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.     

折/衍混合红外光学系统无热设计

论述了衍射光学元件的环境温度特性实现光学消热差和消色差的原理和设计方法.给出了3～5 μm波段,焦距70.3 mm,F数为2的在-40～60℃温度范围内实现消热差的折衍混合红外光学系统的设计方法和评价结果,同时为了比较设计了一个与折衍混合系统性能参数一样的全折射系统,比较结果发现折衍混合系统比全折射系统具有更优良的光学性能.它能减小色差,成像质量高,体积小、重量轻,并且在要求的温度范围内性能稳定,使得衍射光学元件在光学领域中有更广泛的应用.     

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.     

折/衍混合红外物镜超宽温度消热差设计

利用折/衍混合透镜实现了超宽温度范围内的光学被动式消热差设计,系统工作波段为8～12μm,全视场角为9.15°,焦距为100mm,相对孔径为1/1.5,总长为128mm,后工作距为10.5 mm.使用了锗和硒化锌两种材料,采用三片透镜,衍射面和偶次非球面的引入,不但能够消除热差,而且使得结构简单、轻量化,很好地提高了成...     

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。     

折衍混合红外双波段变焦光学系统设计

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在?40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。     

折衍混合红外光学系统消热差设计

论述了衍射光学元件的消热差和消色差的温度特性及设计方法,根据折射和衍射光学元件固有特性,设计采用320×256凝视焦平面阵列探测器,工作在中波3~5μm,视场范围为8°×6°的红外系统,该系统使用硅和锗两种红外光学材料。实现了在-40~60℃温度范围内消热差和消色差,像质优良。此系统具有成像质量高、体积小、重量轻、工作温度范围宽的特点,使得折/衍混合光学元件在机载红外成像系统中得到成功应用。     

折/衍混合红外物镜的超宽温消热差设计

为满足红外光学系统高环境适应性和高灵敏度的发展要求,采用折/衍混合结构改进红外3 2~4 2μm波段,F/#为1 5,视场角为±2 5°的Si Ge四片式佩茨瓦尔(Petzval)物镜,实现了-60~160 ℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计.改进系统并保持原系统光学性能参数,在空间频率20 lp/mm处,光学传递函数(MTF)保持在0 .78以上,接近衍射极限,成像质量高而稳定.该系统可用于像元尺寸大于25μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器.     

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.     

折-衍混合型两档变倍红外光学系统设计

当今红外成像光学系统应用广泛,根据需求,越来越多地采用双视场切换式红外光学系统.为了获得成像质量更好、轻量化的光学系统,引入了衍射光学元件进行光学系统设计,从而提高了镜头的成像质量,减少了光学元件的数量,减轻了系统质量.介绍了含有衍射光学元件的两档变倍光学系统的设计原理,设计了一个含有非球面且结构简单、装调容易的折-衍混合的两档变倍的红外光学系统,分别对长、短焦距位置进行了像差分析,该设计能够很好地满足实际工程的需要.设计结果表明采用衍射光学元件的红外光学系统能够有效地改善光学系统的像质,减小光学系统的体积.     

红外场景产生器折射/衍射准直光学系统设计

在红外成像制导仿真系统中,场景产生器是一个非常关键的部分。利用二元光学技术,设计了一种应用于8~14 μm波段红外场景产生器的准直光学系统,视场角为±4°,光瞳直径为100 mm。借助于二元光学器件的独特性质,系统在仅使用两片锗透镜的情况下得到了接近衍射极限的光学质量。     

折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

应用于双色探测器的谐衍射/折射光学系统

根据红外辐射的窗口特性以及谐衍射透镜的特点,将谐衍射透镜成功地引入红外双色探测器系统的设计中,使系统在两个波段内同时较好地完成了系统轴向像差的校正,波前差都小于1/4波长,"成像质量"接近衍射极限。结果表明,谐衍射透镜的光谱特性介于折射透镜与衍射透镜之间,降低了对工艺水平的要求,使系统结构紧凑、片数少、透射比高,具有良好的消像差特性,为红外光学系统设计提供了一种全新的器件。     

红外宽波段双层谐衍射光学系统的设计

相比传统的折反射元件,衍射光学元件和谐衍射光学元件因其独特的色散性能和温度效应在消色差和补偿热差方面有得天独厚的优势,将其应用于混合光学系统,可以简化结构,提高像质。但是二者衍射效率均依赖于波长,降低了宽波段成像的对比度。而双层谐衍射元件可以减弱衍射效率对波长的依赖性。因此,该红外宽波段系统采用双层谐衍射元件,第一层材料为Ge,第二层材料为ZnSe,微结构厚度分别为73.3 m和149.3 m,整个工作波段的衍射效率达到97.5%以上。在Code V中仿真优化得出:混合系统的各种像差性能都比较理想,特别是宽波段8~14 m的色差得到了很好的校正,二级光谱得到较好的控制,系统的调制光学传递函数接近衍射限。最终的性能测试结果显示:各项性能均可满足使用要求。     

折射/衍射混合长波红外连续变焦光学系统设计

为了提高图像的分辨率,提高红外系统的探测距离和探测精度,满足多种条件下的使用要求,基于最新的非制冷型384288凝视型焦平面阵列探测器,设计了折射/衍射混合长波红外连续变焦光学系统。系统工作波长为8～12 m,F数1.5,变倍比25:1。设计过程中,系统引入衍射面构成折/衍射混合结构,校正色差和高级像差,减少了透镜的使用数量,简化了系统结构。最后利用CODE V 光学设计软件进行了优化设计和像质评价,设计结果表明,系统在探测器的Nyquist频率（20 lp/mm）处,所有变焦距位置和视场的MTF值均大于0.4,接近系统的衍射极限。系统具有变倍比大、分辨率高、像质好、结构简单等特点,可应用于众多光电探测领域。     

基于硫系玻璃的折衍混合光学无热化镜头设计

针对非制冷红外镜头高分辨率、批量化和低成本的需求,通过硫系玻璃和锗单晶的材料搭配,利用折衍混合的设计方法,设计一款仅包含三片,可用于枪瞄、车载夜视和安防监控等领域的光学被动补偿无热化镜头。在理论推导的基础上,进行了相应的工程化设计,提出了满足精密模压生产工艺的光学设计方案。实验验证表明,该镜头在-40~55 ℃范围内成像清晰,满足指标要求。在实际工程应用中,具有生产成本低、成像性能好等特点。     

头盔式微光夜视仪中折/衍混合物镜的设计

为了使头盔式微光夜视仪结构更加紧凑和小型化,在成像物镜设计中引入衍射面,利用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)独有的负色散性质和光波面任意相位调制的特点,运用CODEV光学设计软件,设计了焦距为25 mm,视场为40°,相对孔径为1/1.2,全视场畸变≤5%的头盔式微光夜视仪的折/衍物镜系统,并讨论了适用于加工衍射面的结构参量。结果表明在物镜光学性能保持不变的情况下,所设计的折/衍物镜与传统物镜比较,成像物镜在使用两个衍射面后,提高了物镜的成像质量,镜片数由原来的9片减少到了7片,光学总长由原来的75.9 mm缩短为57.8 mm。