温度梯度对红外光学系统成像质量的影响

利用有限元分析方法对温度梯度环境下的红外光学系统进行仿真分析,并对系统的成像质量进行了评价。利用ANSYS软件建立了某红外光学系统的有限元模型,分析了红外透镜在温度梯度作用下的镜面面形变化;用Zernike多项式拟合变化后的镜面面形数据,并将Zernike系数代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后光学系统的成像质量。结果表明,轴向温度梯度和径向温度梯度均会使光学元件的面形发生变化,使光学系统产生像差,导致系统的成像质量下降。在温度梯度相同时,径向温度梯度对成像质量的影响比轴向温度梯度更严重。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

不断发展的红外变焦透镜

近年来，红外变焦透镜系统取得了长足的进步。这些进展包括：变信范围的扩展；性能的改善；尺寸和重量的减小；小型化和复杂化等。本文将叙述红外变焦透镜设计应用的发展。同时阐述几家公司在变焦系统方面的工作情况，提供加工方面公差技术的参考，还将介绍瓣发明的反射式变焦系统，并提出将来发展的几点建议。     

透射式红外光学系统的光机热集成分析

利用有限元软件ANSYS建立了透射式红外光学系统的有限元模型,并对其进行热应力分析。以Zernike多项式为接口工具对变形后光学透镜的面形进行拟合,将得到的Zernike系数、透镜间隔的改变量和材料的折射率变化量代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后系统的光学性能。分析结果表明,温度改变使光学透镜的面形发生严重变化,并且使光学系统的像面产生漂移,导致系统的光学性能下降;光机热集成分析方法在红外光学系统中的应用,可以预测热环境对系统的光学性能的影响,为光机系统设计提供参考。     

衍射微透镜阵列的光学性能研究及测试

对衍射微透镜阵列的光学性能进行理论上的研究,并提出一种测试微透镜阵列衍射效率和点扩散函数的方法,建立了一套测试系统,并对本所研制的128×128衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.测试结果证明本所研制的2位相的石英和硅衍射微透镜阵列的性能较好,均匀性较高;而由于工艺和光刻系统的限制,4位相衍射微透镜的制作还存在一些不足,这些都可以从所得到的衍射微透镜的点扩散函数曲线图和衍射效率看出.该方法适于测试具有微小单元尺寸、周期排列的微透镜阵列或单元的衍射效率和点扩散函数.     

非线性锥形梯度折射率透镜的光学特征

本文对非线性锥形梯度折射率透镜进行了分析,根据稳态自聚焦理论以及ABCD定律,导出了高斯光束通过这种透镜光斑尺寸及其位置的公式。讨论了几种特殊的情况,得到了一些重要的结果。     

轴向梯度折射率材料在光学透镜中的应用

过去4年中，大尺寸轴向梯度折射率（AGRIN）透镜材料已从一种具有内部光弯曲特性的新奇珍品演变成能做成具有λ／50均方很透射的f／2．5球面单透镜的商品化成像材料。由原始的漫射玻璃过渡到经周密策划和很好定量化制作普通尺寸透镜的过程需有材料科学、光学设计技术、计量术、理论和销售方面的综合组合。大尺寸AGRIN透镜材料现在已能买到，设计软件已做成很有效的光学设计码。然而，这种材料的广泛使用还有待努力。设计人员必须解决与其使用有关的实际问题以及解决竞争性技术（主要是普通透镜和非球面透镜）之间的选择。均匀性透镜材料…     

有相等性能的非球面和梯度折射率锗单透镜的设计和公差

本文研究有相等性能的两种不同非球面单透镜、四种类型的轴向梯度折射率单透镜和一种径向梯度折射率单透镜的厚度、曲率、基本折射率和特定系数(非球面的及梯度的)灵敏度的公差。结果表明,其线性轴向梯度贯穿透镜的单透镜,公差最松,其次按顺序是:有抛物线轴向梯度的单透镜、前表面为非球面的单透镜和第一表面为抛物线的轴向梯度单透镜。     

