实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统

论述了利用衍射光学元件的环境温度特性实现光学系统消热差的原理和设计方法,给出了8－12μm波段内、焦距123mm、相对口径1／2．5在20－50℃温度范围内实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统的设计和评价结果;叙述了用NANOFORM250型金刚石微表面发生器在Ge单晶平面基体上加上衍射元件的主要过程和测试结果,最后给出了在不同温度下用英国Ealing传递函数仪测试系统性能的测试结果。     

折/衍混合红外光学系统无热设计

论述了衍射光学元件的环境温度特性实现光学消热差和消色差的原理和设计方法.给出了3～5 μm波段,焦距70.3 mm,F数为2的在-40～60℃温度范围内实现消热差的折衍混合红外光学系统的设计方法和评价结果,同时为了比较设计了一个与折衍混合系统性能参数一样的全折射系统,比较结果发现折衍混合系统比全折射系统具有更优良的光学性能.它能减小色差,成像质量高,体积小、重量轻,并且在要求的温度范围内性能稳定,使得衍射光学元件在光学领域中有更广泛的应用.     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,系统全视场调制传递函数在特征频率20 lp/mm处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统.此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7～10.9mm.该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾.利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强...     

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12 μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器.     

折/衍混合红外物镜超宽温度消热差设计

利用折/衍混合透镜实现了超宽温度范围内的光学被动式消热差设计,系统工作波段为8～12μm,全视场角为9.15°,焦距为100mm,相对孔径为1/1.5,总长为128mm,后工作距为10.5 mm.使用了锗和硒化锌两种材料,采用三片透镜,衍射面和偶次非球面的引入,不但能够消除热差,而且使得结构简单、轻量化,很好地提高了成...     

红外折/衍混合光学系统无热化设计

论述了利用衍射元件实现光学系统消热差的原理和设计方法.利用衍射光学元件特殊的消热差和消色差特性,设计了8～12μm波段内,焦距为90mm,F/#为1.5,视场角为±2°,在-40～80℃温度范围内既消热差又消色差的折/衍混合红外光学系统,并给出了评价结果.该系统在工作温度范围内,成像质量接近衍射极限,适用于非制冷红外焦平面阵列热像仪上.     

下一代光学设计--单片式光学系统

光学和光学精密机械设计师们用于研发光学组件的传统设计方法非常简单：首先在自由空间设计一系列离散的光学零件，然后设计出用于连接和校准光学零件的金属结构件，最后进行加工和组装。     

消旋检测装置的红外光学系统分析与设计

设计了一种用于检测机载制冷型CCD消旋机构的长波红外光学系统。采用二次成像的方法保证冷光阑效率,应用光学被动消热差原理实现宽温度范围内热差补偿;系统引入以非球面为基底的衍射元件校正像差,探讨了衍射元件面形误差对系统光学性能的影响。设计结果表明,系统结构紧凑,重量轻,在-40~60℃的宽温度范围内实现了光学被动消热差的目的,达到100%的冷光阑效率及抑制冷反射的效果。     

衍射光学元件在红外成像光学系统中的应用

介绍了衍射光学元件的优点,并举例说明衍射光学元件在监控、火控、无人机侦察等红外光学系统中的应用,给出了一个红外光学系统设计实例,在设计中使用了衍射光学元件,以补偿温度变化所产生的影响,通过与没使用衍射光学元件的红外光学系统的成像质量比较,表明使用衍射光学元件可以消除温度的影响,使系统在较大的温度范围内保持比较好的成像质量,可以满足军用光学系统的使用要求.     

红外双波段消热差系统设计

引入了光学材料双波段的平均规化热差系数 T,建立了在3～5μm和8～12μm两个波段上分离透镜消色差、消热差方程组。得到对该光学系统设计的材料选择具有指导作用的三维无热差图,并利用透视投影原理得到相应的投影无热差图。设计了视场4°、有效焦距61mm、F数为2.5、温度范围在-54～71℃、适用于3～5μm和8～12μm双波段的红外光学系统。该系统在3～5μm和8～12μm波段调制传递函数基本达到衍射极限,在空间频率为10lp/mm时,数值分别为0.87和0.68;当温度从-54℃变化到71℃时,数值波动不到0.01;轴向像差在-54～71℃温度范围内,最大值分别为45μm和93μm,都小于相应波段的系统焦深。因此,设计系统具有非常好的双波段消色差、消热差能力。     

中波红外光学系统无热化设计

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义,分析了温度对光学参量的影响,探讨了无热化设计方法及光学被动式无热化基本原理.设计了一种用于320×256制冷型探测器光学被动式无热化中波红外光学系统,镜筒材料采用钛合金,光学材料为硅、锗和硒化锌组合消热差.该系统在-50~70℃温度范围内,最大离焦量小于1倍焦深,空间分辨率17 lp/mm处,光学调制传递函数(MTF)值大于0.7,比较接近衍射极限,探测器单像元内能量集中度大于84%.分析结果表明:该系统具有良好的成像质量和无热效果.     

光学系统温度效应分析和无热化设计

建立了用于温度效应分析的光学系统热模型,提出了一种光学机械综合优化的被动补偿方法.该方法将光学系统中光学元件和相关机械零件温度特性统一参与光学系统优化设汁.保证在较大的温度范围内都可以有很好的成像质量.设计实例表明,采用这个方法可以在不增加光学和机械结构复杂度的情况下得到良好的光机被动无热化效果.     

中波红外消热差双视场光学系统设计

介绍了一种切换式双视场红外光学系统设计实例,该系统工作波段为3.7～4.8 μm,变倍比为3倍,采用光学被动式消热技术保证系统在-40℃～+60℃温度范围内保持良好的成像质量.该系统具有结构简单,体积小、重量轻、像质高、环境适应性好等优点.并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.     

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％.     

一种长波红外光学消热差系统设计

介绍了长波红外消热差系统的种类,分析了温度对光学元件的影响,并列出光学参量随温度变化的公式.总结了红外消热差系统的设计原理,解出消热差消色差条件方程组并设计了一个工作波段为8~12μm,f=25 mm,F数1.2,配384×288,像元大小25μm非制冷探测器的系统.结果表明,系统结构简单,在-40℃~80℃温度范围内系统调制传递函数,均方根弥散斑直径变化均很小,符合红外消热差系统的条件.     

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.     

基于二元衍射面的长波无热化光学系统设计

仅用3片透镜,设计了一款匹配640×512氧化钒非制冷长波焦平面探测器的红外系统。该系统焦距为100 mm,F数为1.1,总长为107 mm,工作波段范围为8～12mm,引入一片二元衍射面实现无热化温度补偿功能。利用ZEMAX进行仿真设计,结果表明:在-40℃～+60℃温度范围内,系统奈奎斯特频率(30 lp/mm)处MTF均达到0.49,接近衍射极限。该系统具有焦距较长,相对孔径大、全视场像质优良、温度适应良好、二元面衍射效率高、易于加工和结构紧凑的特点。