红外成像光学系统进展与展望

随着红外焦平面探测器向大面阵、多维度(例如双/多波段)信息获取、高灵敏度的第三代探测器技术发展,对红外成像光学系统的设计、光学元件加工、光学膜镀制、红外光学系统装调与测试等方面提出了新需求.本文在简述第一代热成像系统红外光学、第二代红外/热成像红外光学的基础上,梳理了第三代红外/热成像系统对红外光学的要求,综述了第三代红外成像光学系统解决这些新要求的技术进展,并展望了新技术的发展趋势.     

透射式红外光学系统的光机热集成分析

利用有限元软件ANSYS建立了透射式红外光学系统的有限元模型,并对其进行热应力分析。以Zernike多项式为接口工具对变形后光学透镜的面形进行拟合,将得到的Zernike系数、透镜间隔的改变量和材料的折射率变化量代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后系统的光学性能。分析结果表明,温度改变使光学透镜的面形发生严重变化,并且使光学系统的像面产生漂移,导致系统的光学性能下降;光机热集成分析方法在红外光学系统中的应用,可以预测热环境对系统的光学性能的影响,为光机系统设计提供参考。     

紧凑型反向远距照相红外成像光学系统

反向远距照相光学系统已被广泛用于可见光谱。然而对于红外光学系统,可以使用的反向远距照相光学系统却很少,因为红外探测器必须冷却到低温下才能工作。如果将光学系统的透镜也冷却到低温,那就需要使用非常大的大容量低温箱。     

用于红外焦平面成像的变焦距光学系统

变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化、而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径也基本保持不变的光学系统。变焦镜头在一定范围内可以改变焦距从而可以得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围,在民用和军用方面都有重要的应用价值。例如在数码相机中广泛使用变焦镜头来实现对景物的不同拍摄要求,而在军事上变焦镜头则可以用来对目标进行探测和跟踪。     

红外光学系统的无热化设计

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义,分析了温度对红外光学系统的影响,描述了目前无热化设计的方法。采用了常用的光学材料和球面透镜实现了无热化设计,试验证明了光学系统在-45~+60℃范围内保持良好成像。     

轴向温度梯度对红外透镜光学性能的影响

运用有限元分析软件ANSYS建立了透镜组件的有限元模型,并对其进行热应力分析。用Zernike多项式对变形后的镜面面形进行拟合,并将得到的Zernike系数导入光学设计软件ZEMAX中,分析了轴向温度梯度对红外透镜光学性能的影响。结果表明:透镜面形的PV值、RMS值以及透镜表面曲率半径的变化量(ΔR)均随轴向温度梯度的增大而增大;轴向温度梯度使透镜面形发生了变化,从而导致了透镜光学性能的下降。     

激光雷达与被动红外复合成像光学系统

凝视焦平面成像已成为被动红外成像的主要研究和应用方向，而激光成像雷达又是比被动红外具有更高分辨率、且能成三维像的更前沿的成像技术，两种体制复合将有利于目标的跟踪、识别和定位．为此，世界上许多国家都在研究这一双模复合体制．在激光雷达和被动红外复合中，光学天线的选择和设计是一项关键技术．     

红外光学系统的热效应

讨论了环境温度变化对红外光学系统性能的影响,推导了单透镜、双合透镜以及远焦系统的热效应初级表达式,给出几组用于8—12μm波段的透镜系统的计算数据和曲线,并对其结果进行了分析。     

温度对红外光学系统的影响分析及消热差设计

分析了温度对红外光学系统结构参数的影响,计算了温度变化引起系统的离焦量和调制传递函数,给出了红外光学系统消热差设计的基本原理;利用ZEMAX光学设计分析软件,结合实际的长波红外光学系统,分析其在20℃,－40℃和60℃时的成像质量。分析结果表明,该系统在常温时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处达0.6,87.6％的能量集中在探测器的一个像元内,成像质量优良;但是当温度在－40～60℃变化时,系统成像质量急剧恶化,不再满足使用要求,在分析的基础上采用折衍射混合光学被动式消热差技术中对其进行进一步设计,经消热差设计后该红外光学系统的成像质量得到了极大的改善,全视场调制传递函数在特征频率20 lp／mm处达0.55以上,且能量分布集中,满足红外探测系统的使用要求。     

