基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计

针对目前光学设计中,通过增加光学元件数量、限制视场角等方法来平衡像差,导致光学系统较复杂的问题,提出了一种基于红外波段的大视场谐衍射透镜设计方法。使用光学设计软件Zemax进行光学设计,使用DLL编写了一种可以自定义的表面面型,使用这种表面进行分区优化,并结合标量衍射理论进行了成像效果分析。结果显示,所设计的谐衍射透镜具有21°的视场角,截止频率(以0.1作为对比度极限)为11.4 lp/mm,并通过实验验证了该透镜的大视场单透镜成像的可行性。     

大视场微球透镜超分辨显微成像技术的研究进展

光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具,在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域发挥重要作用。由于衍射极限的存在,发展更高质量、更高空间分辨率的超分辨光学显微成像技术成为当下研究的前沿热点。基于微球透镜的超分辨显微成像技术有着易于实现、简单直接和免标记的显著优点,发展潜力巨大。但是单个微球的视野有限,且难以进行精确定位。提高微球的可操控性,拓展超分辨显微成像视场的范围,已成为该技术突破发展的核心关键。文中在介绍微球超分辨的成像原理,分析影响成像质量主要因素的基础上,重点总结了国内外团队在拓展微球透镜超分辨显微成像视场方面的最新研究进展。根据微球的操控方式,将研究工作总结为机械接触控制、微球辅助增强层、非接触控制和微球物镜一体化四类进行介绍,探讨其技术特点,并对大视场成像、图像拼接等面向视场拓展的图像处理技术进行论述。最后,提出微球透镜超分辨显微成像技术亟待解决的关键问题、存在的难点与挑战,以及未来开展研究工作的突破点,展望了该技术的发展与应用拓展方向。     

大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.     

大视场高分辨率深海探测变焦光学系统设计

为满足深海探测需求,实现深海中更高质量成像,设计了深海专用的连续变焦光学系统,该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境,考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降,对光学窗口进行光机集成分析,将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后,光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m,变焦全程F数恒定为3.0,可实现全视场角5.7°～90°范围内可调,10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面,系统总长为260 mm。在208 lp/mm处,整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3,另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑,成像质量良好,变焦曲线平滑,可以满足实际应用的需要。     

大相对孔径长波连续变焦红外光学系统设计

提出一种大相对孔径长波连续变焦红外光学系统的设计方法,利用变焦原理和光学设计软件得到系统结构及其参数。该光学系统在变焦过程中相对孔径可变,F数最小可达0.85。系统主要光学参数F/#为0.85～1,变倍比为4.5∶1,工作波长为8～12 μm,采用384×288元非制冷焦平面探测器。具有分辨率高、像质好、能量利用率高、变焦轨迹平滑等特点,满足工程设计要求。     

大视场大孔径制冷型红外光学系统设计北大核心CSCD

介绍了适用于4096×4096,F/#1的大靶面制冷型中波探测器的大视场大孔径红外成像系统的设计方案,采用二次成像的方式,减小大物镜的口径,提高孔径利用率;计算得到满足要求的初始结构,并分析了像差特性;通过优化初始结构、采用折/衍混合器件及非球面等方式校正大口径大视场带来的高阶像差。系统工作波段为37~48μm,焦距为60mm,视场角2ω=52°。全视场在50 lp/mm处的MTF高于045,满足设计要求。经过设计优化,实现了100冷光阑效率。     

多组元全动型大孔径及超大视场变焦系统设计

为了使变焦光学系统能够实现超大视场以及大孔径高分辨率成像,提出一种能够有效指导此类系统的设计方法.通过分析变焦光学系统的原理以及比较其变焦补偿方式,确定采用全动型补偿方式来实现整个系统的变焦.根据初级像差的理论并结合ZEMAX软件得到系统较合适的初始结构参数,对其进行优化设计可以得到一款由14片折射透镜组成的大孔径以及...     

大视场红外凝视系统在靶场探测中的可行性研究

针对目前靶场试验目标丢失后(特别是在发射阶段),红外经纬仪难以寻回的问题,提出了利用大视场红外凝视成像技术进行改善的方案.首先分析了靶场目标的最佳红外工作波段;其次,分析了大视场中靶场目标的成像和运动特殊性;最后,根据靶场的探测性能要求,论证了大视场红外系统的视场大小.综合多项因素,论证了视场角在57.4°～74.65°的大视场红外系统可满足靶场的探测需求,也可改善靶场试验目标丢失后难以寻回的现状,降低了漏警率.     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

基于直线运动机构的大变倍比红外变焦成像系统

针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求,研制了一种大变倍比红外变焦成像系统,设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜,通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点,采用直线运动机构实现镜片变焦运动,使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析,所设计镜片最大位移为3.04×10^-3 mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器,变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明,系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好,验证了系统的连续变焦成像性能,该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。     

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。     

紧凑型大变倍比红外光学系统设计

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题,从变焦系统设计的基本理论出发,提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型,给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成,通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍;通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组,对前组焦距进行二级放大,扩大整个成像系统的变倍能力,同时,二次成像组还压缩了物镜口径,保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计,该系统工作波段为3.7~4.8 m,采用640480制冷型面阵探测器,像元大小15 m,F数恒定为4,可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92~58.2、达70倍的连续变焦功能,仅采用了两种材料,十片透镜,总长300 mm,具有优良的成像质量和公差特性。     

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。     

基于DM6446的变焦成像系统设计

提出了一种基于DM6446的变焦成像系统,进行了硬件系统设计和软件设计。该系统由镜头部分、图像采集部分、微处理器以及存储显示部分组成,通过变焦距光学镜头和CMOS图像传感器获取图像信息,再通过DM6446处理器的视频处理子系统完成图像的存储与显示。该系统结构简单、功能强大,具有良好的扩展性,应用价值好。     

红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系

建立了红外光学系统无热化设计与变焦距镜头的关系，即可把红外光学系统无热化设计过程看成是广义变焦过程，介绍了设计广义变焦距镜头的过程，并进行了相关的理论推导，设计广义变焦距镜头的过程可分为以下四个步骤；（1）在常温下的满足像质要求的系统内设定变焦位置，（2）建立不同温度状态下的玻璃库；（3）建立不同变焦位置的联系；（4）温度分析与加入消除热效应因素。     

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。     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差,在实际应用中难以单独成像,相对孔径越大,单片凸透镜的成像质量越差,通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题,提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前,结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前,利用泽尼克多项式描述畸变波前,并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上,校正波像差;通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描,将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明,图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH,成像质量明显提高。     

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计

宽谱段高分辨率低温成像光谱仪可对星际矿物成分、大气成分进行有效识别,但由于深空探测目标温度很低,为了抑制光谱仪自身噪声,提高分辨率,需要红外谱段工作在几十K的低温环境下,这对制冷系统设计提出了严峻的挑战。在调研国外用于金星、彗星探测的可见/红外成像光谱仪(VIRTIS)制冷技术的基础上,对宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统进行了设计与仿真分析,仿真结果显示M和H探测器部件温度梯度非常小,约为410-2 K;探测器工作温度70 K;M和H部件壳体温度为1301 K;框架温度为2001 K,符合制冷系统设计要求。研究成果对在深空探测领域具有通用性的低温高光谱成像系统中制冷系统的研制具有一定的指导意义。     

自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统,该系统中采用特殊自由曲面面型结构,构建自由曲面透镜组,利用垂轴偏移的变焦特性,改善光学系统的成像位置,提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理,并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中,分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明,光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3,满足成像要求,该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。