热红外相机光机系统设计

以气象观测应用为目标,提出一种基于非制冷微测辐射计的热红外波段相机光学设计方案,该光学系统焦距60 mm,光谱范围8～14 μm,视场角7°.综合三片分离式结构和双高斯光学结构设计了红外物镜,优化后物镜成像质量达到衍射极限.进行了物镜的无热化结构设计,分析结果表明在-20℃～60℃范围内,物镜成像弥散斑直径接近爱里斑直...     

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。     

红外低温光学关键技术研究综述

随着红外探测技术的日趋成熟,以降低背景辐射为目的的低温光学技术已成为提高红外探测技术发展的主要途径。本文从工程应用的角度阐述了红外低温光学技术的各个要素,如低温光学系统构型选择、光学和机械结构设计、光学系统材料选择以及光学系统制冷方案设计等在低温光学处理中的设计要点。介绍了红外遥感相机和红外空间望远镜这两个红外低温光学的应用实例。最后对机载红外系统低温光学的应用提出了建议。     

地球静止轨道红外相机热控设计及验证

随着相机分辨率的提升,相机光机主体温度水平及温度稳定性要求随之提高,且红外相机需要将探测器制冷到较低温度。工作于地球静止轨道的红外相机所处空间热环境复杂,相机光学系统会长时间受到太阳照射,且无长期背阴面,为相机的热控设计带来了很大的挑战。结合地球静止轨道空间热环境特点以及相机成像需求,采用遮光罩&热门的方式有效屏蔽外部热流的影响,将主光学系统温度控制在（20±3） ℃以内,为相机每天成像时间不少于20 h提供了温度保障;采用高效隔热技术以及高效热量排散技术将探测器控制在80 K以下,满足成像模式探测器温度需求。地面试验以及在轨飞行数据表明,相机的热控设计合理可行,为后续高轨红外相机的高精度控温提供了有力支撑。     

用于亚公里级三维成像的全光相机主物镜设计

The plenoptic camera can refocus after imaging, and obtain the position and direction information of the target at the same time with one exposure. Compared with the active distance measurement method and the traditional passive distance measurement method, the depth measurement method based on the plenoptic camera has the advantages of being difficult to detect and easy to calibrate. The plenoptic camera 3D imaging technology is a computational imaging technology that integrates the front-end optical system and the back-end information processing. The current research works mainly focus on the back-end information processing algorithm et al. There are few reports on the research of the front-end optical system. Therefore, the design of the front-end optical system was researched. Firstly, a calculation model was established for the depth resolution of a plenoptic camera based on multi-eye vision and the influence of optical system performance parameters was analyzed such as focal length and F-number on the object depth resolution. Secondly, the influence of factors was analyzed such as the blocking ratio of the two-mirror optical system and the magnification of the secondary mirror on the system parameters. Finally, a plenoptic camera main objective optical system for sub-kilometer-scale 3D imaging was designed comprehensively considering the design, processing, assembly, and ranging performance. The focal length of the system is 500 mm, the total length of the system is less than 163 mm, the telephoto ratio is less than 1/3, and the working temperature range is ?40 -70 ℃. The full field of view MTF in 80 lp/mm is better than 0.3 at different temperatures. If the plenoptic camera uses this objective and a sub-pixel recognition accuracy algorithm of 1/8 pixel, a depth resolution of less than 5 m can be obtained at 0.5 km.     

机载紧凑型中波红外相机的设计

为了实现机载光电跟瞄系统的捕获与跟踪功能,针对机载环境狭小的空间设计了一款紧凑型中波红外相机。首先从机载平台的应用需求出发,提出了红外相机的各项性能指标。然后,采用二次成像与二次折转的方案对红外相机的光学系统进行了设计与优化,并研制出一套高精度调焦平台用以光学系统的距离与温度调焦;采用箱体式结构方案对红外相机的支撑基座进行了优化设计,有限元分析结果表明所设计的支撑基座具有足够的结构刚度。最后,在完成机载中波红外相机精密加工、装配与调试的基础上,采用光电测试平台对红外相机的焦距、视场角、噪声等效温差(NETD)和调制传递函数(MTF)等参数进行了实验检测。结果显示:相机的焦距、视场角等与理论设计较为符合,NETD为22mK,在探测器的极限空间频率处相机的MTF不低于0.58,接近衍射极限水平。因此,所研制的机载紧凑型中波红外相机工作灵敏度高、成像质量好,满足机载平台的应用需要。     

大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计

介绍了一种大相对孔径红外成像镜头的设计。该镜头针对制冷型红外探测器,采用二次成像设计,保证100%冷光阑效率。在8～10mm波段,实现相对孔径（F数）为1.5、视场角2w为18.6°的设计,其成像质量优良,传函接近衍射极限,在常规加工装调公差下易于保证应用质量。     

折反式红外全景天空相机光学系统设计

利用红外全景天空相机可以获得天空中云的分布和温度信息,从而可对天气状况做出判断。采用等距离投影成像方式,可根据简单的数据转换关系从天空全景图像中任意点的位置坐标得到其对应的空间角度。为了实现等距离投影红外全景相机的设计,提出了一种简洁高效的计算等距离投影反射镜面型的数值方法,并在此基础上设计了8~12 m 长波红外波段全景天空相机。该相机的视场角为360（5~80）,校准畸变量在0.02%以下,MTF 值在探测器Nyquist 频率处高于0.4,非常适用于全景天空观测。     

透射式双波段红外搜索跟踪系统光学物镜

给出了一种适用于红外搜索跟踪系统的透射式双波段(中波/长波)光学物镜,两个波段的相对口径均为1/1.3,工作波段分别为3.7～4.8μm和7.5～10.5μm,视场为±1.75°.为提高光学透过率,物镜采用会聚光路分光,每个波段仅有4片透镜,其中各有2片采用了衍射光学表面,实测两个波段的光学透过率(含分光镜)均大于70%.     

