可见光/红外双波段大视场共口径齐焦光学系统

针对双波段系统光路转换速度慢、不同波段目标信息存在差异的问题,文中结合可见光和长波红外两个波段的特点,设计了可见光/长波红外大视场共口径齐焦光学系统.采用共口径方式同时接收可见光/长波红外两个波段的目标信息,通过齐焦设计提高不同波段目标信息的一致性.研究结果表明:可见光工作波段为0.38~0.76μm,长波红外工作波段为7.9~9.7μm,两个波段视场为70°,焦距为6.1mm.可见光传函值在空间频率100lp/mm处在0.4以上,长波红外传函值在空间频率20lp/mm处接近0.4,在-40~60℃的温度范围进行消热差.     

四片式变焦距长波红外光学系统设计

针对320×240焦平面阵列探测器（像元大小25μm×25μm）,设计了一个变倍比为3倍的长波红外连续变焦光学系统,其工作波段为8~12μm,从短焦到长焦位置的F数从0.98到0.85逐渐减小,可实现焦距在45~135mm范围内连续变焦。该系统由4组元组成,每个组元仅有一片透镜;共8个面,其中5个为非球面、1个为衍射面。使用ZEMAX光学设计软件进行像质评价和优化后,在空间频率20lp/mm处,系统在整个变焦范围内MTF接近衍射极限。     

双波段共口径连续变焦光学系统设计

为了解决反射式共口径光学系统装调难度大,存在中心遮拦,能量利用率低的问题,采用折射式共口径、分光板分光的方式,设计了一款双波段共口径连续变焦的光学系统。可见光系统实现了10倍变焦,中波红外系统实现了3倍变焦。采用光学被动式对光学系统进行了消热差处理,并基于约翰逊准则和最小可分辨温差(MRTD)模型分析了可见光系统与中波红外系统的探测距离。设计结果表明,在-40～+60℃的工作环境中,经过消热差处理,可见光系统各组态调制传递函数值在截止频率145 lp·mm^-1处均大于0.28,最大视场可以达到26.4°;中波红外系统各组态调制传递函数值在截止频率31 lp·mm^-1处均大于0.3,最大视场可达到22.6°;运用多点拟合法得到系统的变焦曲线,变焦曲线平滑无拐点,满足双波段共口径连续变焦系统的成像质量要求。     

高变倍比长波红外连续变焦光学系统设计

针对非制冷型320×240型探测器设计了一个变倍比为10x的长波红外连续变焦光学系统,并利用ZEMAX光学设计软件进行像质评价。该系统的工作波段处于8~12μm,可以实现30~300mm范围内的连续变焦,F#可达到1.5,在空间频率16lp/mm处MTF>0.4,接近衍射极限。该系统具有变倍比大、相对孔径大、成像质量高等特点,满足系统成像质量要求。     

双波段昼夜大视场光学系统设计与实现

针对多层次伪装手段及不同波段下目标的不同细节的情况,结合可见光和中红外两个波段的特点,设计了可见光和中波红外大视场光学系统.采用共口径形式,可同时接收两个波段的信息,对红外系统在-40~+60℃选用光学被动式消热差.研究结果表明:在视场均为92°下,可见光传递函数在空间频率100lp·mm-1处高于0.35,中波红外传递函数在空间频率20lp·mm-1处达到0.47.整个系统组合体积小,可实现昼夜全天候工作.     

大相对孔径红外变焦距光学系统设计

设计了工作在8~12μm波段的非致冷红外连续变焦光学系统。该系统由4组元5片透镜组成,其中前固定组、变倍组和补偿组均只有1片透镜,后固定组为两片。焦距50~200mm,相对孔径较大,为1∶1。设计过程中编写了适用于二组元变焦系统的ZEMAX宏程序,该程序可给出凸轮曲线的数据和形状,同时使像面位置不受限于高斯光学关系,能够满足某些焦距位置离焦的要求。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF值均在0.4以上。     

宽波段非制冷红外变焦光学系统设计

面向有毒有害气体探测需求,提出采用双色宽波段高灵敏度红外气体探测方法,并针对宽波段变焦色差校正难题,提出一种基于复消色差和机械正组补偿理论的宽波段红外变焦光学系统设计方法,设计了一种宽波段非制冷红外变焦光学系统。系统焦距25～75 mm,工作波长3～12μm,F数为1.8,适配640×512分辨率的非制冷双色红外焦平面探测器,像素大小17μm,变焦过程中系统总长保持160 mm不变。设计结果表明,系统在全焦段各视场调制传递函数在30 lp/mm处均接近衍射极限,成像质量良好,满足设计要求。系统具有结构紧凑、波段范围宽等优点。     

大视场全天候折反式红外全景云量观测

为了实现红外全景相机在全天候条件下对云量的远距离探测,设计了一种基于长波红外波段的全景成像光学系统.通过全景相机拍摄获得云的红外辐射分布信息,结合云量计算实现了对天气状况的判断和预测.系统采用折反式结构,利用等距离投影模式进行了反射镜面型拟合数值求解.结果表明:云量观测光学系统工作波段为8~12μm,F数为2,焦距为6.5mm,视场角为360°×120°,校准畸变量在±0.5%以内,调制传递函数值在奈奎斯特频率为30lp·mm~(-1)处接近衍射极限,在-40~45℃范围内衍射面与非球面相结合的方式实现了光学被动式消热差设计,系统估算探测距离达到7 km.适用于远距离全天候观测.     

