高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

随着红外热成像系统的不断发展,对红外光学系统也提出了更高的要求。为了满足红外探测器在军事方面的广泛应用,整机系统对高性能、大变倍的红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对高端中波制冷型640512 凝视焦平面探测器,设计了结构紧凑、性能优良的高清晰大变倍比机械补偿连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.7耀4.8m,F 数为4,变倍比为35:1,变焦范围为15~550mm。该系统运用平滑换根理论,实现了超大变倍比的连续变焦光学系统设计,并且采用二次成像以及45反射镜对光路进行U 型折叠,在实现了冷屏效率100%的同时有效控制了该系统的横向和径向尺寸。采用光学设计软件CODE V 进行了仿真计算和像质评价,并绘制了该系统的变焦曲线。设计结果表明,该连续变焦光学系统具有分辨率高、变倍比大、结构紧凑、在全焦距范围内成像质量优良并且变焦轨迹平滑等优点,能够与高性能中波红外探测器匹配用于高端红外热成像系统。     

机载新颖连续变焦中波红外光学系统设计

针对制冷式640×512元凝视焦平面阵列探测器,设计了结构紧凑的高性能机械补偿30倍连续变焦光学系统.该系统采用新颖的三组元变倍形式和三次成像方法设计.工作波段为3.7 ~ 4.8 μm,F/# =4,变焦范围750 ~25 mm.首先利用光学设计软件给出了系统的光学外形结构图; 然后,进行了像质评价分析,变焦曲线分析,温度环境适应性分析和冷反射分析; 最后,介绍了该系统应用微扫描成像技术提高分辨率的方法.结果表明,该光学系统在空间频率30 lp/mm处的光学传递函数 ( MTF) 值均接近衍射极限, 弥散斑直径的均方根 ( RMS) 值均小于15 μm.变焦曲线平滑,且移动组最大行程小于71 mm.移动组透镜的轴向移动可完成系统调焦及温度补偿.光学系统满足100 %冷光阑效率,在-40 ~60 ℃温度范围内均有良好的像质.同时,满足新一代机载前视红外( FLIR)系统的要求.     

offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计

为了适应不同视场光谱仪的应用需求,设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦,同时采用光栅型offner同心结构进行光谱分光及成像,系统工作波段为3~5 m,选用制冷型红外探测器,系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算,并应用zemax软件对各子系统进行优化,使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限,点列斑均方根半径均小于一个像元大小,设计的结果显示系统结构简单,在各个焦距位置及各谱段下,像质均满足了设计指标要求,成像质量良好。     

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波制冷型640512凝视焦平面探测器,设计了一个大变倍比中波红外连续变焦光学系统。该系统采用三次成像技术,其工作波段为3.7~4.8 m,F数为4,变倍比为30:1,可实现23~701 mm连续变焦,变焦轨迹平滑,满足100%冷光阑效率。该系统采用硅、锗和硒化锌三种红外材料,通过引入非球面和衍射面来校正系统的轴外像差和高级像差。系统在30 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.15以上,接近衍射极限。设计结果表明,大变倍比中波红外连续变焦光学系统具有变倍比大、分辨率高、结构紧凑、像质好等优点。     

紧凑中波红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320×240凝视焦平面探测器,设计了一个仅有6片透镜的紧凑中波红外连续变焦系统.该系统由机械补偿变焦物镜系统、二次成像系统和两个反射镜构成,可实现27.5～458 mm连续变焦,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有透过率高、变倍比大、分辨率高、体积小、像质高等优点.     

红外中波连续变焦光学系统的设计

设计了红外连续变焦光学系统,该系统具有镜片少、透过率高、连续变焦倍率大、波段广、相对孔径大等突出特点.二元面和非球面的引入,使系统在不同变焦结构时14 lp/mm处的MTF均大于0.6,很好地校正了系统的色差和轴外像差.该系统在仅使用4片镜片的情况下,实现了8倍连续变焦,系统透过率高于80%.结果表明该变焦系统具有良好的成像质量.     

