折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统设计

针对反射式双模位标指示器视场小、中心遮拦、能量低等问题,提出一种折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统。基于消色差理论和MRTD模型分别推导了光学系统波段间消色差公式和作用距离方程。设计的双波段光学系统具有共焦距特性,从而实现了双波段同步探测以及识别目标信息的一致性。折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统工作波长为3.4~4.8 m、7.7~9.5 m,俯仰、偏航视场为-26~26,焦距115 mm,F数为2。结果表明:在-40~60℃温度范围内消热差,成像质量接近衍射极限。     

机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计

针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差（MRTD）模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在?40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。     

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3～5μm及8～12μm,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.     

可见光、中/长波共口径共焦距光学系统设计

为满足系统对环境探测的高分辨力、高准确性,提高光学系统在复杂环境下的探测能力,同时针对多波段光学系统光路转换速度慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光、中/长波三波段共口径、共焦距光学系统。三个波段共用一组光路,系统同时接收可见光、中/长波三个波段的目标信息,通过焦距补偿使得三个波段焦距相等,提高三个波段目标信息的一致性。系统焦距为12 mm,视场为36°,可见光波段在奈奎斯特频率为80 lp/mm时传函值高于0.53,中红外波段在奈奎斯特频率为20 lp/mm时传函值高于0.5,长红外波段在奈奎斯特频率为20 lp/mm时传函值高于0.36,系统整体成像质量良好,在-40~60℃温度范围内对系统消热差。     

共光路红外双波段小型化光学镜头分析与设计

针对中长波共光路小型化光学系统设计需求,建立了基于高斯光学与初级像差理论且尺寸受限下的二次成像结构光学指标分配模型。主镜因其边缘光线高度高和承担的光焦度小,其球差、色差和二级光谱是该系统像差的主要来源,为矫正二级光谱,可使用“-、+、-”结构形式的高、中、低相对色散材料的透镜组合作为主镜结构,此时主镜的残余像差较小,采用场镜降低中继镜组光线高度以及非球面矫正球差等方法平衡主镜残余像差。最后开展实例设计,对提出的小型化设计思想进行验证,设计了中波波长3.7～4.8μm、长波波长7.7～9.5μm的共光路双波红外小型光学系统,总长不大于135 mm,结构小巧紧凑,光学传函接近衍射极限,工作温度范围-40～60℃,且对温度不敏感。实现了基于二次成像结构光学指标分配模型的中长波共光路小型化光学系统分析及设计,满足中长波共光路小型化光学系统需求。     

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。     

可见光/中波红外双波段共口径光学系统设计

设计了适用于制冷型640×512中波红外凝视焦平面阵列探测器和1920×1080的CCD的可见光/中波红外共口径光学系统.该系统在中波3.6~4.8 μm,可见光0.45~0.9 μm,环境温度-40℃~60℃工作,可见光系统焦距500 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4;中波红外系统焦距600 mm,视场角为0.38°×0.43°,F/#为4.8,满足100%冷光阑效率.本设计利用共用卡塞格林系统,利用分光镜实现可见光与中波红外光谱分光,之后接各自校正像差的镜组.该系统满足工程光学的要求,能够良好成像,双波段系统在-40℃~60℃环境温度下的也能够正常工作,并能够实现可见/中波红外远距离识别.     

双波段消热差红外鱼眼光学系统设计

双波段鱼眼红外光学系统可以获取中波和长波两波段的图像信息,同时由于其大视场的特性,可以大大增加目标信息获取范围。根据光学系统的设计要求对光学系统进行了设计,全视场196,4.4~5.4 m/7.8~8.8 m波段内清晰成像,考虑到冷光栏的制冷效应,F#严格与冷光栏匹配,达到100%的冷光栏效应。推导了大视场被动消热差公式,通过对玻璃材料的优化选择,达到了双波段消热差,所设计的光学系统结构相对简单,成像质量较好,系统各个波段在-40~60 ℃的工作温度下实现了消热差,满足使用需求。     

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。     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

折衍射混合成像光学系统设计

讨论了衍射光学元件的特殊成像性质;提出了带宽积分平均衍射效率的概念和应用;给出了作者在国内外完成的几个折衍射混合成像光学系统的应用实例。包括一个用衍射光学元件复消色差的长焦距光学系统,一个仅由两个镜片构成的CMOS相机光学系统和一个较复杂的中等焦距、大孔径、大视场照相系统。这些系统突破了传统光学系统在结构、性能、体积和重量方面的限制,在光学设计理论上具有重要意义,在工程应用上具有重要价值。还介绍了国外衍射光学制造技术和折衍射混合成像光学系统应用方面的最新进展。     

实用双波段共孔径光学系统设计

针对用于目标定位、威胁告警以及搜索跟踪等方面的双波段共孔径光学系统进行了研究,设计了一款将长波红外与激光相结合的双波段系统;该系统采用折射光学系统形式,在光路中采用分光片进行分光。该系统红外波段传递函数值在25lp/mm时所有视场均大于0.2,在激光波段0.7视场以内弥散圆直径小于0.6 mm,且该系统结构紧凑,既能满足目标搜索在捕获阶段的探测视场比较大的要求,又满足目标识别跟踪阶段的高分辨率要求,具有一定的实用价值。     

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。     

基于谐衍射的共轴双波段红外光学系统设计

随着精确制导技术的快速发展,对两个波段的辐射同时进行探测已显得非常重要,对应的光学系统及其设计需求空前增长。文中根据谐衍射透镜的消色差、消热差特性,在各个较低衍射级次上的共焦以及极高衍射效率的特性,在现有金刚石切削加工能力的条件下应用CODEV 光学设计软件设计了适用于-45~+71℃的共轴双波段红外光学系统,该系统在全温度范围内无需调焦其调制传递函数全部接近衍射极限,光学系统无渐晕,并且达到100%冷光阑效率。该红外双波段光学系统结构紧凑、片数少、透射比高,对于提高导引头的探测精度、识别能力、打击精度有质的飞跃。     

二元球透镜可见/紫外双波段光学系统

提出了利用带二元光学元件的球透镜实现可见/紫外双波段光学系统的新方法.在蓝宝石球透镜中部引入二元光学元件,有效校正了色差及球差;同时利用谐衍射设计,使可见/紫外双波段共用同一二元光学元件.利用光纤面板对像面的补偿,既校正了场曲,又满足半视场0～15°为可见波段,15～35°为紫外波段的实际应用需求.完成了在蓝宝石平面基底上最小线宽为10μm的八台阶二元元件的制作.所研制的系统经测试,在F数为1的条件下,弥散斑小于60μm,与传统的球透镜相比,光斑缩小了1/3.