非制冷型红外双波段连续变焦光学系统设计

为了满足同步观测、跟踪,同时探测红外中/长波两个波段信息的目标,文中采用共口径方式将红外中/长双波段融合到同一个光路中,设计了一款非制冷型大变倍比红外双波段连续变焦光学系统,引入衍射面和偶次非球面,进行像差校正,选择机械负组补偿方式进行变焦.通过光学被动式消热差方式,匹配材料及分配透镜光焦度,对双波段红外光学系统在-40~+60℃温度范围内进行了消热差设计,并对系统的像质进行了分析.研究结果表明:在不同温度,系统在两个波段下,各个视场内调制传递函数在奈奎斯特频率为20lp·mm~(-1)处均接近衍射极限,系统整体无温度离焦,像面稳定,像质良好,结构紧凑,满足使用要求.     

长波红外反远距物镜光学被动消热差设计

为满足非制冷红外光学系统相对孔径大、长后工作距、温度适应性强的性能要求,采用反远距系统结构形式,设计了工作波段为8~12μm,F/#为2.5,全视场角为7.2°,焦距为100mm的长波红外物镜.通过光学被动式消热差方式,匹配光学材料及分配透镜光焦度,完成了红外物镜在-40~+65℃温度范围内的消热差设计,并对红外物镜的像质进行分析.仿真结果表明:不同温度下,系统各个视场内调制传递函数在奈奎斯特频率17lp·mm-1处均高于0.4,达到衍射极限,单个像元内能量均达到85%.系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于像元尺寸为30μm×30μm、像元数为320×240非制冷焦平面阵列探测器.     

基于太赫兹波段的三反变焦系统设计

太赫兹波段是指频率从0.1～10 THz,处于微波与红外波段之间.因其具有较强的穿透性、高效抑制背景噪声、良好的时间和空间相干性等特性,故在空间探测应用领域具有很大的潜力.相对透射变焦系统而言,反射变焦系统具有长焦距、大孔径、小体积、利于轻量化设计等优点,故在空间遥感探测领域被广泛使用.因此,设计太赫兹反射式变焦光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景.以三级像差理论和矢量像差理论为基础,分别设计了太赫兹波段的共轴三反变焦系统与无遮拦三反变焦系统,焦距范围为300～1200 mm,成像波段为18～35μm,采用RTM-T01非制冷型太赫兹探测器.共轴三反变焦系统的视场角为0.3°～1.2°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.2;无遮拦三反变焦系统的视场角为2° ×2°～0.5° ×0.5°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.3.通过对两种设计结果的比较,可知由于共轴系统反射变焦系统存在遮拦,对增大视场具有局限性,因此,无遮拦反射变焦系统对于空间大视场高分辨探测具有重要应用价值.     

基于目标探测光学补偿红外变焦系统设计

为提高联合变换相关器的探测能力,针对2/3英寸红外CCD探测器,设计了一种红外光学补偿变焦系统,应用于联合变换相关器的红外目标探测。该系统在焦距100-200mm内连续变焦,工作波段为8-12μm,F数为3。系统仅由7片透镜组成,引入两个非球面。像质评价结果表明：在整个变焦范围内,在截止频率17lp/mm时,各视场MTF接近衍射受限曲线,像质优良、像面稳定,满足光学系统的总体设计要求。     

双波段内窥镜变焦适配器光学设计

目前内窥镜适配器多为定焦结构,只能对一些特定类型与波段的内窥镜系统进行成像,适用广泛性低,不便于内窥镜的清洗与更换.为了解决上述问题,以更宽的光谱范围、可变的光学焦距来提高适配器的适用广泛性,实现内窥镜适配器一对多的运用.使用ZEMAX优化设计得到了一款四组10片式双波段变焦适配器,变焦范围20～50 mm,入瞳直径5 mm,全视场6.8°,波段选用0.45～0.68μm波段以及常用的荧光波段0.81～0.85μm.系统优化后,调制传递函数在133 lp/mm达到0.2,总长为80 mm,并通过MATLAB拟合出变焦凸轮曲线,总体设计满足实际运用需求.     

