谐衍射红外双波段双焦光学系统设计

利用谐衍射透镜相关特性,结合中波红外、长波红外的特点,以及变焦系统的基本原理,成功设计了仅含有四片透镜的红外双波段双焦光学系统。设计结果表明,系统具有100%冷光栏效率,在3.7μm～4.3μm的中波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.7;在8.7μm～11μm的长波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.5,均接近衍射极限。     

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7~4.8μm和长波红外8.5~12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示,在中波红外波段18lp/mm处,光学调制传递函数0.52;长波红外波段13lp/mm处,光学调制传递函数0.51;光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于27μm,在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明,光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限,点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。     

红外目标模拟器的光学设计

设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,最终设计结果为工作波段8~12μm,焦距230.599mm,视场12°,入瞳距600mm,入瞳直径100mm。整个光学系统有9个光学透镜,最大口径229.77 mm,光学系统达到衍射极限,全视场MTF均优于0.39,80%的能量集中在23μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求,能很好地应用于红外光电系统的性能测试。     

基于谐衍射特性的双波段红外系统消热差设计

从谐衍射元件的理论出发,讨论了谐衍射透镜在消色差和消热差时的特性。利用谐衍射透镜独特的色散和消热差特性,再结合其谐振特性,设计并制成了适用于-30℃~70℃的3μm~5μm和8μm~10μm双波段红外消热差的光学系统。该系统通过采用折反结构,仅需锗作为材料,体积小,重量轻,结构简单。结果表明,该系统能够在两个波段内同时较好地校正系统的色差,在要求的视场内得到接近衍射极限的成像质量,具有良好的消色差和减热差特性。该系统经红外传递函数测试仪测试,得出的实际MTF值也基本接近衍射极限。     

红外光学系统

<正> 第二部分红外物镜我们在第一部份介绍了适合于红外光学系统计算的各种光线追迹公式,这一部分我们将介绍各种常用的红外物镜,包括反射式物镜,折射式物镜和折反射式物镜。重点是双反射式物镜,因为它是最常用的红外物镜。一、反射式物(?)由于二个原因,目前红外光学系统的物镜大都是反射式的:(1)能满足物理上、化学上、机械上的性能要求的透过波段较宽的红外透光材料不多,(2)通常的红外透光波段(例如2～2.6μ,3～5μ、8～14μ三个大气窗口)比可见光波段(0.4～0.76μ)     

红外3.2～4.5μm波段折射/衍射光学系统的减热差设计

研究了折射/衍射光学元件的温度效应及红外系统的设计理论及具体实例,给出了在红外3.2～4.5μm波段,5°视场范围,冷光栏效率100%,在-40～80℃温度变化范围情况下的红外混合减热差系统的设计结果.结果表明,使用折射/衍射光学系统的减热差设计方案,可令相应的传统光学系统减少一片元件,并且节省了昂贵的硒化锌红外材料.不仅能在较大视场内得到接近衍射极限的成像质量,较宽的温度工作范围,而且结构简单,体积小,重量轻.     

红外无热化混合光学系统设计

分析了衍射光学元件在红外折/衍混合光学系统中特殊的热差特性,并利用衍射光学元件特殊的消热差和色散特性,设计并制成了3μm~5μm波段上适用于-45℃~60℃的红外无热化混合光学系统,且给出了测试结果。线扩散函数在80%能量内的光斑大小为33μm,接近一个像元的大小。温度测试结果表明,该系统在要求的较宽工作温度范围内性能稳定,像质优良,而且体积小,重量轻,结构简单。     

中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪

为提高成像光谱仪的工作波长范围,提出了基于双波段焦平面探测器(FPAs)的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输,并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法,基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性,基于Huygens点扩散函数(PSF)仿真了光谱响应函数(SRF)并导出了光谱带宽。实验显示:双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6μm(二级衍射)和6~12μm(一级衍射),谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度,光谱带宽分别为13.2~14.3nm(二级衍射)和28.3~33.3nm(一级衍射),两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽,满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。     

双向大视场消畸变低温红外目标模拟光学系统设计

为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统,针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大,子午视场很小的问题,本文基于光学系统对称性法则,设计了子午和弧矢都为5°,波长为3～5μm的矩形双向大视场离轴三反系统,其焦距为400mm,F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数,调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差,系统光学传递函数在6.5lp/mm时优于0.71,全视场均方根波像差达到λ/250,均方根最大弥散斑半径不超过7.0μm,达到衍射极限。另外,系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。     

基于PWC法的宽波段复消色光学系统设计

提出了应用普通光学玻璃和折射方式,实现0．4～2．5μm宽波段范围内中小相对孔径较小视场光学系统复消色的设计方法。推导了基于PWC法的三胶合透镜初始解求取公式,加入位置色差、色球差等限制因素,提出了一种新的材料选择方法,由玻璃库中选择消色差效果最佳的材料组合,其色离焦量为应用最初算法求出结果的1／3。给出了工作F／IO的转像系统和F／4．5的望远系统两个光学设计结果,0．4μm、1．0μm和2．5μm三波长实现了复消色,传递函数接近衍射极限。证明了普通光学玻璃实现0．4～2．5μm宽波段范围内的中小相对孔径光学系统复消色设计的可行性。     

共孔径消热差红外双波段光学系统

设计了适用于制冷型320×256中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8μm,长波7.7~11.7μm,环境温度10~40℃下工作,其焦距为292mm,视场角为1.56°×1.875°,F/#为1.93,满足100%冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组,利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光,后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素,通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度,实现了两路系统在10~40℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

被动式红外光学系统无热设计

围绕环境温度效应这一主题,着重分析了温度变化对光学材料折射率、光学元件的曲率半径和厚度以及光学元件之间的间隔等三方面的影响,并介绍了其解决方法,以无热技术来消除其产生的影响,从而使系统在要求的温度范围内保持良好的成像质量。最后设计了一个适用于3μm～5μm波段的红外光学系统,采用光学被动式无热技术来消除温度效应对系统的影响。     

折/衍混合消热差共形光学系统设计

为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求,基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性,提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案,并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明,该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿,热膨胀系数小和色散因子大等特点,在-40～70 ℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量,且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。     

红外用光学薄膜

介绍了华北光电研究所研制的红外用光学薄膜,内容涉及8μm～11.5μm增透膜及红外滤光片。     

半导体激光器阵列光束准直和聚焦系统设计

给出条阵半导体激光器光束消像散准直、聚焦的方法以及折 /衍混合准直微光学阵列系统和聚焦光学系统的设计方法 ,并设计了一准直聚焦光学系统 ,准直精度达 3mrad～ 4mrad,聚焦光斑尺寸小于 2 0 0μm     

基于洛伦兹模型的红外薄膜材料光学常数拟合及应用

在中长波红外区域,通常使用的镀膜材料都存在相当大的色散和一定的吸收。就目前的测试技术来说,确定这些材料的色散和吸收相当困难。试验基于洛伦兹谐振子模型对热蒸发制备的锗、硫化锌以及稀土氟化物薄膜的红外透射光谱进行拟合,得出这些材料在中长波红外区的光学常数。使用锗、硫化锌和稀土氟化物分别作为高折射率层(H)、中间折射率层(M)和低折射率层(L),设计并制备了从6.8μm~15μm的锗窗口宽带增透膜系,测量结果完全可以满足光机系统的要求。