一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

折/衍混合红外光学系统无热设计

论述了衍射光学元件的环境温度特性实现光学消热差和消色差的原理和设计方法.给出了3～5 μm波段,焦距70.3 mm,F数为2的在-40～60℃温度范围内实现消热差的折衍混合红外光学系统的设计方法和评价结果,同时为了比较设计了一个与折衍混合系统性能参数一样的全折射系统,比较结果发现折衍混合系统比全折射系统具有更优良的光学性能.它能减小色差,成像质量高,体积小、重量轻,并且在要求的温度范围内性能稳定,使得衍射光学元件在光学领域中有更广泛的应用.     

碳纳米管冷阴极电子枪的电子光学设计

基于皮尔斯电子枪设计理论,提出了一种碳纳米管场致发射阴极电子枪的电子光学设计方案。电子枪阴极半径为0.5 mm,保持阴阳极电压不变,动态调整栅极电压,并利用计算机技术仿真软件（CST）对其进行仿真优化研究;结果表明,栅极最佳电压值为-14 kV,对应阴极发射电流为15.08 mA,阳极处电子束半径约为0.1 mm。研究为碳纳米管冷阴极栅极结构的设计提供了一种新的思路。     

可实现零光程差的红外静态斜楔干涉具研究

针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差, 进而影响光谱反演的准确性和复杂性。文中提出一种可以实现零光程差的斜楔干涉具, 通过对传统斜楔倾斜面的改进, 使其可以实现被测光包含零光程差的干涉信号, 理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式, 并推导得出对应的光谱反演公式;采用硒化锌(ZnSe)材料设计了该斜楔, 对其干涉信号、光程差和光谱反演进行了仿真研究, 并采用10.64 m激光器对其进行实验分析, 实验结果显示该斜楔干涉信号清晰, 光程差可以实现1 450 m, 反演光谱的误差为0.1%。     

考虑像差影响的透射式光学系统失调校正方法

随着高分辨力光学系统应用领域的不断拓展,光学元件的高精度装配要求和高精度的设计要求一样,已成为光学系统分辨力的决定性因素。现有的高斯光学校正方法仅考虑物像位置关系的调整,已不能满足光学系统的调整要求,光学仪器的调整理论需要同步发展。考虑像差对光学系统失调的影响,提出了一种基于像差理论的(透射式)光学系统失调校正方法:分析了单透镜轴向位移引起的像差变化规律,给出了像差影响系数的定义;在此基础上,通过反演计算像面位置误差和放大率误差所需的透镜调整量,数学推导出了基于像差约束条件的光学系统失调校正公式。以三透镜准直系统为例进行了仿真实验验证,证明了将像差约束引导到校正方法中,能够同时满足高斯光学特性的要求和像差增量最小的要求。     

低温绝对辐射计不同定标光路的比对实验

低温辐射计是当前光辐射功率计量的最高标准,其测量精度的评价可以通过不同低温辐射计之间的比对来完成。开展了不同定标光路的低温辐射计比对实验。实验采用中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的陷阱探测器作为传递标准,在633 nm波段对传递探测器的光谱响应度进行了绝对标定。比对结果表明,传递探测器的绝对光谱响应度的测量一致性为3.610-3,定标总合成不确定度为3.310-4(k=1),实验结果验证了两家单位低温绝对辐射计定标系统的可靠性和高精度。     

可见光、红外一体化两用相机的光学设计

主要介绍可见光与红外一体化两用相机的光学系统设计.可见光、红外波段公用口径为lm的主镜,可见光波段450～900 nm,采用折轴三反系统,焦距f1=12.0m,视场1.5°×0.5 °,选用TDICCD;红外波段范围8～12 μm,采用主聚焦系统,由主镜和3片锗镜组成,焦距f2＝2.0m,视场2w＝2.0°,采用红外非...     

基于OpenCV的长波红外摄像机标定研究

设计一种适用于长波红外摄像机的标定装置,并用此标定装置对长波红外摄像机进行标定。通过拍摄多张红外标定板图像,并提取图像上圆孔特征点的像素坐标,利用每个像素点的与空间实际三维坐标点的一一对应关系,结合Open CV摄像机标定函数库,求解出长波红外摄像机的内外部参数,并利用求得的畸变系数,对畸变图像进行矫正。本研究中的标定装置能有效解决长波红外摄像机标定的问题,同时验证了Open CV函数库在摄像机标定程序开发中的具有标定结果精确、运算效率高、跨平台移植性好等优点。