超大视场红外光学镜头设计

超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7～4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围?55～+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。     

论红外光学系统的视场

视场是红外光学系统的一个重要性能参数。视场与光学系统的焦距 成反比。通过改变焦距或者变焦可以调节视场,这一过程的核心是变焦透镜。详细分析了红 外光学系统的视场概念,并主要基于国内相关文献资料,介绍了红外变焦光学技术的思路与 发展动态。     

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%。     

红外双色三视场光学系统设计

从分析红外材料在双波段上的色散特性出发,设计了一款共光路红外中、长波三视场光学系统。系统采用二次成像方式,满足100%冷光阑效率,在两个波段内同时完成了系统各视场的像差校正。设计结果表明,系统在4～5mm中波红外波段及8～9mm长波红外波段焦距、视场及F数均保持一致,各视场光学传递函数在20 lp/mm时均接近衍射极限。     

光学补偿中波红外变焦光学系统设计

针对320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个变倍比为12x的中波光学补偿连续变焦光学系统.该系统由7片透镜和两个反射镜构成,可实现26.7mm/80mm/160mm/320mm四档变焦,工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率.设计结果表明,该系统具有结构简单、透过率高、体积小、像质高等优点.     

静止轨道大视场中波红外光学系统设计

地球静止轨道凝视成像技术是航天遥感领域的重要研究内容。为了实现静轨对地不间断观测的目的,设计了一套覆盖地球全圆盘的大视场中波红外凝视成像光学系统。通过光焦度分配、光线高度控制和冷阑匹配,实现了大视场二次成像光学结构;根据现有面型检测水平,合理分配非球面,解决了多重像差问题。结合实际装调工艺,对温度适应性情况进行讨论。设计得到的光学系统视场达到18°×18°,角分辨率为72mrad。设计结果表明,各个视场的MTF在奈奎斯特频率处（16.7 lp/mm）均大于0.7,像元尺寸内能量集中度大于83%,冷阑效率大于98%。该系统有望在静止轨道红外探测相机、高灵敏度天文卫星等领域实现重要应用价值。     

紧凑型双视场可见光镜头设计

为使观瞄系统以简单、紧凑结构实现探测、识别目标功能,选用光学补偿法设计紧凑型双视场可见光镜头。首先,根据视场、作用距离指标完成相机选型和焦距计算,依据已选相机像元尺寸和最低照度计算F数,并分析双视场光学系统的特点;其次,对比常规的光阑位置固定方案与光阑位置切换方案,得出后者在实现光学总长、最大通光孔径、变焦行程有效压缩的同时,可以实现更大的相对孔径和更好的像质;最终,选用光阑位置切换方案设计了由11片透镜构成,光学总长为150 mm,最大通光孔径为Φ42 mm,变焦行程为35.97 mm的紧凑型双视场可见光镜头。该镜头短焦焦距为32 mm,F数为2.3,满足水平视场角不小于12°、探测距离不小于5 km的要求;长焦焦距为126 mm,F数为3,满足水平视场角不小于3°、畸变小于0.5%、识别距离不小于5 km的要求。设计结果表明,对于焦距32 mm和焦距126 mm,全视场调制传递函数（MTF ）均大于0.45,全视场点列图的均方根 （RMS）直径小于或接近4 μm,整体像质良好。公差分析结果表明,在135 cycles/mm处,全视场MTF大于0.3的概率达到90%以上。     

高集成度四视场中波红外光学系统

为了实现超小型化、长焦距和超大视场,提出并设计了一种高集成度四视场中波红外光学系统。该系统采用双光路结构形式,包括超小视场光路和小/中/大视场光路,两支光路共用中继组;对超小视场光路进行了四次立体折叠,并对小/中/大视场光路进行了二次折叠。通过以上六次折叠,整个双光路光学系统的外形尺寸得到了有效约束,其外形包络在242 mm×150 mm×85 mm (局部125 mm)范围内,系统集成度高。这种双光路光学系统包括超小视场、小视场、中视场和大视场四个视场。其中,超小视场的焦距为688 mm,视场为0.8°;大视场的焦距为13.19 mm,视场为40°,实现了长焦距和超大视场并存,并获得了50×的变倍比;超小视场光学系统仅采用5片透镜,透过率高,并具有光学被动消热差设计;整个双光路光学系统结构紧凑,体积小,实现了超小型化。设计结果表明,该光学系统像质良好,可以满足高性能热像仪的使用要求。     

