摄远型红外8~12μm波段消热差物镜设计

介绍了一种摄远型长波红外消热差物镜的设计方法.将摄远物镜模型与消热差模型相结合,推导出之间的光焦度分配关系,并将二者统一起来,直接得到摄远型消热差物镜的光焦度分配关系式.首先,根据摄远物镜的设计方法进行物镜的设计,在满足远摄比的情况下结合像差理论合理选择最优的前组和后组光焦度解;然后采用光学被动消热差方法,进行消热差设计,选择材料组合,分配组元内部各透镜的光焦度;最后利用计算机辅助软件进行像差校正.为了验证该方案的可行性,设计了一个工作于8~12 m,焦距100 mm,F数为2.0,全视场角为6,远摄比达到0.8的长波红外消热差光学系统.在-40~60 ℃温度范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限,并且体积小、结构简单,质量轻.所设计系统优化后的光焦度分配值和初始计算值非常接近.     

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.     

远距型红外消热差物镜设计

介绍了一种远距型红外消热差物镜的设计方法。首先建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,将其与远距型物镜模型相结合,得到了光焦度分配方程组,再根据系统要求的远距比和所选择的光学材料组合,获得初始的光焦度分配,然后利用计算机辅助设计进行像差校正。该方法准确、实用。作为应用实例,利用ZEMAX软件分别设计了中波红外和长波红外光学系统,它们的焦距均为100 mm,F数为2.0,远距比达到0.8。环境温度分析结果表明:在-40 ~60 ℃范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相吻合。     

光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计

环境温度变化导致红外光学系统成像质量变差,利用光学材料热特性之间存在的差异,研究了一种光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计方法。首先,根据远摄物镜基本结构及远摄比建立含参方程;其次,结合不同材料组合及消热差和消色差方程将前组复杂化,获得初始的光焦度分配。最后,利用ZEMAX光学设计软件进行优化、像差校正,设计实例焦距为100 mm,F数为2.0,远摄比达到0.8,全视场角6°。设计结果在-40℃~60℃范围内,成像质量稳定,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限。     

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.     

轻小型折衍射混合红外中波摄远物镜无热化设计

由于红外具有能识别伪装、可昼夜工作和被动工作的优势而被广泛地应用于跟踪和搜索系统。而这些系统要求红外光学系统成像清晰、结构紧凑、可适应较大的温度变化。依据光学被动消热差的方法设计了可在较宽温度范围工作、成像质量优良、结构紧凑、体积小的红外中波摄远物镜,其摄远比可达到0.6。系统参数如下:工作波段为3~5μm,焦距150 mm,F数为3,工作温度为-40℃~60℃。设计结果显示,该系统仅采用3片透镜并利用衍射元件消热差完成了无热化的要求,减少了系统的成本及重量,传递函数在17 lp/mm处均在0.8以上,与衍射极限十分接近,满足在宽温度范围内工作成像质量高及系统小型化的要求。     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计

依据光学被动消热差理论,利用硫系玻璃的热稳定性、长波红外透过特性等优点,对长波非制冷双视场光学系统进行了无热化研究,设计了一个大相对孔径、3 倍变焦的双视场长波红外光学系统。其具体参数为:F/# 为1,焦距为50/150 mm,总长240 mm,采用640480 的焦平面探测器,像元大小为17 m17 m,工作波段8~12 m,系统使用了三种长波红外材料:Ge、ZnS、IRG201。在-40~60℃下,其长短焦处像质均接近衍射极限。     

红外目标模拟器消热差光学系统设计

基于红外目标模拟器的成像特点,以改进型柯克式系统为初始结构,设计一套大视场中波红外消热差光学系统;该光学系统视场30°,出瞳距300 mm,最大口径220 mm,焦距240 mm,基于光学被动消热差原理,采用一片非球面透镜,通过选择合适的玻璃及光焦度,设计的镜头在-40~60℃的环境下空间频率16 lp/mm时MTF优于0.4,有很好的热稳定性和成像质量,结构简单、加工方便,有很强的工程实用性。     

热红外相机光机系统设计

以气象观测应用为目标,提出一种基于非制冷微测辐射计的热红外波段相机光学设计方案,该光学系统焦距60 mm,光谱范围8～14 μm,视场角7°.综合三片分离式结构和双高斯光学结构设计了红外物镜,优化后物镜成像质量达到衍射极限.进行了物镜的无热化结构设计,分析结果表明在-20℃～60℃范围内,物镜成像弥散斑直径接近爱里斑直...     

