中波红外三视场变焦光学系统设计

三视场变焦光学系统相对于其他形式的变焦系统具有机械结构简单、可靠性高、变焦时间短等优点。采用320240分辨率、像元尺寸30 m30 m制冷型探测器,二次成像方式设计了一种工作于3～5 m中波制冷型三视场红外光学系统,系统视场角1.4～23.8,F数为４,可实现焦距为30mm/100mm/500mm。设计中采用了硅和锗两种材料校正谱段内色差,采用了一个非球面校正系统球差,两个反射镜折转光路的方式实现系统轴向尺寸的缩减,整个系统外形尺寸小于210 mm160 mm120 mm,系统具有外形尺寸小、变焦结构简单、成像质量高等特点,在空间频率17 lp/mm处,系统调制传递函数（MTF）均在0.5以上,能量集中度大于70%。     

红外双焦10~×光学系统设计

与传统定焦系统相比,红外双焦光学系统具有宽视场搜索目标、窄视场跟踪目标的能力;与连续变焦系统相比,红外双焦光学系统机械结构简单,装调容易等优点成为近年来研究的热点。介绍了一种用于324×256中波致冷红外探测器双焦10×光学系统设计结果。系统焦距24～240 mm,F#2,采用切入式变焦方式,短焦宽视场的全视场角达到28.7°;长焦窄视场的全视场角仅为2.9°。二次成像技术的应用,可以有效的减小轴向尺寸。Code V光学设计软件进行优化得到在空间频率17 lp/mm处,宽视场和窄视场的MTF均大于0.5。     

高集成度四视场中波红外光学系统

为了实现超小型化、长焦距和超大视场,提出并设计了一种高集成度四视场中波红外光学系统。该系统采用双光路结构形式,包括超小视场光路和小/中/大视场光路,两支光路共用中继组;对超小视场光路进行了四次立体折叠,并对小/中/大视场光路进行了二次折叠。通过以上六次折叠,整个双光路光学系统的外形尺寸得到了有效约束,其外形包络在242 mm×150 mm×85 mm (局部125 mm)范围内,系统集成度高。这种双光路光学系统包括超小视场、小视场、中视场和大视场四个视场。其中,超小视场的焦距为688 mm,视场为0.8°;大视场的焦距为13.19 mm,视场为40°,实现了长焦距和超大视场并存,并获得了50×的变倍比;超小视场光学系统仅采用5片透镜,透过率高,并具有光学被动消热差设计;整个双光路光学系统结构紧凑,体积小,实现了超小型化。设计结果表明,该光学系统像质良好,可以满足高性能热像仪的使用要求。     

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波红外两档变焦光学系统,系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入两片透镜实现宽视场,宽视场时全视场角为31.4°,可用于跟踪和搜索目标;窄视场时全视场角为6.44°,可用于捕获和观察目标.通过引入二元面和非球面,大大提高了成像质量,在空间频率111p/mm处,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

变光阑长波红外连续变焦光学系统设计

非制冷长波连续变焦光学系统由于相对孔径大导致小型化和无热化设计困难,本文采用可变光阑约束物镜尺寸压缩系统总长,实现长波640×512非制冷连续变焦光学系统轻小型化设计。通过材料合理配置及主动补偿实现5片透镜的8.5×连续变焦光学系统消热设计。该系统F#恒定1.2、工作波段为8～12μm、视场变焦范围为30°×24°～3.5°×2.8°、系统总长187.5 mm,该连续变焦光学系统重量轻、总长短、透过率高、在-40℃～+60℃温度范围全视场成像质量良好。     

联合变换相关器远红外变焦距光学系统设计

根据光学系统的技术指标要求,设计了一种长波红外变焦光学系统.该系统选取红外材料锗和AMTIR1,适用于长波8～12μm的系统成像,具有15倍大变倍比,CCD像素尺寸为45 μm×45μm.通过对红外变焦光学系统的优化设计,当截止频率为11 lp/mm时,各视场的MTF曲线值>0.6,各视场点列图均方根半径与艾里斑半径接...     

一种高性能双视场长波红外光学系统

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统,该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠,有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束,外形包络在220 mm×95 mm(局部135 mm)×50 mm(局部110mm)范围内,系统紧凑,体积小。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置,在-40℃~70℃范围内,控制了光学系统热差,光学系统光轴稳定,小视场光轴稳定性<0.04 mrad,大/小视场转换光轴平行性<0.1 mrad;应用该光学系统的热像仪性能高,MRTD(3 cyc/mrad)=0.07 K,NETD=30 m K。设计结果表明光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。     

非制冷热成像长波红外两档变焦光学系统

与红外连续变焦光学系统相比,红外两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.研究了红外两档变焦光学系统的设计方法并给出了具体设计实例,该系统采用轴向移动式变焦方式,设计结果表明,在20℃～40℃的温度范围内,空间频率141p/mm处,宽视场和窄视场都具有良好的成像质量.     

