中波红外无热化镜头的设计与制造

无热化技术是保证工作在非设计温度下光学仪器性能的关键所在。与主动无热化技术和光学被动无热化技术相比,机械被动无热化技术在红外光学系统消热设计中具有一定的优势。在光学、机械仿真的基础上,镜头采用高膨胀系数的塑形材料以及合理的结构设计实现了无热化设计与制造。测试与试验表明,该镜头在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内具有良好的成像质量。     

红外二次成像无热化光学系统设计与实测

阐述了二次成像红外光学系统相比于一次成像红外光学系统而言,对温度变化更加敏感的特点及其影响,讨论了基于光学被动式无热化原理的二次成像红外光学系统的设计方法。不仅给出了设计的一个红外制冷型二次成像光学系统的实例,还对该无热化镜头进行了实际加热对比成像试验,并给出了成像测试结果。设计结果表明:该系统在-40℃～+80℃的温度范围内,像质接近衍射限,最佳像面变化量在一倍焦深范围之内,焦距变化率低,实现了光学被动式无热化。实际测试结果显示,所设计的二次成像无热化光学系统,具有良好的无热化能力,高温环境下无需调焦依然清晰成像。     

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.     

长波红外地平仪的无热化光学系统设计与实现

长波红外地平仪光学系统受空间应用环境的影响很大,环境温度的变化会引起光学系统的离焦效应,通过理论计算长波红外光学系统的温度适用范围,光学设计结果仿真在该温度范围内光学系统的成像质量,实际光机结构设计时考虑到光学系统的离焦补偿,实现长波红外光学系统的无热化设计.     

基于孔径/视场分割的红外复眼接收系统设计

针对红外复眼子光学系统与接收光学系统的匹配问题,在分析仿生复眼设计模型的基础上,研究了基于视场分割和孔径分割的复眼接收结构,给出子眼系统和接受系统应满足的匹配条件,并以此设计了基于视场分割和孔径分割两款红外复眼接收系统。最终设计的复眼子系统工作波段为7.9~9.7 μm,焦距为6 mm,口径为2 mm。设计的基于孔径分割与视场分割的复眼接收系统焦距均为10 mm,视场均为90°,接收口径分别为16.58 mm和10 mm。系统传递函数在30 lp/mm分别高于0.35和0.40。     

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。     

紧凑型双波段无热化红外光学系统设计

针对红外双波段量子阱探测器,设计了一个可同时工作在4.4～5.4mm（中波段红外）和7.8～8.8mm（长波段红外）波段的仅含3片透镜的紧凑型双波段无热化光学系统,有效焦距为30 mm, f/#为2.1。对比先前报道的双波段无热化红外光学系统,此设计仅采用硫系玻璃材料Ge20Sb15Se65制备的两片镜片和常规红外材料ZnS制备的一片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统在中波红外及长波红外两个波段的无热化设计效果,且不含衍射面,整体结构紧凑,制备难度低。利用硫系玻璃易于精密模压制备非光学球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计一处非球面。设计结果显示,系统在两个红外波段,－40℃～60℃温度范围内像质良好,且光学调制函数（MTF）接近衍射极限。     

大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计

研究了大视场大相对孔径长波红外机械无热化光学系统的设计, 设计了8～12 μm波段内F数为0.8、温度在-40～60℃范 围内无热化的光学系统。结果表明,该系统结构简单,像质好,在空间频率20 lp/mm处的 光学传递函数值大于0.5。     

五通道红外全景光学系统设计

为了实现全景范围内的多目标跟踪搜索,克服连续捕获新目标时出现的低效、实时性差等缺点,提出了一种五通道红外全景系统设计方法.该方法利用空间分布5个视场大于90°的红外物镜与转向系统将五路光汇合成一路光,使用一个探测器代替多个探测器接收方位和顶视的图像信息,实现了方位360°和顶视90°视场范围内的成像,同时降低了系统的设...     

高分辨折反式红外探测系统光学设计

在红外探测中,传统红外焦平面阵列以及单像元扫描式探测器的像元难以分辨更精细的红外光强分布,为了提高红外探测的分辨能力,采用灵敏度高且可以将红外光分布转化为可见光分布的碳纳米管薄膜作为红外激光的接收器,把红外光探测转化为可见光探测,并以此为基础设计了一个折返式的光学成像系统进行红外光高分辨探测。优化并使用柯克式镜组降低了因球面反射镜曲率半径引起的大场曲,从而提高了系统成像质量和分辨率。通过光学设计优化得到了具有高传递函数值（MTF）、低场曲的折反式系统,从而使高分辨率的红外探测系统成为可能。     

