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。     

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。     

小型化同心反射式手机镜头设计

基于现代社会对手机镜头高像素、小型化的要求,基于同心透镜原理设计了同心反射式手机镜头。通过光路计算,求解了系统的球差表达式,进一步获得了系统的初始结构。利用光学设计软件设计了光学系统,镜头采用像元大小为1.25 μm的曲面传感器,光学系统的F数为1.8,焦距为2.7 mm,最大全视场角为100°,系统总长为2.7 mm。设计结果表明,在空间截止频率400 lp/mm处,0.7视场的调制传递函数均大于0.34,全视场的调制传递函数均大于0.23,各视场的弥散斑半径均小于艾里斑。在全视场内,相对照度高于0.64,该设计满足手机镜头成像要求。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。     

一种高分辨率短波红外宽温度范围被动消热差光学系统

介绍了一种大视场短波红外光学系统消热差设计。系统工作波段为0.9～1.7μm,分辨率为640pixel×512pixel,光学系统总长55mm。设计结果表明,在空间频率为20lp/mm处,系统工作温度在-40℃～60℃环境下,各个温度下的系统调制传递函数(MTF)值均大于0.6。系统具有高像质、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻等优点。     

激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7～9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为-40～80℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。     

大视场大相对孔径长波红外扫描光学系统设计

采用288×4线阵探测器及二次成像方式设计了一种工作于7.5～10.5μm的大视场大相对孔径长波红外扫描型光学系统,系统凝视视场角为28°×21°,采用摆镜同楔形镜扫描扩展后系统视场角为78°×57°,该系统具有大相对孔径、F数为1.67、高成像质量等特点。由于长波红外可用材料有限,设计中采用锗材料和硒化锌材料校正色差,引入非球面校正系统球差,系统设计结果显示其成像质量接近衍射蓟县,色差矫正良好,在空间频率为20 lp/mm处,调制传递函数(MTF)均在0.3以上,能量集中度大于70%。     

温度对红外光学系统的影响分析及消热差设计

分析了温度对红外光学系统结构参数的影响,计算了温度变化引起系统的离焦量和调制传递函数,给出了红外光学系统消热差设计的基本原理;利用ZEMAX光学设计分析软件,结合实际的长波红外光学系统,分析其在20℃,－40℃和60℃时的成像质量。分析结果表明,该系统在常温时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处达0.6,87.6％的能量集中在探测器的一个像元内,成像质量优良;但是当温度在－40～60℃变化时,系统成像质量急剧恶化,不再满足使用要求,在分析的基础上采用折衍射混合光学被动式消热差技术中对其进行进一步设计,经消热差设计后该红外光学系统的成像质量得到了极大的改善,全视场调制传递函数在特征频率20 lp／mm处达0.55以上,且能量分布集中,满足红外探测系统的使用要求。     

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。     

机械补偿式红外温度自适应光机系统的设计

总结了红外温度自适应光学系统的实现方式,理论分析了机械补偿法的设计过程,研制了一种机械补偿式红外温度自适应光机系统。其光学指标焦距f=50 mm,相对孔径1/1.2,适配长波非制冷红外焦平面探测器,其像素为640×480,像元大小17 m,工作温度:―40℃～+80℃。设计结果表明,各个温度参考点各个参考视场的弥散斑半径均小于系统艾里斑,并且像面照度均匀。在空间频率20 lp/mm处,光学系统的调制传递函数接近衍射极限。利用机械补偿方式实现了系统各项技术指标。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。     

长波红外连续变焦光学系统的设计

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标的优点,在军事上被广泛应用于红外导航、红外侦察以及红外制导等方面。近年来,随着红外光学技术的长足发展,对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。针对320×256凝视型焦平面阵列探测器,设计了长波红外连续变焦光学系统。其工作波长范围为8～12μm,F数为2.5,变倍比为10:1。并用光学设计软件CODE V进行了仿真计算和像质评价,系统在空间频率16 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数在0.35以上,接近衍射极限。设计结果表明,长波连续变焦红外光学系统具有变倍比大、分辨率高、体积小、像质好等特点,可应用于众多光电探测领域。     

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.     

可见光/红外双波段离轴三反光学系统优化设计

为满足多波段、长焦距、大孔径、紧凑结构的设计要求,对反射式光学系统进行了研究。以同轴三反系统的成像理论为设计基础,为避免光学系统遮拦同时提高成像质量,利用Zemax软件介绍了一种优化离轴三反光学系统的方法。与采用ZPL语言的控制优化相比,该方法更加简便、直观,且无需使用复杂非球面,仅采用曲面圆锥系数即可满足设计要求,大大降低了加工、检测的成本和难度。采用视场离轴方式设计出了一种焦距为1000 mm、口径为6 in、视场角为2.2°×0.22°的可见光/中波红外双波段离轴三反光学系统。仿真结果表明,其3～5 μm波段在空间频率17 lp/mm处的全视场调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.4,0.4～0.7 μm波段在空间频率50 lp/mm处的全视场MTF值大于0.7。该系统的成像质量良好,接近衍射极限。     

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统,分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件,系统的主要技术指标为:工作波段3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,总结了3种不同类型光学系统的优缺点。     

20×长波红外变焦光学系统设计

针对红外目标探测等军事应用的实际需求,为了扩大对目标的搜索范围,设计了8～12μm红外波段的20×连续变焦光学系统。该系统采用320×240非制冷焦平面红外探测器,在15～300 mm范围内实现连续变焦,F数为2。系统结构简单,仅由6片透镜组成,并仅引入1个非球面校正系统像差。在空间频率为16 lp/mm 处,变焦范围内的 MTF 调制传递函数均在0.45以上,接近衍射极限,像质优良,像面稳定,可用于坦克红外观瞄系统。     

便携式多波段共孔径光学设计

设计了一款非制冷便携式可见光/红外双光系统,基于共孔径的方式,实现可见光、红外双波段同时观察的目的;可见光光路选用1280×1024的CCD,像元尺寸为3.45μm,视场角为60°,工作波段为486～656nm,光学传递函数值在空间频率50 lp/mm处达到0.3以上;红外光路选用640×512非制冷探测器,像元尺寸为17μm,视场角为60°,工作波段为8000～12000nm,光学传递函数值在空间频率30 lp/mm处达到0.3以上;整个光学系统尺寸约为160mm×100mm×50mm,满足高性能、高集成、小型化、重量轻,无视差等要求。实验证明,该系统在可见光和红外波段均具有良好成像效果,具有较强的市场竞争力。     

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。     

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%。     

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。