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8~12μm,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(30lp/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。     

长波红外连续变焦光学系统设计

针对320×240制冷型焦平面阵列探测器,根据机载红外搜索和跟踪系统使用要求,设计了一套高变倍比长波红外连续变焦光学系统。探讨了长波红外连续变焦设计方法,并对变焦系统的无热化和冷反射效应进行了分析。系统由变焦物镜系统、二次成像系统和一个反射镜构成,具有100%冷光阑效率。工作波段为8.7～11.7μm,F#为2.0,变焦范围30～300 mm,工作温度-30～50℃,在空间频率16 lp/mm处,全焦距范围和温度范围内MTF>0.45,接近衍射极限。具有像质好、分辨率高、结构紧凑、质量轻便等优点。     

自由曲面在制冷型离轴三反光学系统的应用

研究了制冷型红外离轴三反光学系统成像原理和优化设计方法。给出了一个应用自由曲面的制冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜组成二次成像的结构形式,将制冷型红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。该系统的工作波段为3~5 m,焦距为450 mm,F数为2,视场为3.6622.931,各视场的调制传递函数在环境温度为-40~60℃的范围内均高于0.5,实现系统的无热化,并且结构紧凑。     

激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统设计

基于激光测距和红外目标探测需求,设计了激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统。系统参数设计如下:工作波段为1.064mm激光和7.7~9.3mm长波红外,入瞳直径均为120 mm;激光焦距为800 mm;长波红外焦距为240 mm,F数为2,视场为2.29°×1.83°。选择带有Ritchey-Chretien(RC)反射系统的折反式光学布局,缩短系统纵向尺寸。光学系统共用主镜和次镜,利用次镜实现激光和红外分光。长波红外采用二次成像结构,达到100%冷光阑效率。通过选择合适的光学材料、结构材料和合理分配光焦度,实现了光学被动式消热差。在-50℃^+70℃范围内,激光接收能量集中度高,长波红外成像质量良好,满足实际使用需求。     

中波和长波红外双波段消热差光学系统设计

为了有效提高目标的红外探测与识别能力,设计了能同时对高温和常温目标成像的中波和长波红外双波段消热差光学系统。所设计的光学系统采用柯克型结构,视场、有效焦距和相对孔径分别为5.5°×4.4°、100 mm和F/2,工作波段覆盖中波红外(波长3～5μm)和长波红外(8～12μm)。通过采用光学被动消热差方法,优化设计的镜头可工作于-60～80℃的环境温度,奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值变化小于0.05。该镜头使用Ge、ZnSe和ZnS 3种红外材料,具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

大相对孔径变焦红外光学系统无热化设计

随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象,一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计,而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理,提出一种变焦光学被动式无热化设计方法,并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1）,工作波段为8~12 μm,F数为0.9,可匹配640×512,像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合,并引入3个偶次非球面,实现变焦无热化设计。设计结果表明:该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性,在空间频率30 lp/mm处,-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好,在红外车载领域有着广泛应用前景。     

折反射中波红外探测无热化成像系统设计分析

系统研究分析了红外光学系统中各个光学参数随温度变化的影响情况,根据红外硫系光学材料折射率温度系数较小的特点,并结合折反射结构良好的消热差特性,应用Code-v光学设计软件设计了一种折反式中波红外探测无热化成像系统,系统工作波段为3.7～4.8 m,焦距为109.7 mm,全视场角为6.4,F/#为2.0,满足100%冷光阑效率,采用锗、硫化锌和硫系玻璃AMTIR1三种红外材料,设计结果表明,该系统在低温-40 ℃、高温60 ℃时的成像质量和常温20 ℃的成像质量变化不大,取得了良好的成像性能,可匹配像元尺寸为30 m,像元数320256的凝视型焦平面阵列中波红外探测器。     

红外双波段光学系统被动式消热差设计

为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。