高分辨率多点触控红外触摸屏设计

红外触摸屏是大尺寸触摸屏的首选方案,但是实际应用中红外触摸屏普遍存在分辨率不高、响应速度较慢的不足,而且生产环节存在加工组装复杂的弊端。针对以上不足,提出了一种红外屏设计方案。硬件部分设计了二维选通红外扫描电路、接收电路和滤波电路,实现了发射与接收电路的模块化,为加工组装提供了便利。软件部分首先提出了脉冲式红外扫描方式,并给出了基于STM32F205片内Timer和ADC的脉冲扫描实现方法,提高了红外屏的扫描速度;然后介绍了细分扫描的设计思路,并通过二次细分扫描在不增加硬件成本的基础上提高了红外屏触点的定位精度。最后介绍了支持多点触摸的HID报告描述符的实现方法,实现了红外屏免驱安装。实际证明,该设计方案降低了加工制造复杂度,实现了红外屏即插即用,有效地提高了红外触摸屏的分辨率和响应速度。     

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。     

基于LCTF的大幅面高分辨率多光谱仪光学系统设计

将液晶可调滤光片（LCTF）应用到真彩色多光谱图像采集中,设计了一款大面阵、高分辨率、轻小型的多光谱成像系统。系统利用LCTF 空间分辨率和光谱分辨率高、波长选择灵活、调谐时间短等特点,可实现幅面大小约210 mm148 mm,分辨率达到350 ppi 的多光谱图像采集,工作谱段为420~720 nm,光谱分辨率为10 nm。结果表明,该成像系统在空间频率为91 lp/mm 时,31 个波段处轴上0 视场和轴外1.0 视场的传递函数均0.30,全视场畸变0.1%,成像质量良好,可用于大面阵、高分辨率多光谱图像的采集与分析。     

非均匀温度场下红外热成像仪温控系统设计

为降低外界环境温度和内部发热元件形成的非均匀温度场对红外热成像仪的成像性能影响。通过Proe和Ansys ICEPARK建立红外热成像仪的有限元模型,在红外镜头表面进行黑色阳极氧化、喷砂处理增强辐射换热,以及安装风扇增强对流换热保证高温环境时的散热,低温环境时采用热电阻进行温升设计,并仿真分析红外热成像仪在不同温度环境下整机内部温度分布和红外镜头温度分布情况,并利用在高低温箱的红外热成像仪来观察平行光管中的靶标图的成像质量,验证温控设计的高效性。结果表明:所采用温度控制电路板对风扇与热电阻能进行温度控制,当环境温度下降至0℃和升高至30℃时,启动温控系统使红外热成像仪光学系统温度正常,保证红外热成像仪的成像质量。     

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合十二五期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。     

极光成像仪滤光片高精度温度控制系统设计

针对广角极光成像仪滤光片组件的温度控制需求,设计了一种高精度温度控制系统。使用铂电阻作为测温传感器,测温电路可以达到0.05℃的温度采集精度;使用DSP作为主控制器,实现了滤光片温度的全数字控制;使用恒流源电路作为加热片的驱动控制电路,实现了加热功率的高精度、低噪声控制;建立了滤光片组件温度控制系统的数学模型,结合实际系统的阶跃响应曲线辨识得到系统模型参数,设计了系统的控制器,进行了仿真,给出了控制器的性能曲线;通过滤光片组件温度控制系统实验对控制器参数进行了整定,得到了优化的控制器参数。最后,给出了系统的实际温度控制结果,表明系统能够实现滤光片的高精度温度控制。     

可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

为满足高光谱成像仪在365~1000 nm波段范围的成像需求,设计了一款中等视场角、大相对孔径的复消色差物镜。从初级色差理论出发,分析了可见近红外波段的玻璃材料的色散特性,为光学设计选择玻璃材料提供了理论依据。设计结果表明:通过对低色散氟冕玻璃的合理使用,物镜在宽波段内的色差得到了良好校正,二级光谱仅为0.014 mm。物镜焦距18 mm,相对孔径1∶2.4,视场角30°,成像质量接近衍射极限,满足高光谱成像仪的设计要求。     

长焦距高分辨率红外两档变焦光学系统设计

针对中波制冷型640512凝视型焦平面探测器,设计了一款长焦距高分辨率中波红外两档变焦光学系统。该系统工作波段为3.7～4.8 m,F数为4.0,长焦距为800 mm,短焦距为400 mm,采用二次成像技术不仅减小了前固定组镜子的口径,而且实现了100%冷光阑匹配。系统采用锗和硅两种红外材料,通过引入非球面来校正轴外像差和高级像差。设计结果表明,系统在33 lp/mm处,短焦距和长焦距的传递函数值均优于0.2,全视场畸变小于0.5％,具有结构紧凑、分辨率高、像质好等优点。     

轻量化折衍混合中波红外热像仪光学系统设计

基于一个传统的折射式中波红外热像仪,采用CODE V软件设计了一个轻量化折衍混合热像仪光学系统,该系统采用全硅材料,衍射面设计在硅透镜聚乙烯涂层上,混合系统光学参数为f'=150 mm,F/#=2.0,2w=4.6°,波长范围3.7～4.8μm.精确计算了衍射光学元件的面形参数,得到衍射环最小周期为1 405.2μm.对传统折射式热像仪和折衍混合热像仪的像差特性进行了对比,结果表明:折衍混合热像仪的像质较传统折射式热像仪的像质得到明显改善.折衍混合热像仪的重量仅为传统折射式热像仪重量的40%.