中波红外摄远物镜设计

红外摄远光学系统具有系统长度小于焦距的特点,这样在同一焦距下摄远型光学系系统的体积、重量、成本要比非摄远型大大降低。针对Selex公司的MW/LW CCD红外探测器,利用ZEMAX光学设计软件设计了一款工作波段为3~5μm的红外摄远物镜,此系统焦距300mm,摄远比达到0.8,F数为3。在截止频率为17lp/mm时,各视场调制传递函数达到0.7以上,基本接近衍射受限。各视场点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,系统具有良好的成像质量。系统结构紧凑,性价比高,满足了光学系统的设计要求。     

制冷红外双波段变焦光学系统设计

设计了一组制冷型红外双波段变焦系统,焦距在80～240 mm内变化,视场角1.4°～4.4°,F数为2.2。系统利用二次成像方式,达到了100%冷光阑效率,并采用共光路成像方式同时实现对中长波段的像差校正。设计结果表明:系统满足了3.7～4.8μm中波波段及7.7～10.3μm长波波段同时成像的要求。各视场MTF在17 lp/mm处均接近系统衍射极限,弥散斑均方根半径基本小于一个像元尺寸30μm,成像质量良好。通过机械补偿变焦运动方程计算和Matlab编程绘制出了变焦系统的凸轮曲线,曲线不存在断点,运动过程合理。     

致冷型二次成像离轴三反射镜光学系统设计

研究并设计了一种适合于致冷成像的离轴三反射镜光学系统.设计了二次成像的反射系统结构,将冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率,第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,有效地减小了第一反射镜的口径.通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用高次非球面校正像差,保证了系统的成像质量.设计的致冷型红外系统工作波段为3~5μm,焦距为500mm,F数为2,视场为10°×0.5°.该系统各视场的调制传递函数在奈奎斯特频率处(20lp/mm)都在0.5以上,并具有紧凑的结构.     

环带式全景光学系统的小型化设计

为了获得大视场的管道内壁全景成像,基于平面圆柱投影法,设计了一种可用于周视的环带式全景镜头。系统由三胶合PAL镜头和中继镜组构成,通过设置PAL镜头中心光阑的方式进行设计;大视场光线通过PAL镜头的反射和折射后,出射光成为近轴光线,中继镜组再将PAL镜头所成的虚像成像到探测器上。设计结果为:系统焦距为-1.75mm,F数为2.16,视场为(±40°~±95°)×360°,系统工作波段为486nm~656nm,总长为16.2mm。满足设计要求,系统长度小于20mm,实现小型化系统设计。系统各视场传递函数值在空间频率为227lp/mm时均大于0.4,成像质量良好,满足使用要求。     

红外双层衍射光学元件衍射效率研究

红外衍射光学系统中衍射元件的设计波长直接影响光学系统的衍射效率.介绍了常见的三种红外材料,利用整个波段(3~14μm)衍射效率的平均值作为评价红外双波段衍射效率的因子,分别模拟了三种不同材料组合下,561种设计波长组合的平均衍射效率.结果得出:三种材料的不同组合,在与之相对应的设计波长下,其衍射效率平均值均可达到96%以上.设计了含有双层衍射元件的中远红外光学系统:入瞳直径EPD=33mm,视场2ω=9.2°,焦距f′=50mm,中波红外的传递函数(MTF)在40lp/mm所有视场达到0.6,长波红外在40lp/mm所有视场达到0.2.     

大靶面制冷中波红外变焦光学系统设计

为了提高人眼观察图像的舒适度,基于大面阵640×512 pixel、25μm制冷焦平面阵列的中波红外探测器,设计了一款中波红外连续变焦系统.系统工作波段为3~5μm,F数为4,焦距变化范围50~601 mm.利用光线反向追迹的方法分析了系统的冷反射效应,采用蒙特卡洛分析法对系统公差进行综合分析评价.结果表明:系统在奈奎斯特频率处全视场传递函数大于0.4,在25μm内能量集中在80%以上,同时系统具有较好的冷反射抑制效果;系统具有分辨率高、像质好及变焦轨迹平滑等特点.     

基于DMD的红外双波段景象模拟投影光学系统设计

本文针对动态红外景象模拟的应用需求,设计了基于数字微镜器件（DMD）的共轴红外双波段（中波3~5μm和长波8~12μm）景象模拟投影光学系统。该系统结构简单,仅由4片球面透镜和1个投影棱镜组成,使用Ge、ZnS和ZnSe三种普通红外材料校正红外双波段色差。在截止频率17lp/mm、像距5.1mm时,红外中波的调制传递函数（MTF）大于0.7;红外长波MTF大于0.4,接近衍射极限,像质优良,满足红外景象模拟器的总体设计要求。