像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计

提出了一种新型的像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计构型。该扫描系统体积小、结构简单,具有大视场搜索和小视场分辨的特点。设计了一个红外光学系统实例,工作波段为3.7~4.8 μm,焦距为80 mm,扫描视场为±15°,瞬时视场为5°。系统全视场MTF在17 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根直径小于30 μm,满足光学系统的成像要求。     

光学融合双波段手持热像仪设计

采用光学融合的方法设计了一款用于手持的可见光与红外双波段热像仪.红外热像仪中使用320×240非制冷焦平面探测器,像元间距为25 μm,该系统工作波段为8～12 μm,红外光学系统焦距为95mm,视场为4.8°×3.6°.可见光系统物镜焦距为142mm,视场为6°.OLED显示的热图像与可见光物镜像通过光学融合后,由公共的目镜观察.整个热像仪尺寸约为182 mm×160mm×55mm,具有良好的实用性.     

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。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

长波红外变焦光学系统设计

针对像元尺寸为17 μm×17 μm的 非致冷型640×480元探测器,基于补偿组兼顾调焦群作用的Varifocal 结构,仅用4片透镜就设计出了一种变倍比为6×的长波红外连续变焦光学 系统。针对低成本、高透波率的指标要求,通过理论计算得到了初始结 构,并用CodeV软件对其像差进行了优化,最后针对设计结果进行了 凸轮曲线求解和像质评价。结果表明,当 工作在8~12 μm波段时,在相对孔径1.4 : 1保持不变的条件下,该系统实 现了焦距从20 mm到120 mm的连续变焦,而且空间频率20 lp/mm处的调 制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值均大于0.5。通过样机实测发现,该系统 具有变倍比大、结构紧凑和分辨率高等特点,因而适用于红外监控设 备。     

四片式10×中波双视场光学系统设计和分析

本文介绍了用于像素阵列为640×512、像元尺寸为17mm×17mm的红外中波制冷探测器的四片式双视场光学系统设计,用相同的4片透镜实现性能最优的系统(像元尺寸小)。光学系统采用轴向移动一片透镜实现两视场的切换,F/#为3,宽视场(WFOV)为18.18°×14.58°,窄视场(NFOV)为1.84°×1.46°。系统应用二元光学技术,采用光学设计软件Code V优化设计,在空间频率30 lp/mm处,宽、窄视场的MTF均大于0.35;经高低温下成像分析及二次项成像分析,本光学系统完全满足要求。     

基于ZPL宏指令的大口径反射式平行光管设计

大口径、长焦距离轴三反射镜系统的设计过程中会出现透镜的挡光问题.传统的优化方法降低了光学设计的效率,对成像质量有负面影响.实践表明用ZPL宏指令可以解决这个问题.反射式平行光管设计指标为:通光口径500 mm,焦距4000mm,波长范围为400～1400 nm,有效视场2°×1°,点列图优于6 μm.根据设计指标计算了同轴三反射镜(TMA)系统的初始光学结构参数,借助Zemax软件中的ZPL宏指令得出最终设计方案.结果表明:各个视场的点列图均优于6 μm,波像差均优于λ/25,满足设计指标.ZPL宏指令辅助设计在离轴多反射镜系统中能控制系统结构,避免挡光,提高设计效率和成像质量.     

用于森林防火的大面阵中波红外系统无热化设计

森林防火的关键是通过火灾实时监测系统有效预测森林各区域的火灾风险。通过分析无人机在森林防火中的应用,提出了一种基于无人机的森林火灾实时监测中波红外相机系统。该系统的焦距为75 mm,工作波段为3.7~4.8 μm,F数为2.0,可匹配像元尺寸为12 μm×12 μm的1280×1024元制冷型中波红外焦平面阵列探测器。在光学设计中采用3种红外光学材料（硅、硒化锌和锗）的组合,并引入3个偶次非球面。通过优化设计实现了光学被动无热化功能。设计结果表明,在-60~100℃温度范围内,空间频率41.7 lp/mm处各视场的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)均大于或接近0.4,成像质量良好。这种中波红外系统的成像质量与分辨率高,视场范围大,具有宽温度范围的自适应性,结构紧凑且易装调,在森林防火领域有着广泛的应用前景。     

