一种紧凑的红外消热差光学系统

介绍了温度变化对红外光学系统的影响.仅用硅和锗两种常用红外材料,设计了三片折射式消热差红外光学系统.设计结果表明,在-40～+60℃温度范围内,具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射限,且具有结构简单、体积小、成本低等优点,可应用于军事或空间红外光学系统.     

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。     

论红外光学系统消热差技术中的归一化系数

温度变化对透镜成像效果的影响称为热差.为了使透镜在一定温度范围内具有稳定的成像质量,通常需要通过采取某些补偿措施来实现消热差.归一化系数是消热差数学模型的重要组成部分.讨论了归一化系数的概念及其在消热差技术中的应用情况.基于国内相关文献资料,介绍了红外光学系统消热差技术的发展思路与动态.     

实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统

论述了利用衍射光学元件的环境温度特性实现光学系统消热差的原理和设计方法,给出了8－12μm波段内、焦距123mm、相对口径1／2．5在20－50℃温度范围内实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统的设计和评价结果;叙述了用NANOFORM250型金刚石微表面发生器在Ge单晶平面基体上加上衍射元件的主要过程和测试结果,最后给出了在不同温度下用英国Ealing传递函数仪测试系统性能的测试结果。     

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.     

被动消热差的大口径离轴光学系统

为了提高大口径离轴反射式光学系统的环境适应性,设计了被动消热差的大口径离轴光学系统。首先通过技术比较,确定了机械被动式的补偿路线。随后通过光学和机械材料的选取、光机结构的优化和补偿结构的计算,利用简单机械结构实现了系统的无热化。最后对系统的设计结果进行了仿真,分析了系统在-40 ℃、20 ℃和+55 ℃的光学传递函数。分析结果表明,利用该方法实现的大口径离轴光学系统完全满足温度补偿的要求,同时具有体积小、重量轻、易于实现且补偿精度高等优点。     

红外7.5～10.5μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外7.5μm～10.5μm波段的红外折射/衍射混合消热差光学系统并进行了分析.设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点.     

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。     

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。     

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。     

红外折/衍混合光学系统无热化设计

论述了利用衍射元件实现光学系统消热差的原理和设计方法.利用衍射光学元件特殊的消热差和消色差特性,设计了8～12μm波段内,焦距为90mm,F/#为1.5,视场角为±2°,在-40～80℃温度范围内既消热差又消色差的折/衍混合红外光学系统,并给出了评价结果.该系统在工作温度范围内,成像质量接近衍射极限,适用于非制冷红外焦平面阵列热像仪上.     

长波红外非制冷光学系统设计

由于温度变化会导致红外光学系统的成像质量变坏,因此,对于工作环境温度在-45～60℃之间的长波红外折射光学系统来说,无热化设计成为光学系统设计的难点和关键.为研究不同的无热化补偿方式的特点,分别设计了基于光学被动式无热化补偿和基于机械被动式无热化补偿的两种长波红外非制冷光学系统,对比分析了两种光学系统的优缺点,给出了选择无热化补偿方法的基本原则.     

国外温度补偿自调焦红外光学系统研究的述评

本文分析了红外光学系统的热离焦现象,并对这种热离焦对热象仪性能指标的影响和国外实现温度补偿自调焦的三种方法进行了综合评价。     

光学软件热分析方法和消热差镜头设计

光学系统的性能易受工作温度的变化影响,因此设计光学系统时需要进行热分析并采用无热化设计方法进行优化。本文研究了工作温度对光学系统性能的影响,介绍了光学元件的热分析参数,并讨论了光学系统的结构参数与温度变化之间的关系,然后指出了Code V软件在热分析功能上存在的不足,在研究热分析的原理后,通过编写宏文件的方式,分别从光学元件间隔计算和光学材料折射率计算两个方面进行改进,最后利用Code V软件进行了一款消热差镜头的优化设计工作。该镜头的焦距为28mm,F数为22,视场角为160°,工作温度范围在-20～85℃。设计结果表明,在整个工作温度范围内,系统成像质量良好,满足使用需求。     

有机材料在光限制中的应用

对光限制器件的特性进行了简单的评述,并对由自散焦过程产生光限制的机理进行了分析.采用z-扫描方法对有机材料分散红一的非线性折射过程和光限制特性进行了实验研究.对其结果进行了分析讨论,这种分析对于以自作用效应产生最佳光限制效应是十分有用的.     

红外成像光学系统进展与展望

随着红外焦平面探测器向大面阵、多维度(例如双/多波段)信息获取、高灵敏度的第三代探测器技术发展,对红外成像光学系统的设计、光学元件加工、光学膜镀制、红外光学系统装调与测试等方面提出了新需求.本文在简述第一代热成像系统红外光学、第二代红外/热成像红外光学的基础上,梳理了第三代红外/热成像系统对红外光学的要求,综述了第三代红外成像光学系统解决这些新要求的技术进展,并展望了新技术的发展趋势.     

红外光学系统冷反射分析和定量计算方法

红外光学系统冷反射指制冷型探测器看到自身的反射像,它严重影响红外光学系统的图像质量。光学系统设计中控制冷反射的强度往往与提高光学系统像质和满足边界要求之间是矛盾的。详细介绍了冷反射强度仿真分析和评估方法,提出了冷反射辐射的信号与系统噪声之比的定量计算模型。对两套红外系统的冷反射强度进行了仿真分析和实验测试。研究结果表明,冷反射强度实验测试与仿真计算结果一致,冷反射仿真分析和定量计算在光学设计中能够有效地评估冷反射强度,保证光学系统设计质量。     

8～12 μm波段折/衍混合红外连续变焦光学系统

针对长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12 μm波段折,衍混合红外连续变焦光学系统.该系统采用机械补偿的变焦方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为1.0,系统变焦比为4:1,在一定焦距范围内可实现连续变焦.变焦系统仅采用锗材料,通过引入衍射面和高次非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率14 lp/mm处,全焦距范围内MTF均在0.7以上,成像质量较好,可以连续变焦,并给出了变倍组和补偿组的变焦运动曲线.