系统所占空间面积仅为245 mm×423 mm、整机重量仅13.82 kg,从而实现了系统大视场、无遮挡、多通道、体积包络的小型化。     

单片式红外中波温度自适应光学系统设计

推导了衍射光学元件的温度特性和色散方程,分析了折/衍混合光学系统消热差、消色差可能性.设计了单片式红外中波温度自适应光学系统,系统仅含有一片硒化锌透镜,焦距=50mm,F数4,配合中波制冷红外焦平面探测器,冷光阑效率达到100％,系统结构简单,重量轻,体积小.用光学设计软件ZEMAX进行像质评价,在-40℃～60℃范围内调制传递函数、弥散斑、色差焦点漂移完全符合温度自适应光学系统要求.     

大视场红外扫描成像光学系统设计

对地红外扫描成像系统在获取地面目标图像方面具有快速、高效等诸多优点.基于旋转扫描成像方式提出了一种孔径光阑二次成像的光学系统方案,并给出了一个工作谱段8~10μm、焦距520 mm,成像视场为1.4°×72°的光学系统设计实例,分析结果表明成像质量良好,具有良好的实用性和应用前景.     

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500 nm,全视场达23.9°。     

用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

面对空间遥感,尤其在目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点．在同轴三反射光学系统的基础上,采用视场离轴方式,设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统．次镜和光阑重合,无中间像,实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求．光学系统的基本参数为：焦距f’=1600mm,视场角为2w=18°×0．148°,相对孔径为1／10,3个反射面均为二次曲面．设计结果表明,成像质量接近衍射极限,用此方法设计的光学系统在航天遥感领域具有很好的应用前景．