机载小型化中波红外连续变焦光学系统设计

为适应机载光电系统对红外热像仪光学系统小型化、轻量化的要求,采用前端无焦扩展倍镜与后端连续变焦光学系统组合的方式,实现了30~660 mm的22倍连续变焦光学系统。该系统的光学总长为244 mm,总长/最大焦距比为0.37,系统具有光学总长小、变倍比大的特点,适用于远距离目标探测的大型机载光电吊舱系统中。将前端无焦扩展倍镜去掉后,后端连续变焦光学系统可以实现15~330 mm的22倍连续变焦光学系统,该系统的光学总长为138 mm,总长/最大焦距比为0.42,可作为独立的连续变焦系统应用于近距离目标探测的中小型机载光电吊舱系统中。设计结果显示,该系统在两种状态下均成像良好,在探测器对应的特征频率33 1p/mm处,中心视场的MTF值均在0.3附近,接近衍射极限,0.7视场的MTF值均在0.2附近,边缘视场的MTF均在0.15附近,能够满足应用需求。     

折衍混合红外双波段变焦光学系统设计

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在?40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。     

基于自由曲面的离轴三反光学系统研制

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求,采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面,研制了一套基于640×512@24μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统,该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点,具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm,工作波段8～12μm,F数2,视场5.5°×4.4°,主镜和次镜均为二次曲面,三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明,系统波像差全视场平均值0.067λ(λ=9.11μm),具有较好的成像质量。     

长工作距的3D变倍外视镜光学系统设计

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题,提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案,其中单条光路由前后两组变焦系统组成,前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构,其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行;后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构,其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变,组合而成的整体光学系统共有三个运动组元,通过三组联动的形式可达到变倍效果,该方案类比于筒长无限的显微镜,中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件,并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程,依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS,优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×,3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围,仿真结果表明,六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上,变倍凸轮曲线平滑无拐点,可满足显微外科手术要求。     

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。     

长波红外连续变焦光学系统设计

针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波连续变焦光学系统,该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为1,系统变焦比为4:1,在一定焦距范围内可实现连续变焦,并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价,结果表明,在空间频率11 lp/mm处,全焦距范围内都具有较好的成像质量.     

大入瞳距双通道红外投影系统设计

由于受光学系统结构和使用条件的限制,红外投影仿真系统要求目标/干扰发生器共用一个光学系统,入瞳距大于1000 mm,光学件质量小于等于3 kg,体积限制在Φ250 mm×480 mm范围内.在原理设计上,采用无焦系统与后聚焦镜组的复合方式,在平行光路中加入平面耦合镜,实现了在大入瞳距条件下,目标/干扰共用同一光学系统的设计.此外,系统中采用了两个非球面,保证了系统在较少的光学零件情况下具有优良的像质和要求的透过率.同时,只需沿轴移动最后一组透镜,就可以实现调焦.最终设计结果为:全系统共有11个光学零件,质量约2.5 kg,入瞳距1050 mm,最大口径为220 mm,全视场MTF大于等于0.7,90%能量集中在20 μm 弥散圆内,满足了系统要求的各项技术指标.     

长工作距变焦显微系统物镜设计

激光内雕机在进行激光内雕时,经常会存在激光炸点不均匀的情况,需要对其进行放大分析,从而更好地控制激光束的能量。根据企业激光内雕炸点观察需求,设计了一款长工作距变焦显微物镜。玻璃内部的炸点观察范围为9~32 mm,系统采用光学变焦方式,变焦范围为6~24 mm,放大倍率为4~16,变倍比为4倍。探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2 in（1 in=2.54 cm）CCD,其像元大小为5.5 m。利用Zemax进行光学系统设计优化,在截止频率91 lp/mm处,各组态下各视场的MTF值均大于0.4,在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。点列图的RMS半径也均小于艾里斑半径,满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。     

轻小型长波红外光学系统的设计及实现

无人机载光电吊舱对其载荷体积重量的要求苛刻,为了满足8～12.5 μm红外探测需求,设计并实现了一种轻巧紧凑的长波红外光学系统。系统F数为2,口径为150 mm,总视场为2.34°。光学系统采用二次成像折反射式结构,将常用的卡式主系统简化为折叠牛顿式主系统,将球面次镜简化为平面镜折叠光路,轴外像差通过非球面校正镜组校正。主系统采用全铝光机结构,结合后光路的光机材料匹配,在工作环境温度范围内,光学设计传函高于0.41@17 lp/mm,具有100%冷屏效率,而体积仅为Φ152 mm×125 mm。整机装调后,全视场传函高于0.24@17 lp/mm,像质清晰,满足预期。光学系统设计巧妙、结构轻小紧凑、加工装调成本低。设计思路和研制方法可为类似应用的无人机载光电吊舱长波红外仪器的光学系统提供参考。     

变焦距共形红外光学系统的设计研究

提出一种双视场共形红外光学系统的设计方法,该光学系统采用二次成像的光学结构形式与轴向移动式的视场变倍方式,在共形窗口的基础上利用变焦原理完成系统的设计。系统主要光学参数F/#为4,变倍比为3∶1,工作波长为3.7～4.8μm,采用椭球型窗口。设计结果表明,系统成像质量良好,并满足100%冷光阑效应。     

六倍连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

提出了一种三次成像红外连续变焦面阵扫描光学系统,在传统红外二次成像光学的基础上,增加了连续变焦的望远系统。通过正组元变焦,负组元补偿的方式,可实现连续变焦。在中间平行光路中,引入扫描振镜,可补偿由于扫描平台转动带来的曝光时间内的物面的移动,保持系统在旋转扫描时成像清晰与稳定,没有拖影。设计了60～360mm连续变焦面阵扫描中波光学系统,变焦全过程畸变小于0.5%,通过测试,光学系统各焦距的性能良好,可实用于连续变焦搜索与跟踪一体的红外系统中。     

光学融合双波段手持热像仪设计

采用光学融合的方法设计了一款用于手持的可见光与红外双波段热像仪.红外热像仪中使用320×240非制冷焦平面探测器,像元间距为25 μm,该系统工作波段为8～12 μm,红外光学系统焦距为95mm,视场为4.8°×3.6°.可见光系统物镜焦距为142mm,视场为6°.OLED显示的热图像与可见光物镜像通过光学融合后,由公共的目镜观察.整个热像仪尺寸约为182 mm×160mm×55mm,具有良好的实用性.