消热差红外镜头热光学特性分析

机械被动式消热差红外镜头的诞生解决了传统红外镜头在高低温下,由于温差原因产生不同的离焦量导致镜头成像质量下降的问题。本文以某款机械被动式消热差红外镜头为研究对象,对其进行了热光学特性分析。首先,在ANSYS中建立有限元模型,通过齐次坐标变化运用最小二乘法得出刚体位移。然后,通过Fringe Zernike多项式拟合得到面形变化。最后,在MATLAB平台下编写了基于施密特正交化法的接口程序,将37项Fringe Zernike系数导入到Zemax中进行分析。分析结果表明：在高低温时,由于补偿组的作用,镜头的轴向离焦量得到良好的补偿。高低温时镜片面形会发生变化,在低温时,镜头的成像质量略差于高温。镜头总体成像质量符合使用要求。     

基于径向梯度折射率透镜的消色差光学系统的设计

提出了一种基于径向梯度折射率(gradient index, GRIN)的消色差透镜,有效抑制了光学系统的色差效应。首先,利用径向GRIN透镜较低的球差和像差以及更优良的聚焦成像、更高的光学耦合效率的优势,实现了径向GRIN透镜的消色差光学系统的设计,消除了高阶像差。其次,通过对ZEMAX操作数POWR和SPHA的控制,分别对光学系统的光焦度和球差进行了优化设计。最后,推导并建立了径向GRIN透镜消色差光学系统的光焦度和色散模型,进行了径向GRIN透镜与常规胶合透镜的消色差效果对比实验。实验结果表明,径向GRIN透镜可以实现在波长范围486—656 nm良好的消色差功能,且消色差效果明显优于常规胶合透镜。径向GRIN透镜的弥散斑在艾里斑内,镜头聚焦情况良好,像差基本矫正且达到衍射极限,符合消色差透镜的良好成像要求。     

空基跟踪平台变焦镜头光机热集成分析

针对空基光电跟踪平台可见光变焦镜头进行光机结构设计及光机热集成分析。依据跟踪镜头-20~50 ℃的温度适应性指标要求,对变焦镜头进行光机集成分析。首先,建立了变焦镜头的有限元模型。其次,采用Patran软件对光机系施加温度载荷计算镜头的热弹性变形,利用Nastran软件计算个各光学元件镜面节点变形后的点云刚体位移。最后,采用 Sigfit光机接口软件分析温度载荷工况下各光学组件镜面Zernike系数,将分析结果导入Zemax中考核镜片面型变化以及刚体位移变化对MTF的影响。分析结果表明:在-20~50 ℃的温度载荷下,光学系统全视场的MTF @100 lp/mm值均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验对变焦镜头的温度适应能力以及光机集成分析准确性进行实验。     

硫系玻璃在民用红外车载成像系统中的应用

针对324256非制冷探测器,设计了一个工作波段为8~12 m,有效焦距为9 mm,F数为1.3,视场角为33.2626.28的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片,结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片,通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点,仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能,且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。     

秸秆焚烧火情监察红外变焦距光学系统设计北大核心CSCD

针对秸秆焚烧区分布广且分散的特点,采用远程监控可为科学管理和安全生产提供极大帮助,可在发生火警、污染物排放等情况发生时,实时高效地处理突发事件并降低损失。基于上述需求,本文采用红外变焦距光学系统对焚烧区异常情况进行监视,变焦范围为34.5~77.5 mm,变焦系统基于库克三片式光学结构进行优化,优化后光学系统在成像距离为100~2000 m时地面景物分辨率优于1 m,系统信噪比(SNR)为34.53~70.34,变焦过程光学传递函数在奈奎斯特频率下均在0.4以上,实现了100~2000 m距离范围清晰成像。     

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。     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

红外图像模拟中的红外光学系统影响分析

基于红外成像原理对红外图像的模拟进行了分析,指出现有的红外图像模拟方法主要考虑被成像物的辐射能量分布以及红外探测器像元的视场划分,而忽视了热像仪光学系统对红外辐射信号的衍射效应,从而导致模拟的红外图像边界过于清晰与生硬,影响了模拟图像的逼真度.为考虑衍射效应对热图的影响,利用高斯点扩展函数对模拟热图进行卷积处理,结果表明:处理后的模拟红外图像细节更为逼真,有效的解决了模拟红外图像中边界过于明显的问题,在一定范围内提高了模拟红外图像与真实红外图像的相似程度.