谐衍射／折射太赫兹多波段成像系统设计

为了获取足够的目标信息,同时避免宽光谱色差和结构的复杂性,本文充分利用太赫兹波的科学价值,建立了谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统.针对偕衍射元件独特的色散性质,将谐衍射透镜应用于14～50 μm太赫兹成像系统中,使系统在15.8～16.2 μm,18.5～20 μm,23～25 μm,30.5～33.5 μm和46～50 μm 5个谐振波段内的轴向像差最大为0.75 mm.由于各谐振波段内的放大率是波长的函数,图像重构时将引起像元的配准误差,利用光学二组元法设计的变焦结构成功地解决了这一问题.设计结果表明:系统像高恒定为6.74 mm,变焦结构还具有很好的像差补偿作用;在10 lp/mm时,光学传递函数在 5 个谐振波段内均达到衍射极限,实现了轻小、便携、易加工的设计要求.     

谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统的研究

太赫兹波是一种非常有科学价值的电磁波。文中利用谐衍射元件独特的色散性质,将谐衍射透镜应用于14-50µm太赫兹成像系统中,使系统在15.8-16.2µm, 18.5-20µm,23-25µm,30.5-33.5µm和46-50µm五个谐振波段内的轴向像差最大为0.75mm。各谐振波段内的放大率是波长的函数,图像重构时将引起像元的配准误差,利用光学二组元法设计的变焦结构成功地解决了这一问题。设计结果表明：系统像高恒定为6.74mm;变焦结构还具有很好像差补偿作用;在10对线/mm时,光学传递函数在五个谐振波段内均达到衍射极限;实现了轻、小、易加工的设计要求。     

用于中红外成像的锗衍射光具

探测器技术的进展和信号处理在电子技术的改进 ,已使红外成像系统的重量和体积得到减轻和减小。可是 ,光具的尺寸和重量却并未因上述变化而得到相应的改变。为了进行追赶 ,光具设计人员已开始转向用衍射光具来取代传统的红外成像透镜。在过去的几年中 ,科学们曾经演示过用于 3μm～ 5μm近红外至中红外成像的硅衍射光具。现在 ,日本防卫厅的研究人员已演示了一种用于中红外的锗衍射光学元件。这种衍射透镜可以取代前视红外系统成像光具中的硒化锌消色差透镜。日本研究人员设计的这种衍射光学元件可将多元件系统成像透镜部件中的色差减小到最…     

谐衍射红外双波段双焦光学系统设计

利用谐衍射透镜相关特性,结合中波红外、长波红外的特点,以及变焦系统的基本原理,成功设计了仅含有四片透镜的红外双波段双焦光学系统。设计结果表明,系统具有100%冷光栏效率,在3.7μm～4.3μm的中波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.7;在8.7μm～11μm的长波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.5,均接近衍射极限。     

中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪

为提高成像光谱仪的工作波长范围,提出了基于双波段焦平面探测器(FPAs)的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输,并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法,基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性,基于Huygens点扩散函数(PSF)仿真了光谱响应函数(SRF)并导出了光谱带宽。实验显示:双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6μm(二级衍射)和6~12μm(一级衍射),谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度,光谱带宽分别为13.2~14.3nm(二级衍射)和28.3~33.3nm(一级衍射),两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽,满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。     

用于无模光刻的连续浮雕谐衍射透镜阵列设计

为了获得实时调焦写入以及高的系统分辨力和衍射效率,提出了一种基于连续浮雕谐衍射透镜阵列的无模光刻方法。该方法采用连续浮雕谐衍射透镜阵列作为无模光刻的物镜阵列,在兼顾系统分辨力和衍射效率基础上,由同一衍射透镜阵列实现聚焦写入和检焦;同时利用谐衍射透镜的深浮雕特性调制透镜的环带宽度,降低透镜的制作难度。在分析谐衍射透镜特点以及考虑激光直写制作工艺对连续深浮雕衍射聚焦特性影响的基础上,设计、制作并测试了设计波长为441.6nm,F数为7.5的连续浮雕谐衍射透镜阵列。测试结果表明,该阵列同时具有聚焦写入和检焦功能,且对写入激光和检焦激光的衍射效率均优于70%,有望改善无模光刻的制作质量。     

基于谐衍射特性的双波段红外系统消热差设计

从谐衍射元件的理论出发,讨论了谐衍射透镜在消色差和消热差时的特性。利用谐衍射透镜独特的色散和消热差特性,再结合其谐振特性,设计并制成了适用于-30℃~70℃的3μm~5μm和8μm~10μm双波段红外消热差的光学系统。该系统通过采用折反结构,仅需锗作为材料,体积小,重量轻,结构简单。结果表明,该系统能够在两个波段内同时较好地校正系统的色差,在要求的视场内得到接近衍射极限的成像质量,具有良好的消色差和减热差特性。该系统经红外传递函数测试仪测试,得出的实际MTF值也基本接近衍射极限。     

Hadamard编码红外光谱成像系统设计

在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪(Space Hadamard Transforms Spectral Imager,SHTSI)中采用数字微镜阵列(Digital Mirror Devices,DMD)作为编码器件,能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像.但由于DMD的翻转特性,经过DMD编码后的光学成像...     

