实现高精度红外探测的冷光学技术

高灵敏度、低噪声是红外探测技术的必然要求,实现这一目标的有效手段之一就是冷光学技术。冷光学技术的成熟又进一步促进了红外探测的快速发展。通过查阅相关文献资料,对国外典型地基大口径望远镜制冷红外设备的冷光学部分作了简要介绍,从工程应用的角度阐述了红外光学技术的各要素,如低温恒温器制作、光学和机械结构设计、探测器安装等在冷光学处理中的设计要点和注意事项。     

基于长波红外成像系统的红外辐射特性测量方法

地基红外成像系统是靶场领域实现目标跟踪、实况记录成像的重要成像设备之一。配有高性能红外辐射定标系统的地基长波红外成像系统,可对低温以及常温目标实现高精度辐射特性测量。通过建立制冷型红外辐射特性测量系统的辐射测量模型,在7.7~9.3 μm长波波段利用某光学口径为600 mm的长波红外辐射测量系统实现了对目标的高精度测量。实验结果表明,辐射测量的精度为16.81%,能满足靶场对高精度辐射测量的要求。     

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。     

双色低温红外光学系统设计EI北大核心CSCD

针对当前空间环境单一、红外波段探测目标虚警率高、灵敏度低等难题,提出了一种基于低温冷光学技术的双色红外光学系统设计方法。光学系统前置光路采用共口径式结构,通过分光平板进行谱段分光,然后采用中继镜组二次成像的方式实现冷阑匹配,保证系统的轻小型化。另外,为了提升长波系统的探测灵敏度,对其进行了低温冷光学设计,减小系统自身辐射对探测性能的影响。系统的工作波长为3.7~4.8μm和7.9~9.3μm,F数为1.2,光学结构三维总尺寸为260 mm×150 mm×80 mm,中波系统畸变小于2.8%,约有82%的能量集中在探测器的一个像元内,长波系统畸变小于0.33%,约有70%的能量集中在探测器的一个像元内。该系统可对空间弱目标进行远距离探测,具有虚警率低、灵敏度高、结构紧凑等优点。     

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?m,可见光0.45~0.9?m,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。     

制冷型大面阵自由曲面离轴三反光学系统设计(特邀)EI北大核心CSCD

针对超大面阵红外遥感探测的需求,设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构,具有实出瞳并与冷光阑匹配,能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比,该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器,具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm,工作波段为1.5~5μm,工作F数为5,视场为30°×25°。结构上,主镜采用偶次非球面,次镜和三镜采用XY多项式自由曲面,以校正大视场下的各种像差,系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4,满足大面阵红外探测器的成像质量要求。     

机载红外推扫成像光谱仪光学设计

红外成像光谱仪适用于火山活动探测、森林火灾监测、城市化影响分析、地球表面研究及军事伪装识别等方面。文中基于Dyson 中继系统,设计使用波长范围为7.5~10 m 的长波红外成像光谱仪,采用凹面衍射光栅分光,系统F 数达到1.2,视场角18,空间分辨率为1 mrad,光谱分辨率为50 nm,NETD 小于0.3 K,调制传递函数接近衍射极限,光学系统体积为72 mm39 mm39 mm。该系统具有集光本领强、固有像差小、结构紧凑等优点。对其杂散热辐射分析表明,采用实入瞳作为冷光栏和整体制冷的方法,能有效地抑制光机系统自身的热辐射。     

非制冷型中长波铟砷锑探测器

工作在中、长波红外波段(波长5~12μm)的红外探测器在红外制导、红外成像、环境监测及资源探测等方面有着重要而广阔的应用前景。目前中国军用和民用对这一波段的非制冷型、快速响应的光子型红外探测器有迫切需求。文中用熔体外延(ME)法在InAs(砷化铟)衬底上生长的InAs0.05Sb0.95(铟砷锑)厚膜单晶,制作了高灵敏度、非制冷型、中长波光导型探测器,探测器上安装了Ge(锗)浸没透镜。傅里叶变换红外(FTIR)吸收光谱显示InAsSb材料的本征吸收边出现在波长8μm以后。InAs0.05Sb0.95探测器的光谱响应波长范围为2~9μm。室温下,在波长6.5μm处的峰值探测率Dλp*达到5.4×109 cm·Hz1/2·W-1,在波长8.0μm和9.0μm处的探测率D*分别为9.3×108和1.3×108 cm·Hz1/2·W-1,显示了InAsSb探测器的优越性能及对红外探测和成像的应用前景。     

中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器,探讨了红外连续变焦系统的设计方法,并在考虑红外吊舱使用要求的基础上,设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5~×连续变焦光学系统.该系统工作波段3～5μm,F~#为2.0,变焦范围30～150mm,变焦轨迹短而平滑,且在全焦距范围内成像质量良好.系统由7片透镜组成,采用二次成像结构,在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸.     

