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。     

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。     

三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计

为了满足多种复杂环境的使用需求,红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置,使物镜实现100%冷光阑效率,同时将这种结构与消热差模型相结合,推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系,并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3~5 m,焦距为88 mm,相对孔径为1:2的红外物镜,各视场弥散斑半径均小于5 m,调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm,获得了很好的成像质量。该物镜在-20℃~+70℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定,验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。     

90°离轴角红外滚仰式导引头光学系统

介绍了一种光机一体化结构的滚仰式红外导引头光学系统。光学系统的部分组件通过四块反射镜嵌入万向节支架,万向节支架由N360运动的滚转框架和90运动的俯仰框架组成,双框架结构进行滚仰式运动,使光学系统具有前半球的观察视场。光学系统为二次成像结构,由前组一次成像物镜、中继镜和后组倒像物镜三部分构成。由于导引头内部存在大的热梯度,前组需要单独消热差,而中继和后组共同消热差。利用热差互补原理的消热差设计方法获得各个透镜初始的光焦度,再由ZEMAX光学设计软件进行像差校正。分析结果表明,当环境热沉浸温度或热梯度温度从-40~80 ℃变化时,成像质量保持稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。光学系统满足光、机、热一体化设计要求。     

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。     

红外系统的光机热一体化设计

在无热光学系统设计中,考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,在满足系统总光焦度要求、消热差和消色差条件下,求解各光学组元的光焦度.在保持光焦度不变的条件下,进行像差平衡,可设计出实际的消热差光学系统.这种在光学设计中融合机械结构热稳定性因素的一体化设计方法,对红外无热光学系统设计具有重要意义.文中详细介绍了f'=45.4mm,D/f'=1/2.5,2ω=lO°的红外成像物镜和f'=160mm,D/f'=1/8,2ω =2.8°的可见/近红外波段干涉成像光谱仪前置镜的一体化无热设计的结果.     

基于PWC方法的折衍混合红外物镜设计

折衍混合设计为选用廉价材料设计像质优良的红外物镜提供了新的途径.基于衍射结构的高折射率模型和传统的PWC方法,分析了折衍混合红外单透镜的光焦度分配和二级光谱;在8~12μm波段,采用GASIR2和AMTIR1红外玻璃,分别设计了可模压生产的折衍混合单片型和Petzval型红外物镜.结果表明:采用新型红外玻璃的折衍混合设计可以代替锗材料设计出具有大相对孔径,且像质优良而廉价的红外物镜.     

紧凑型中波红外成像系统无热化设计

红外成像光学系统应用日益广泛,并且对小型化有了更高要求,因此提出一种紧凑型中波红外成像系统的无热化光学设计。首先针对需求对光学参数进行了分析与计算,根据参数要求采用卡塞格林系统缩短系统纵向尺寸,然后用中继透镜组校正像差,考虑到透镜易于加工、成本低,中继透镜组采用全球面面型,最终实现了卡塞格林系统的次镜到红外探测器之间的尺寸小于47 mm,使系统足够紧凑。通过合理选择材料以及光焦度的分配,推导光学被动消热差方程,计算出系统的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化,最终实现波段为3.7~4.8?m,视场为3°×3°,温度范围-40℃~+50℃消热差结果,在空间频率17 lp?mm-1处,各视场光学调制函数(MTF)值均大于0.5。     

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。     

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。     

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.     

基于波前编码的红外光学系统消热差设计研究

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的表达式.在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20℃)、-40℃和+60℃下的成像质量.分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40～+60℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求.加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计.     

紧凑型长波红外光学系统无热化设计

对于工作环境温度在-40~60℃之间的长波红外折射光学系统来说,由于红外光学材料受温度变化影响非常大,光学系统必须进行无热化设计。在介绍了无热化系统的种类,分析了温度变化对红外光学系统的影响基础之上,基于非制冷型焦平面探测器,设计了工作在长波红外8~12 m,F#为2,视场角为6.8的摄远型物镜系统。采用添加棱镜的方法,使系统在不添加特殊面型的情况下达到无热化的目的,同时使系统结构紧凑,摄远比达到0.69。透镜面型均为标准球面,利于加工、装调、检测。设计结果表明,光学系统的调制传递函数在每个规定温度下均能接近衍射极限,满足了设计要求。     

折衍混合系统在无热化设计中的应用

介绍了几种常见的无热化设计方法,并对衍射元件在无热化设计中的应用进行了重点分析。针对衍射元件在光学被动式消热差系统中的应用,设计了一种长波红外折衍混合消热差系统。设计的光学系统在-40℃~+70℃范围内,实现了消热差和消色差,像质较好,而且结构简单、紧凑,实用性强。     

用于建筑施工质量检测的红外热成像光学系统设计

为适应不同类型建筑的红外非接触式安全与质量检测需求,针对像元尺寸为14 μm×14 μm的1024×768元高性能非制冷长波红外探测器,采用变倍组光焦度为负值、补偿组光焦度为正值的正组补偿结构形式,并合理分配各组透镜的光焦度,设计了一种焦距为30～180 mm、工作波段为8～12 μm、 F数为1.2的大变倍比非制冷红外连续变焦成像光学系统,然后对其成像效果进行了分析。结果表明,该系统在变焦过程中成像质量良好,在探测器36 1p/mm特征频率处的光学调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.3,满足应用需求。     

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。     

可见-近红外无热化连续变焦光学系统设计

变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在?40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。     

红外无热化摄远物镜设计

基于战场环境要求的红外光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点,针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的要求,设计了一种结构紧凑、重量轻、成像质量好和环境适应性强的红外无热化摄远型物镜。针对坦克最大作战距离3km,确定了光学系统的技术参数:f=200mm,F=3,2ω=3.056°,波段8~12μm。比较了当前三种无热技术的优缺点,采用光学被动式方法。设计结果满足在-40~70℃范围内,系统的调制传递函数接近衍射极限。该摄远物镜可用于坦克观瞄镜,满足坦克目标跟踪识别的实际应用要求。     

红外光学系统被动式无热化设计方法

红外光学系统在一定温度条件下会由于温度变化导致系统成像质量变差。利用光学材料热特性之间存在的差异,提出一种光学被动式无热化设计方法,分析了透镜组的消像差方程组并进行求解,讨论了不同透镜材料消热差和消色差的实现过程,利用不同材料合理匹配与合理分配光焦度实现热补偿。针对相同技术指标,设计了两个红外双波段光学系统并对两种系统性能进行比较,结果表明,采用热补偿措施的红外系统在-40～+60℃温度范围内弥散圆尺寸变化不大,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限,不同温度下系统焦距的变化不影响成像质量和性能。     

双视场像旋转无热化超紧凑的红外无焦镜头

受孔径边缘光线像差的限制,折射式红外镜头较难在紧凑的外形尺寸下兼顾大口径、双视场、像旋转和无热化。在进一步给定大入瞳距和总长度等约束下,本文依据高斯光学和无热化理论确定镜头的初始结构数据,采用结构等性能方法改进设计和优化过程。为提高镜头的紧凑性,采取视场横向切换、远摄物镜轴向压缩、非球面校正高阶像差、材料搭配与主动调焦相结合实现无热化等措施。设计了窄视场入瞳直径160 mm、长度仅345 mm的长波红外无焦镜头,在-40 ℃~+60 ℃范围内MTF和能量集中度接近衍射限,畸变<3%,满足前视红外成像和搜索跟踪系统远距离探测和测角的使用需求。对装调要点进行了简要讨论。该镜头具有较好的可生产性,验证了本文方法的实用性。