消谱线弯曲长波红外成像光谱仪设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,有效消除平面光栅产生的谱线弯曲,设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲,分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系,并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100mm,F数为2,光谱分辨率为20nm,空间分辨率为150μrad,冷光阑效率为100%,成像质量接近衍射极限,系统谱线弯曲由原有的180μm以上变为14.3μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式,证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明,在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下,采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2,满足使用要求。     

气象测云红外成像系统的设计与分析

以云层为目标,进行了目标与背景的红外波段分析,分析了气象测云红外成像系统的工作波段,确定了红外成像系统的主要技术参数;进行了基于非制冷红外焦平面列阵（UIRFPA）探测器件的气象测云红外成像系统的光学设计、结构设计与电路设计;针对该系统进行红外图像自适应非均匀校正设计和温度调焦机构设计。     

红外成像系统的非均匀性实时校正

针对红外相机系统响应非均匀性所产生的竖条纹固定噪声,提出了基于多线程优化的单帧红外图像非均匀性实时校正算法。该算法参考全变分理论的非均匀性校正算法确定噪声与图像输出之间的加性校正关系,建立了描述条纹噪声的数学模型;通过滤波算法将图像分为高频分量和低频分量,运用建立的条纹噪声模型,基于最小二乘法从高频部分中拟合出条纹噪声。最后,使用全变分理论确定的加性关系对图像进行校正。为了提高算法的计算速度,运用多线程技术对算法进行了优化。对提出的算法与MIRE(Midway Infrared Equalization)算法及传统双边滤波算法进行了图像质量评价和性能对比。结果显示:本文算法使图像非均匀性较原图降低了3%;算法效率与MIRE算法无异,系统运行时间在320×256的14位红外图像上为1.5ms/frame,达到了工程标准。     

高轨道准直式红外地球模拟器光学系统设计

为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度,以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的,对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近,使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后,以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求,采用更换地球光阑的方案,提供了三种不同的地球张角。计算结果表明,地球模拟器边缘处成像清晰,且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球,满足了地球模拟器的整体性能要求。     

基于非特定图像的红外成像系统调制 传递函数自动测量方法

机载红外成像系统的性能评估对于战机任务执行效能具有重要意义。 调制传递函数(MTF)是衡量红外成像系统性能 的典型指标。 现阶段 MTF 的测量依赖于特定的图像特征与人工操作,难以实现实时与批量评估。 为此,提出了一种基于非特 定图像的 MTF 自动测量方法,以倾斜刃边法为基础,通过图像刃边检测、目标区域提取以及改进的刃边计算方法,从不含有特 定景物特征的实拍图像中自动获得 MTF 点值,并构造红外成像系统等效物理模型以实现 MTF 曲线的拟合,进一步滤除随机误 差。 最后,以某型号无人机红外成像系统作为验证对象,将实验室测得的 MTF 与基于非特定实拍图像计算的 MTF 进行对比, 两者的绝对误差在 0. 06 以内,证明了方法的可行性与有效性。 该自动测量方法能够较为准确且实时地得到系统的 MTF,为不 便进行地面实验的红外成像系统提供了一种新的性能测试思路。     

双波段红外成像系统对空中点目标测距的方法

提出了对空中点目标进行被动测距的方法.基于红外辐射在大气中的传输规律和红外成像系统的特性,建立了目标和背景的表观对比度模型.通过对两个波段上对比度模型的分析,推导出了测距公式和距离分辨率公式.理论分析表明,只要得到大气在两个波段上的消光系数,通过测量目标在两个波段、两个时刻上的目标表观对比度,即可计算得到目标距离和目标径向速度,而距离分辨率则取决于系统的对比度探测能力及相关参数.利用所得公式计算了不同气象条件下,目标距离分辨率与目标距离之间的关系.计算结果表明,该测距方法具有工程应用价值.     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

一种实用的红外成像系统图像仿真方法

为了实现对红外成像系统静态性能计算机仿真评估,提出一种用于静态红外成像系统图像的生成方法。红外成像系统的调制传递函数（MTF）和噪声是系统图像的主要影响源,针对这一点,对系统调制传递函数和各类噪声源分别进行分析和建模,再根据红外目标和背景的辐射特性建立红外标准图像。通过模型的建立最终得到红外仿真图像,结果表明该方法具有很好的应用前景。