透射式红外光学系统光机热集成分析方法的研究

本文采用了光机热集成分析的方法对透射式红外光学系统在温度变化条件下进行分析.首先,利用Zemax建立了F#为1和F#为2的两个光学系统,利用有限元软件Patran&Nastran对两个光学系统加载温度场进行热弹性分析,得到镜面节点变形前和变形后的位移.其次,使用Sigfit将分析得到数据进行Zernike多项式拟合,得到镜面的Zernike系数和刚体位移.最后,再将其导入到光学软件Zemax中,分别考虑镜片面型变化、刚体位移变化和镜片折射率变化3种因素对其MTF值的影响.以F#为1的光学系统作为主要分析对象,其结果表明在设计要求65℃(-45℃～20℃)温差下,面型变化使MTF(17 lp/mm)值下降了9.72％;刚体位移变化使MTF值下降了29.16％;折射率变化使MTF值下降到0点,已不再满足光学系统的成像质量要求.其结果表明,折射率变化才是影响红外光学系统成像质量的最主要因素.通过减少温度范围并进行光机热集成分析,得到F#为1的光学系统下温差范围为8℃～32℃,F#为2的光学系统下温差范围为6℃～34℃.在两个光学系统的温差范围下MTF值均大于0.2,综合考虑建模精度及软件计算精度,其温度最适范围为13℃～27℃.     

温度和气压对车载光学系统成像质量的影响研究

为了研究温度和气压对车载光学系统成像质量的影响,在分析温度和气压变化对光学系统结构参数影响的基础上,以某型履带式装甲侦察车CCD摄像机为研究对象,建立其光学系统模型,通过设置不同的温度和气压对系统模型进行了仿真分析。利用光学调制传递函数来表征系统的成像质量,得到了不同温度和气压下系统成像质量的变化规律。仿真结果表明:温度和气压的变化幅度越大,光学系统的成像质量越差,并且气压变化对光学系统成像质量的影响程度大于温度变化。此研究对新型车载光学系统的环境适应性设计提供了重要的参考。     

红外图像模拟中的红外光学系统影响分析

基于红外成像原理对红外图像的模拟进行了分析,指出现有的红外图像模拟方法主要考虑被成像物的辐射能量分布以及红外探测器像元的视场划分,而忽视了热像仪光学系统对红外辐射信号的衍射效应,从而导致模拟的红外图像边界过于清晰与生硬,影响了模拟图像的逼真度.为考虑衍射效应对热图的影响,利用高斯点扩展函数对模拟热图进行卷积处理,结果表明:处理后的模拟红外图像细节更为逼真,有效的解决了模拟红外图像中边界过于明显的问题,在一定范围内提高了模拟红外图像与真实红外图像的相似程度.     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

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。     

红外合成孔径衍射光学系统成像特性建模与分析（英文）

基于衍射成像机理,建立红外合成孔径衍射光学系统调制传递函数（MTF）和信噪比（SNR）模型。随后,基于三维时域有限差分（FDTD）方法计算成像系统衍射效率,进而结合调制传递函数与信噪比表征系统成像特性。最后,分析了不同工作波长、视场和填充因子对主镜成像特性的影响。分析结果表明,红外合成孔径衍射光学系统的衍射效率、MTF和信噪比均具有空变、谱变特性,且随主镜填充因子的减小而降低。当填充因子为0.6时,与理想的全孔径系统相比,MTF积分面积降低45.42%,信噪比减小4.92 dB。该模型可用于分析红外合成孔径衍射光学系统成像质量,为成像系统的设计提供参考。     

红外光学系统冷反射分析和定量计算方法

红外光学系统冷反射指制冷型探测器看到自身的反射像,它严重影响红外光学系统的图像质量。光学系统设计中控制冷反射的强度往往与提高光学系统像质和满足边界要求之间是矛盾的。详细介绍了冷反射强度仿真分析和评估方法,提出了冷反射辐射的信号与系统噪声之比的定量计算模型。对两套红外系统的冷反射强度进行了仿真分析和实验测试。研究结果表明,冷反射强度实验测试与仿真计算结果一致,冷反射仿真分析和定量计算在光学设计中能够有效地评估冷反射强度,保证光学系统设计质量。     

面形局部误差对红外光学系统像质的影响

为了说明面形局部误差对红外光学系统像质的影响,简述了影响光学系统像质的因素,详述了透镜面形局部误差要求和瑞利判据的关系,据以推论光学加工和光学装校过程均需要严格控制红外透镜的表面面形局部误差,最后通过实例验证透镜面形局部误差对光学系统像质有决定性影响的结论。     

用于光学像移补偿的红外望远光学系统

为提高搜索效率和目标探测概率,红外搜索警戒系统越来越多地采用了焦平面成像器件.工作时必须保证成像器件具有一定的积分时间,才能达到要求的信噪比,为此必须采取像移补偿措施。常用的光学式像移补偿利用位于望远光学系统后面反射镜的反向摆动,使场景的光学图像在积分时间内与焦平面成像器件相对静止,以消除平台在连续转动过程中产生的像移或拖尾。本文给出了一种像方视场角与物方视场角具有线性关系的红外望远光学系统,系统工作波段为7.7~10.3 μm,放大率为10×.该系统可用于采用焦平面探测器的搜索警戒装置,通过像移补偿反射镜或透射平板的摆动补偿平台转动时产生的像移,计算表明全视场范围内的残留像移不大于1 μm。