长工作距的3D变倍外视镜光学系统设计

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题,提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案,其中单条光路由前后两组变焦系统组成,前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构,其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行;后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构,其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变,组合而成的整体光学系统共有三个运动组元,通过三组联动的形式可达到变倍效果,该方案类比于筒长无限的显微镜,中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件,并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程,依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS,优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×,3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围,仿真结果表明,六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上,变倍凸轮曲线平滑无拐点,可满足显微外科手术要求。     

采用二元光学透镜的传像光纤束耦接镜设计

在光学耦接镜设计中引入衍射面,根据二元光学元件的三级像差理论,分析了衍射面初始结构参数的求解规律,通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化,给出工作波长0.8～1.1μm,焦距33.6 mm.光学长度为63 mm,采用一个衍射面的耦接镜设计实例.该耦接镜成像质量优良,适用于单丝直径16 μm,截面直径为6 mm的光纤传像束.     

红外系统微扫描技术研究

介绍了微扫描技术及其给红外焦平面阵列(FPA)成像带来的好处,分析了微扫描红外焦平面阵列成像方案的特点,比较了各种微扫描成像方案的优势及不足,指出了红外焦平面阵列微扫描成像工程化的可行方案和研究方向。设计了一种采用非制冷氧化钒384pixel×288pixel焦平面探测器的长波红外微扫描光学系统。其工作波长范围为8～14μm,F数为1,焦距为150mm。利用光学设计软件CodeⅤ进行了仿真计算,对其像质进行了评价,并给出了微扫描系统的配置方案。     

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。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

大靶面中波红外连续变焦光学系统设计

开展了大靶面中波红外连续变焦光学系统设计研究,设计出了一种机械正组补偿式连续变焦光学系统。该系统的工作波段为3.7~4.8 m,焦距为50~580 mm,F数为4.5;靶面直径为24.6 mm,适用于目前新推出的像元间距为15 m 的1280×1024元制冷型中波红外焦平面探测器。在实现长焦距、高分辨率的同时,可保持光学系统具有大视场角,进而有效提高机载光电系统的目标搜索与识别能力。设计结果表明,本文系统的成像质量高,在30 1p／mm空间频率处的调制传递函数值接近0.2。     

传像光纤束的折-衍混合耦接器

在光学耦接器设计中引入衍射面,根据衍射光学元件的三级像差理论,通过理论计算和ZEMAX光学软件优化,给出工作波长0.4~0.7μm,焦距27 mm,光学长度为62.9 mm,采用一个衍射面的耦接器设计实例。该耦接器采用物方远心光路结构,适用于单丝直径16μm,截面直径为6 mm的光纤传像束。对设计结果的分析表明,折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器,而且在尺寸和质量上有显著的减少。实际的室内外成像实验证明,光学设计软件的仿真结果是正确的。     

长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计

为实现红外连续变焦距系统变倍比大、焦距长和系统结构简单的需求,在光学系统中引入衍射元件(DOE),设计了一套3.7～4.8μm波段折/衍混合连续变焦光学系统。该系统突破了传统折射式中波红外变焦系统难以同时满足变倍比大、焦距长、系统结构简单等要求的局限,其变倍比为20×,可在35～700mm焦距范围内连续变焦,仅包含6片透镜和2片平面反射镜。在空间频率17lp/mm处,系统在全焦距范围内调制传递函数MTF>0.5;变焦过程中系统弥散斑直径均方根值小于20μm,表明该系统成像质量良好。     

一种高分辨率短波红外宽温度范围被动消热差光学系统

介绍了一种大视场短波红外光学系统消热差设计。系统工作波段为0.9～1.7μm,分辨率为640pixel×512pixel,光学系统总长55mm。设计结果表明,在空间频率为20lp/mm处,系统工作温度在-40℃～60℃环境下,各个温度下的系统调制传递函数(MTF)值均大于0.6。系统具有高像质、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻等优点。     

传像光纤束的折-衍混合耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面,根据衍射光学元件的初级像差理论,通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化,给出工作波长0.4～0.7μm,焦距27 mm,光学长度为62.9 mm,采用一个衍射面的耦接器设计实例。该耦接器采用物方远心光路结构,适用于单丝直径16μm,截面直径为6 mm的光纤传像束。对设计结果的分析表明,折-衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器,而且在尺寸和重量上有非常显著的减少。实际的室内外成像实验证明,光学设计软件的仿真结果是正确的。