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...     

超大视场红外光学镜头设计

超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7～4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围?55～+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。     

大视场小型无热化长波红外镜组设计

跟随红外镜头小型化、大视场化的趋势,利用ZEMAX设计了一款大视场无热化小型长波红外镜组。系统匹配384×288@17μm的非制冷型长波红外探测器,工作波段为8～12μm。系统F数为1.6,相比于传统红外镜头,视场角更大,全视场达72°,尺寸更小,总长仅为6.96 mm。主镜头仅用3片镜片,通过两种红外光学材料的搭配以及6面非球面实现像差的校正和光学系统的无热化,工作温度范围覆盖-40～60℃。仿真结果表明,在空间频率15 lp/mm处,全视场的调制传递函数大于0.5,空间频率30 lp/mm处,全视场调制传递函数大于0.15。同时为了增大红外探测器的填充因子,提高能量利用率,在系统中搭配设计了放置于红外传感器前的微透镜阵列。实现了红外光学系统的小型化,为红外热像仪在智能手机上的应用提供了解决方案。     

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。     

大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计

研究了大视场大相对孔径长波红外机械无热化光学系统的设计, 设计了8～12 μm波段内F数为0.8、温度在-40～60℃范 围内无热化的光学系统。结果表明,该系统结构简单,像质好,在空间频率20 lp/mm处的 光学传递函数值大于0.5。     

滚仰式导引头红外光学系统设计

滚仰式红外光学系统由物镜前组、折转镜组和成像后组组成,其平台内框架俯仰范围可达到90,外框架可以实现360滚转,使光学系统观察视场覆盖整个前半球。光学系统实现了100%冷光阑效率。为适应较大的工作环境温度变化,对光学系统开展了被动无热化设计,给出了被动无热化实现的计算公式,并利用虚拟色差技术,快速确定了满足无热化条件的光学系统最优初始解。针对制冷型红外光学系统的冷反射效应,给出了冷反射诱导温差（NITD）的计算公式,并对敏感表面进行了优化控制。设计结果表明,光学系统焦距为58 mm,视场大小为4.0,F数为2.0,在-50~60℃工作温度范围内系统MTF值接近衍射极限,并对冷反射效应具有较好的抑制能力。经样机测试,光学系统成像清晰稳定,性能良好,满足设计及使用要求。     

波前编码技术在红外空空导弹上的应用研究

波前编码技术可以扩大光学系统的焦深,提高光学系统的无热化性能;也可以简化系统,减少光学零件数量。而空空导弹由于其体积较小,工作温度变化较大,其光学系统也面临着无热化设计和结构紧凑化设计等问题,因此研究波前编码技术在红外空空导弹上应用的可行性具有实际的意义。结合波前编码理论设计了一个适合于红外空空导弹,有效焦距f′为100 mm,F数为2,视场为±1.5°,工作波段为3~5μm的制冷型红外光学系统,通过Code V分析了光学系统在-45~60℃温度范围内的性能变化。     

光学软件热分析方法和消热差镜头设计

光学系统的性能易受工作温度的变化影响,因此设计光学系统时需要进行热分析并采用无热化设计方法进行优化。本文研究了工作温度对光学系统性能的影响,介绍了光学元件的热分析参数,并讨论了光学系统的结构参数与温度变化之间的关系,然后指出了Code V软件在热分析功能上存在的不足,在研究热分析的原理后,通过编写宏文件的方式,分别从光学元件间隔计算和光学材料折射率计算两个方面进行改进,最后利用Code V软件进行了一款消热差镜头的优化设计工作。该镜头的焦距为28mm,F数为22,视场角为160°,工作温度范围在-20～85℃。设计结果表明,在整个工作温度范围内,系统成像质量良好,满足使用需求。     

双视场红外光学系统被动无热化设计

温度变化会导致红外光学系统的成像质量差,为提高机载红外光学系统的环境适应性,保证红外光学系统在机载动态环境中能够稳定成像,提出了一种双视场红外光学系统无热化设计,给出了系统的主要技术指标和要求,说明了系统的原理和实现方法。     

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.     

红外光学系统无热化设计的途径

介绍了目前国内常用的主动式无热化技术和国外已成功采用的被动式无热化技术的原理。根据国内的加工工艺水平,分别从3个角度:球面系统光学材料匹配;引入非球面;使用简单的机械辅助结构讨论了从国外引进被动式无热化技术的可能性。经实例设计和大量数据分析得出结论。另外还介绍了目前国内适用于热成像的红外光学材料。     

8～12 μm折/衍混合监视系统无热化设计

论述了利用衍射元件实现光学系统无热化的原理和设计方法,并利用衍射光学元件特殊的消热差和消色差特性,设计了8～12 μm波段、焦距45 mm、F#为1.8、视场30°、工作在-55℃～55℃范围内的折/衍混合红外监视系统.设计结果表明,在此温度范围内,系统具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限;而且具有结构简单、体积小、重量轻和可靠性高等优点.     

红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系

建立了红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系，即可把红外光学系统无热化设计过程看成是广义变焦过程，介绍了设计广义变焦距镜头的过程，并进行了相关的理论推导，设计广义变焦距镜头的过程可分为以下四个步骤；（1）在常温下的满足像质要求的系统内设定变焦位置，（2）建立不同温度状态下的玻璃库；（3）建立不同变焦位置的联系；（4）温度分析与加入消除热效应因素。     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

红外双焦10~×光学系统设计

与传统定焦系统相比,红外双焦光学系统具有宽视场搜索目标、窄视场跟踪目标的能力;与连续变焦系统相比,红外双焦光学系统机械结构简单,装调容易等优点成为近年来研究的热点。介绍了一种用于324×256中波致冷红外探测器双焦10×光学系统设计结果。系统焦距24～240 mm,F#2,采用切入式变焦方式,短焦宽视场的全视场角达到28.7°;长焦窄视场的全视场角仅为2.9°。二次成像技术的应用,可以有效的减小轴向尺寸。Code V光学设计软件进行优化得到在空间频率17 lp/mm处,宽视场和窄视场的MTF均大于0.5。     

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。     

复眼系统的大视场平像面拼接方法

传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续合理选取光中继系统参数之间的平衡模型,重点分析中继系统景深与复眼拼接像面光程差之间的关系,得出复眼平像面的拼接方式产生的光程差在典型光中继系统的可接受景深范围内,可以有效地降低中继光学系统设计压力的结论。并基于上述理论设计一种单子眼的视场为16°、整体视场为96°的复眼光学系统进行实践验证。系统最终实现畸变小于2%,传递函数在中心视场达到衍射极限,边缘视场接近衍射极限的良好像质,证明了该拼接理论可行。     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。