星载高分辨率红外双谱段遥感器光学系统设计北大核心CSCD

针对高精度红外遥感成像的应用需求,提出了高空间分辨率、高噪声等效温差和大幅宽的中波/长波红外双谱段遥感成像技术方案,在太阳同步轨道获取地面目标的中波和长波红外辐射信息,谱段范围分别为3~5μm和8~12μm,中波红外谱段空间分辨率优于5 m,长波红外谱段空间分辨率优于10 m,幅宽大于20 km,噪声等效温差优于60 mK。根据噪声等效温差和光学传递函数等要求优化了光学系统指标参数,分析了二次成像同轴三反光学系统的冷光阑匹配原理,计算了光学系统初始结构参数,设计了光阑匹配型和出瞳匹配型中波/长波红外双谱段一体化光学系统,比较了两种方案光学系统的冷光阑匹配效果。     

红外星表在地基红外辐射测量系统中的应用

国内已知的红外星库数量有限,辐射照度、覆盖波段范围小,分布密集度低,无法满足现有地基红外辐射测量系统天文标定的需要。根据系统的探测波段考察并选取IRAS、2MASS、WISE、AKARI 4个全空域巡天计划及其生成的红外星表。综合考虑大气弥散、大气衰减的影响,分析计算系统在短波红外1~3 m、中波红外3~5 m、长波红外8~10 m的极限探测能力及在对应点源星表中的最低可探测的星等。搜索选取可供系统观测的恒星,结果显示在短波选取4 599个恒星目标,中波选取125个恒星目标,长波选取1个恒星目标,为我国现有地基红外辐射测量系统天文标定及红外星表进一步应用提供理论依据。     

紧凑中波/可见摆扫成像装置光学设计与分析

为了在空间限制严格的条件下,实现远距离、双波段、摆扫成像要求,采用双波段折反缩束镜、双快反镜及紧凑的单波段透镜后组,并通过优化设计,建立了一种紧凑型双波段摆扫成像光学系统。其中,双波段折反缩束镜由RC系统、CAF₂分色棱镜、及单波段透镜组组成,分别在0.6~0.9 μm及3.6~4.9 μm波段取得接近衍射极限的像质,且摆扫成像像移均控制在半个像元以内。该双波段系统中,主次镜间无透镜,可见光系统焦距为1752 mm,光学系统三维尺寸为380 mm (轴向)×Φ360,远摄比达到0.22,线遮拦比为0.34。在无遮光罩的前提下,仿真分析表明,入射角大于30°时,红外PST均小于1×10?4。且该系统加工及装调工艺成熟可控,成本较低。     

红外生命探测仪用光学系统的设计

为了使红外生命探测仪的光学系统具有更大的探测范围,提出了一种新型红外双视场光学探测系统.该光学系统为变焦距光学系统,它利用轴向移动变焦方式使透镜组实现变倍和温度补偿,简化了机电系统结构.该光学系统的工作波段为8～14μm,焦距为35～140 mm,变倍比为3倍.由于选择锗(Ge)和硒化锌(ZnSe)作为透镜材料,F数≥...     

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。     

红外双波段共光路环形孔径超薄成像系统设计

针对中长波红外双波段系统的元件数量多、结构复杂等问题,分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点,给出了系统初始结构遮拦比的计算方法,并设计了一种适用于中长波红外双波段的共光路环形孔径超薄成像系统,焦距为50 mm、全视场为14°、F数为1。系统仅由单一光学元件构成,结构简单且光路紧凑,其轴向尺寸与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3~5 μm波段的全视场调制传递函数大于0.45,长波红外8~10 μm波段的全视场调制传递函数大于0.30,同时实现了?40~80 ℃温度范围内的红外双波段无热化。通过公差分析可知该系统具备可加工性,且基底材料为红外硫系玻璃,可以通过精密模压的方法进行批量化生产。该研究为低成本、小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。     

红外系统自身热辐射导致的分布式探测距离变化分析

探测距离是红外系统应用的重要评价指标,随着制冷型红外探测器的发展,红外系统自身热辐射已成为探测距离提升的重要限制性因素,冷光学设计是抑制自身热辐射的必然选择,因此对冷光学制冷温度指标进行评估和优化成为红外系统设计分析的新问题。文中从红外系统自身热辐射和经典探测距离理论出发,推导了包含系统噪声项的红外系统探测距离计算公式,提出了分布式探测距离的分析方法。以透射式光学系统为例,进行了影响因素灵敏度分析。通过对探测器焦平面进行分区域数据处理,得到了对应探测距离的主要影响表面。在此基础上,分析了在对主要影响表面进行低温处理前后(293.15 K制冷到173.15 K)探测距离的变化。结果表明,探测距离最大提升量达到43.32%,提升效果显著。该方法可为红外系统冷光学设计和评估提供参考。     

外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现

基于外视场拼接原理,研制一套大视场中波红外原理样机。设计一制冷型中波红外光学系统。采用光学系统出瞳与冷屏重合的二次成像结构形式,保证系统具有100%冷光阑效率。工作波段为3.7~4.8μm,焦距为40 mm,相对孔径为1:2,全视场角为21.74°×17.46°(27.88°),系统总长145 mm。采用孔/反射镜分时成像的外视场拼接,实现2×1视场扩展。设计结果表明:在空间频率21 lp/mm处,轴外视场MTF>0.68,接近衍射极限。系统结构紧凑,成像质量较高。利用原理样机完成可行性和合理性验证。