星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3～5μm)和长波红外(8～125μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50nm和100nm,空间分辨率为60m,成像幅宽为60km,噪声等效温差优于02 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0135;光谱成像光学系统采用Wynne Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。     

长波红外制冷型光学系统超宽温消热差设计

采用光学被动式无热化设计方法,给出了针对长波红外制冷型光学系统的一个设计实例.该系统采用了576元线列探测器,相比于以往288元线列探测器而言,在相对孔径、焦距等参数不变的条件下,视场扩大了一倍.该系统F数为1.6,焦距100 mm,视场9.2°,实现了100%的冷光阑匹配.设计结果表明,该系统在-50℃～+90℃的宽温度范围内,像质接近衍射限,无须任何调焦,无热化性能良好.     

双色低温红外光学系统设计EI北大核心CSCD

针对当前空间环境单一、红外波段探测目标虚警率高、灵敏度低等难题,提出了一种基于低温冷光学技术的双色红外光学系统设计方法。光学系统前置光路采用共口径式结构,通过分光平板进行谱段分光,然后采用中继镜组二次成像的方式实现冷阑匹配,保证系统的轻小型化。另外,为了提升长波系统的探测灵敏度,对其进行了低温冷光学设计,减小系统自身辐射对探测性能的影响。系统的工作波长为3.7~4.8μm和7.9~9.3μm,F数为1.2,光学结构三维总尺寸为260 mm×150 mm×80 mm,中波系统畸变小于2.8%,约有82%的能量集中在探测器的一个像元内,长波系统畸变小于0.33%,约有70%的能量集中在探测器的一个像元内。该系统可对空间弱目标进行远距离探测,具有虚警率低、灵敏度高、结构紧凑等优点。     

一种多谱段红外成像光学系统设计

为提高红外远程目标探测识别能力,除了增加焦距和有效口径等传统措施,还需要进一步获取目标的多谱段信息,从而将具备不同辐射特性的目标和背景区别开。本文提出了一种采用多谱段分区红外探测器和棱镜旋转像移成像光学系统,将同一目标的红外辐射能量会聚到探测器不同谱段区域进行成像,从而获取同一目标的多谱段成像信息。该系统采用同轴反射式光学系统,具备8个不同谱段分区的两支红外探测器,通过棱镜旋转实现同一目标的8个谱段信息获取。系统焦距520 mm,有效口径200 mm, F数为2.6。光学系统结构紧凑,棱镜旋转与探测器成像实时对应,不存在成像延迟和像旋,具有口径大、焦距长、谱段多等特点,满足系统高分辨率、长作用距离、多谱段信息获取等要求。     

双波段红外光学系统无热化设计

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计;通过引入非球面和谐衍射元件,很好地校正了系统的色差和轴外像差,简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成,工作波段为3.7~4.8μm/7.7~9.5μm波段,F数为2,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-60~+70℃全温度范围内,双波段成像质量良好。     

无限远像距中波显微光学系统设计北大核心CSCD

随着红外技术的发展,高性能红外显微系统在热物理化学、微生物及MEMS优化设计等科技领域起到了非常重要的作用,本文讨论了一种无限远像距显微系统的结构形式及设计方法,针对阵列规模320×256,像元尺寸30μm相对孔径为2的中波制冷型红外探测器,设计了一款无限远像距中波显微光学系统,放大倍率为3×,工作距离35 mm,数值孔径(NA)0.75,适合于高帧频下红外显微探测的需求以及类似显微物镜产品的系列化。     

双孔径红外变焦光学系统设计

为了解决红外变焦系统短焦部分冷反射严重的问题,提出了一种双孔径设计方法,设计了一种双孔径红外变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7 ～4.8 m,焦距为30/150/300 mm,10变倍比,具有100%冷光阑效率。对双孔径系统的短焦部分和单孔径系统短焦部分的冷反射强度进行了对比分析,双孔径系统的冷反射得到有效控制。双孔径红外变焦光学系统具有像质好、变倍比大、短焦冷反射小、结构紧凑的特点,可使大变倍比的红外变焦光学系统在红外成像系统中得到广泛应用。     

红外双波段谐衍射光学系统设计

为提高红外系统探测能力,满足探测器在红外中长波双波段同时成像的要求,提出一种基于谐衍射的光学系统设计.根据谐衍射透镜的特点,通过合理选择谐衍射波长和衍射级次,采用折射式共光路构型成功完成了中/长波双波段光学系统的设计.系统在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm两个波段成像,F数为2,视场角10°.优化结果表明,成像质...     

秸秆焚烧火情监察红外变焦距光学系统设计北大核心CSCD

针对秸秆焚烧区分布广且分散的特点,采用远程监控可为科学管理和安全生产提供极大帮助,可在发生火警、污染物排放等情况发生时,实时高效地处理突发事件并降低损失。基于上述需求,本文采用红外变焦距光学系统对焚烧区异常情况进行监视,变焦范围为34.5~77.5 mm,变焦系统基于库克三片式光学结构进行优化,优化后光学系统在成像距离为100~2000 m时地面景物分辨率优于1 m,系统信噪比(SNR)为34.53~70.34,变焦过程光学传递函数在奈奎斯特频率下均在0.4以上,实现了100~2000 m距离范围清晰成像。     