小型化中波红外连续变焦光学系统设计

介绍了一种三组元联动机械补偿式小型化中波红外连续变焦光学系统。针对阵列规模640×512,像元尺寸15μm的中波制冷型红外探测器,设计了焦距20～275 mm, F数5.5的连续变焦光学系统,系统长度90.6 mm。具有变倍比大、结构紧凑、元件数量少的特点,适合应用于小型化的机载光电吊舱系统以及轻量手持红外望远系统中。     

高变焦比中波红外连续变焦光学系统

针对高变焦比连续变焦光学系统,提出了一种双双组联动型变焦系统的设计方案,完成了变焦方程的推导。采用非球面技术,运用所推导出的变焦方程,完成了变焦比为40 倍、F 数为4、工作波段为3.7~4.8 m 的中波红外连续变焦光学系统的设计。光学系统由八片透镜组成,引入了四个非球面,可以实现10~400 mm 连续变焦,满足冷光阑效率为100%,变焦曲线平滑无拐点。在不同的变焦位置,光学系统的奈奎斯特频率处（16 lp/mm）MTF 值均大于0.3,RMS 点斑半径均小于22 m。系统具有成像质量高、镜片数量少和结构紧凑等特点。     

机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计

为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求,采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式,实现了30~660 mm的22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为244 mm,总长/最大焦距比为0.37,系统具有光学总长小、变倍比大的特点,适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后,后端连续变焦光学系统可以实现15~330 mm的22倍连续变焦光学系统,该系统的光学总长为138 mm,总长/最大焦距比为0.42,可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示,该系统在两种状态下均成像良好,在探测器对应的特征频率33 1p/mm处,中心视场的MTF值均在0.3附近,接近衍射极限,0.7视场的MTF值均在0.2附近,边缘视场的MTF均在0.15附近,能够满足应用需求。     

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。     

防辐射长波红外连续变焦光学系统设计

为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题,基于机械正组补偿式连续变焦结构形式,通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统,避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8～12 μm、F数为1.2、焦距为25～90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明,该系统结构合理、成像良好,在探测器对应的特征频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.2,满足应用需求。加工装调后,经实际成像测试,验证了设计的准确性。     

长波红外双组联动连续变焦光学系统设计

研究了双组联动长波红外连续变焦光学系统设计,设计了工作波段为7.7?m～9.5?m,焦距为30 mm～360 mm,F数为2.24的双组联动连续变焦光学系统,设计结果表明,成像质量好,在331p/mm空间频率处的调制传递函数值均超过0.15.     

轻型折衍混合中波红外变焦光学系统设计

针对640×512元制冷型中波红外焦平面探测器,采用二次成像的光学结构以及机械正组补偿变焦方式,在设计中引入了硅基衍射光学元件,从而构成折衍混合变焦光学系统。设计结果表明,光学系统使用了7片镜片,在3.7～4.8■m波段实现了15～300 mm连续变焦,在空间频率33 lp/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)接近衍射极限。光学镜片的总重量仅有86 g,光学系统的总长度为139 mm。该系统具有变倍比大、分辨率高、重量轻、体积小等特点。     

一种红外变焦距像面变化量的测量方法

大变倍比连续变焦红外成像系统能够同时应用于大视场下的目标搜索和小视场下的高精度跟踪测量。由于变倍比很大,在整个变焦范围内均保持良好的成像质量就成了其设计验证的难点。为了解决这一问题,本文利用调制传递函数对变焦距像面的变化量进行测量和验证。红外成像系统整机调制传递函数的主要测试方法有斜狭缝法和斜刃边法。在对两者的测试特点和影响要素进行分析比较后,选取斜刃边法作为红外成像系统整机调制传递函数的测试手段。通过用调制传递函数对现有的大变倍比测试样品在各特征焦距下的离焦曲线进行标定,得到了最优像面位置。与理论设计值相比较,最大偏差为36μm。依据该数据对调焦补偿进行了修正。复测后,该偏差的最大值降至5μm。     

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。     

20×长波红外连续变焦光学系统设计

针对384×288长波量子阱焦平面探测器,设计了一个变倍比为20×的长波连续变焦光学系统,其工作波长范围为8~9μm,F数为3,可实现18.5~367 mm的连续变焦.该系统由机械补偿变焦物镜和二次成像系统组成,包括6片透镜和2片反射镜,具有大变倍比、高分辨率、小体积、高像质等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了仿真计算和像质评价,在奈奎斯特频率20 lp/mm处,系统全焦距范围内的MTF接近衍射极限.     

红外连续变焦镜头凸轮曲线优化及运动学仿真

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛.光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关.本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真.仿真结果表明:该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击.     

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变 焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路。利用光学补偿变焦 原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析。该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现 20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为 1∶15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS) 值均小于20 m。工作波段为3.7 ～ 4.8 m,满足100 %冷光阑效率。该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高。