新型大视场无遮拦三反光学系统设计

针对传统形式三反光学系统难以实现大视场的缺点,提出了一种基于反摄远结构的三反光学系统,并获得初始结构参数求解方程。在反摄远结构三反光学系统中,将主、次镜组成反转伽利略望远镜结构形式,以便简化三反光学系统初始参数的求解方程,最终通过视场偏置的办法实现无遮拦设计。基于上述方法,采用光学设计软件Code V设计了焦距f=100 mm,F数为5,视场为2020。像质评价结果表明,系统在空间频率为50 lp/mm处的MTF值均大于0.6,像质优良。与其他三反光学系统相比,该系统不仅具有大视场,而且仅使用了两块非球面反射镜,降低了系统成本。     

中波红外消热差双视场光学系统设计

介绍了一种切换式双视场红外光学系统设计实例,该系统工作波段为3.7～4.8 μm,变倍比为3倍,采用光学被动式消热技术保证系统在-40℃～+60℃温度范围内保持良好的成像质量.该系统具有结构简单,体积小、重量轻、像质高、环境适应性好等优点.并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.     

大靶面中波红外连续变焦光学系统设计

开展了大靶面中波红外连续变焦光学系统设计研究,设计出了一种机械正组补偿式连续变焦光学系统。该系统的工作波段为3.7~4.8 m,焦距为50~580 mm,F数为4.5;靶面直径为24.6 mm,适用于目前新推出的像元间距为15 m 的1280×1024元制冷型中波红外焦平面探测器。在实现长焦距、高分辨率的同时,可保持光学系统具有大视场角,进而有效提高机载光电系统的目标搜索与识别能力。设计结果表明,本文系统的成像质量高,在30 1p／mm空间频率处的调制传递函数值接近0.2。     

中波红外连续变焦光学系统设计

针对中波红外制冷式凝视焦平面阵列探测器,探讨了红外连续变焦系统的设计方法,并在考虑红外吊舱使用要求的基础上,设计了结构紧凑、质量轻便的机械补偿5~×连续变焦光学系统.该系统工作波段3～5μm,F~#为2.0,变焦范围30～150mm,变焦轨迹短而平滑,且在全焦距范围内成像质量良好.系统由7片透镜组成,采用二次成像结构,在实现冷光阑效率100%的同时缩小了系统径向尺寸.     

防辐射长波红外连续变焦光学系统设计

为解决在强辐射环境中使用红外热像仪时由辐射导致其性能退化迅速的技术问题,基于机械正组补偿式连续变焦结构形式,通过在后固定组中引入反射镜来形成折转式光学系统,避免后端探测器直面前方辐射射线。设计了一种工作波段为8～12 μm、F数为1.2、焦距为25～90 mm的非制冷红外连续变焦光学系统。结果表明,该系统结构合理、成像良好,在探测器对应的特征频率42 1p/mm处的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值大于0.2,满足应用需求。加工装调后,经实际成像测试,验证了设计的准确性。     

长波红外双组联动连续变焦光学系统设计

研究了双组联动长波红外连续变焦光学系统设计,设计了工作波段为7.7?m～9.5?m,焦距为30 mm～360 mm,F数为2.24的双组联动连续变焦光学系统,设计结果表明,成像质量好,在331p/mm空间频率处的调制传递函数值均超过0.15.     

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。     

光控光开关的研究进展

对前人提出了多种光开关的方案和最新研究成果进行了概括和总结,按照光开关所能处理的信号类型,将其分为两类,即基于二光平的光控光开关和基于ＲＺ码（弧子）的光控光开关,分析和研究了其工作原理和开关特性,对两类光开关的性能进行了比较。     

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12 μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器.     

20×长波红外连续变焦光学系统设计

针对384×288长波量子阱焦平面探测器,设计了一个变倍比为20×的长波连续变焦光学系统,其工作波长范围为8~9μm,F数为3,可实现18.5~367 mm的连续变焦.该系统由机械补偿变焦物镜和二次成像系统组成,包括6片透镜和2片反射镜,具有大变倍比、高分辨率、小体积、高像质等优点,并用ZEMAX光学设计软件进行了仿真计算和像质评价,在奈奎斯特频率20 lp/mm处,系统全焦距范围内的MTF接近衍射极限.     

5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统

介绍了一个变倍比5×的长波红外连续变焦物镜系统的设计结果,该系统采用光学补偿的变焦方式.光学系统的F#和探测器的相匹配,恒定为2,冷屏效率100%.对4个视场严格校正了像差,各个视场的MTF曲线均接近衍射限.采用二次成像方式对光学系统的横向尺寸进行了约束,通光孔径被约束在(0)134mm以内.为了进一步减小系统的轴向尺寸,对系统的光路进行了折转.光路折转两次后,系统的体积约为290mm×165mm×140rnm.