长焦距高分辨率红外两档变焦光学系统设计

针对中波制冷型640512凝视型焦平面探测器,设计了一款长焦距高分辨率中波红外两档变焦光学系统。该系统工作波段为3.7～4.8 m,F数为4.0,长焦距为800 mm,短焦距为400 mm,采用二次成像技术不仅减小了前固定组镜子的口径,而且实现了100%冷光阑匹配。系统采用锗和硅两种红外材料,通过引入非球面来校正轴外像差和高级像差。设计结果表明,系统在33 lp/mm处,短焦距和长焦距的传递函数值均优于0.2,全视场畸变小于0.5％,具有结构紧凑、分辨率高、像质好等优点。     

航天光学遥感器对红外探测器的需求分析

系统论述了航天光学遥感技术的定义、红外遥感区别于可见光遥感的技术优势以及国内外红外遥感器的发展现状。全面分析了未来红外遥感器在资源、海洋、环境、空间红外观测、红外侦察和导弹预警等军民应用领域的具体需求以及超光谱、静止轨道等特殊红外遥感器的潜在需求。在此基础上,通过分析各类遥感器的技术指标和国外的技术差距,战略性地提出了未来军民用各个遥感领域红外光学遥感器发展对核心器件——红外探测器需求和发展建议。     

高分辨率遥感图像融合技术的研究

图像融合已成为图像理解和计算机视觉领域中的一项重要而有用的新技术,多源遥感图像数据融合也成为遥感领域的研究热点,其目的是将来自多信息源的图像数据加以智能化合成,产生比单一传感器数据更精确、更可靠的描述和判决,使融合图像更符合人和机器的视觉特性,更有利于诸如目标检测与识别等进一步的图像理解与分析。     

红外光学系统出瞳与冷屏匹配方式及渐晕分析计算

红外光学系统在用于制冷型的探测器时必须考虑出瞳与冷屏的匹配问题,采用二次成像方式进行光瞳匹配导致光学系统结构复杂化使系统透过率降低,采用光学结构简单的不完全匹配方式会存在轴外视场渐晕,但能有效地提高视场中心的透过率,而红外光学系统在用于点目标的跟踪测量时往往用到的是一定范围的中心视场.在本文中,我们分析了几种不同的匹配方式并给出了用冷屏参数表示的估算轴外渐晕的计算公式以便在像差校正之前判断渐晕的大小及采用何种匹配方式以提高光学系统性价比.     

含有双层衍射光学元件的红外双波段无热化光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型.基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm红外双波段光学系统.光学系统的焦距为100 mm,F#为2,采用像元数为640×512、间距为15μm的制冷型探测器.该系统在空间频率33 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.52和0.16,最大RMS半径小于9.88μm,波前像差小于0.0705λ,最大离焦量小于焦深,在-40℃～71℃范围内实现了无热化设计.系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于99.15％.入射到衍射面上的角度为0°～10°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为97.70％和96.95％.     

长波红外连续变焦光学系统的设计

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标的优点,在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察以及红外制导等方面。近年来,随着红外光学技术的长足发展,对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对320×256凝视型焦平面阵列探测器,设计了长波红外连续变焦光学系统。其工作波长范围为8～12μm,F数为2.5,变倍比为10:1。并用光学设计软件CODE V进行了仿真计算和像质评价,系统在空间频率16 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数在0.35以上,接近衍射极限。设计结果表明,长波连续变焦红外光学系统具有变倍比大、分辨率高、体积小、像质好等特点,可应用于众多光电探测领域。     

光谱型太阳辐射观测仪光学系统设计

为了实现太阳光各波长下观测,针对现有的太阳辐射观测仪光谱测试范围窄、光谱分辨率低的缺点,提出了一种运用光谱测量技术实现高分辨率太阳观测仪光学系统的设计方案。结合太阳辐射观测仪的使用环境与太阳光的特点,利用光纤、余弦校正器等器件设计了太阳辐射观测仪的收光系统。根据太阳光的光谱范围以及光谱分辨率的要求,设计了多通道、高分辨率的太阳辐射观测仪分光系统。实验与设计结果表明:光谱分辨率优于20 nm,能够实现太阳的光谱观测。满足太阳辐射观测仪宽光谱、纳米分辨率等要求。     

远距型红外消热差物镜设计

介绍了一种远距型红外消热差物镜的设计方法。首先建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,将其与远距型物镜模型相结合,得到了光焦度分配方程组,再根据系统要求的远距比和所选择的光学材料组合,获得初始的光焦度分配,然后利用计算机辅助设计进行像差校正。该方法准确、实用。作为应用实例,利用ZEMAX软件分别设计了中波红外和长波红外光学系统,它们的焦距均为100 mm,F数为2.0,远距比达到0.8。环境温度分析结果表明:在-40 ~60 ℃范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相吻合。     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

冷空异常下热红外波段再定标及非均匀校正

海洋一号B星水色水温扫描仪（HY-1B COCTS）在轨工作时受到冷空未知辐射的干扰导致其九年数据均受到不同程度的影响。以两极受影响较小的数据做样本,建立基于再定标系数的响应修复模型和基于概率分布的非均匀校正模型,对地球目标信号进行修复,根据修复结果进行了对比和优化,并对修复模型的精确性和稳定性进行了验证。最后结果表明,在冷空辐射基准受影响的情况下,响应修复模型结合概率分布校正模型能够明显的对数据进行有效修复。