连续变焦红外热像仪结构设计及装调工艺研究

本文研究了连续变焦红外热像仪的结构设计和装调工艺。在设计阶段进行了振动、冲击仿真分析。提出了连续变焦组件的光机装调工艺方法。搭建了小视场与安装基准偏轴度的测量方法。完成了该红外热像仪的光轴一致性检测和光轴稳定性验证试验。检测和试验验证结果表明各项关键机械性能指标优良,证明该红外热像仪的整机系统结构设计满足工程化应用需求。     

20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计

一款长波红外热像仪具有20:1的变倍比,采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5~367 mm范围内的连续变焦.本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计.为保证光轴偏差满足要求,变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节.同时,通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦,使热像仪具有较宽的温度范围.     

一种连续变焦凸轮优化设计及试验验证

具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一,而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构,本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线,然后利用序列二次规划法（sequential quadratic programming, SQP）优化算法来减小动态光学曲线的压力角,结合光机设计理论运用Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析,最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。     

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。     

基于ADAMS的连续变焦机构运动仿真

某型红外热像仪在连续变焦过程中,局部出现了图像的模糊和抖动,严重影响了图像的质量。本文通过ADAMS对某型连续变焦机构进行仿真,对其动力学参数进行研究。之后对光学设计点进行优化,在符合成像质量要求的情况下,消除了变焦过程中图像的突变。     

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C (尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40～+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8～12μm,焦距变化范围为20.7～126 mm,对应F#为1.05～1.2,视场变化范围为21°×16.8°～3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。     

某型红外热像仪结构改进设计研究

红外热像仪机械环境可靠性是其结构设计最为重要的指标之一.为保证红外热像仪能够经受服役的振动环境,本文以某型红外热像仪故障闭环为契机开展失效机理及结构改进设计研究.基于动态试验结果对红外热像仪有限元模型进行修正.采用有限元数值方法和随机振动疲劳失效理论相结合对故障的产生机理进行了推测.根据分析结果重新对结构改进优化并通过...     

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。     

变焦距镜头的凸轮优化设计

变焦距镜头由于其固有特点而得到越来越广泛的应用，目前，连续变焦的变焦距镜头普遍采用机械补偿型光学结构，其中的特定光学透镜组通过凸轮的驱动沿光轴连续移动，从而实现连续变焦，其可变组元数大多为二组或更多。变焦凸轮的优化是这现变焦距镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的关键，军用变焦距镜头尤其应考虑其变焦运动的平滑性和变焦过程的快速性。简述某二可变组元机械补偿型变焦距镜头的凸轮优化方法，给出适合不同凸轮数据点数和二可变组无变焦距镜头光学设计使用的Macro-PLUS凸轮优化宏程序主体。     

热像仪的光轴热稳定性仿真及拓扑优化研究

热成像仪由于工作环境较为恶劣,且自身发热量较大,容易导致热像仪光轴发生热偏移,严重影响其瞄准性能。为了提高红外热像仪的光轴热稳定性,以某型热像仪光轴敏感部件——折转镜为主要研究对象,研究其在不同环境温度条件下的光轴变化情况,并通过构建折转镜的有限元仿真模型以及试验测试系统,获得与试验数据一致性较好的有限元模型;以此为基础,采用基于变密度法的拓扑优化仿真技术,以刚度最大化为设计目标,以体积分数为约束,对折转镜座进行了拓扑优化设计。通过试验测试得出,优化设计的折转镜座的光轴高温偏移量由46.1″减小到25.5″,减小了44.7%,折转镜座的光轴低温偏移量由92.9″减小到51.0″,减小了45.1%,极大地提高了折转镜的光轴热稳定性。最后,将优化后的折转镜安装到某型热像仪中进行整机试验测试,热像仪整机的高温光轴偏移量由0.461 mrad减小到0.340 mrad,下降了26.2%,低温光轴偏移量由0.485 mrad减小到0.296 mrad,下降了39.0%,证明了仿真与拓扑优化模型的可行性与有效性,为后续红外热像仪整机的轻量化设计与性能提升奠定了基础。     

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。     

基于中波制冷型碲镉汞探测器的远距离探测/识别连续变焦热像仪

基于中波制冷型640 pixel512 pixel（15m）凝视焦平面探测器,设计了远距离探测/识别的高清晰大变倍比连续变焦热像仪。该热像仪变倍比为35,长焦处瞬时视场（IFOV）为0.027 mrad/pixel,在标准大气环境中观察视场角为3528,能够对4 m3 m2.3 m尺寸的车辆进行55 km处探测、15 km处识别（识别概率为50%）,满足现代光电武器系统的远距离作战需要。热像仪采用平滑的变倍-补偿曲线光学系统设计、单导轨/双滑块变焦结构技术、自适应伺服控制技术以及红外图像增强技术,获得了在整个大变倍比的连续变焦过程中图像始终清晰并且无间断点。在奈奎斯特频率处（18 cyc/mrad）进行最小可分辨温差（MRTD）测试,测试结果表明该热像仪性能优良,证明该热像仪的各项关键技术实现了从理论设计到整机系统的工程化研究。     

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。     

一种红外连续变焦光学系统步进电机控制技术

基于红外连续变焦光学系统镜片控制精度的需要,本文从实时性、准确性等方面分析和研究了一种红外连续变焦光学系统中步进电机的加减速控制技术和螺母间隙误差补偿技术。实验结果表明,该连续变焦控制技术有效地提高了红外连续变焦光学系统光学变倍的实时性和准确性。     

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。     

硫系玻璃在长波红外无热化连续变焦广角镜头设计中的应用

针对市场上现有红外广角镜头大多采用定焦结构且缺乏无热化设计的现状,根据光学变焦系统的设计原理,设计了一种有效焦距范围为10~24 mm（变倍比为2.4:1）、视场角变化范围为34~90、工作波段为8~12 m、F/#为2.8的无热化连续变焦广角镜头。考虑到红外镜头多用在温度变化较大的使用环境中,系统设计选用了硫系玻璃NBU-IR2（Ge20Sb15Se65）以及常规红外材料锗（Ge）和硫化锌（ZnS）制备的六片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度及其空气间隔等参数,在连续变焦设计的基础上实现了无热化的光学设计效果。实验结果显示,系统在-40~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外热成像效果,调制传递函数全视场范围内均大于0.25。系统结构较为紧凑简单、质量较轻,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面,可有效控制光学系统的加工成本。整体设计适用于车载夜视等应用领域。     

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。