星载高分辨率红外双谱段遥感器光学系统设计北大核心CSCD

针对高精度红外遥感成像的应用需求,提出了高空间分辨率、高噪声等效温差和大幅宽的中波/长波红外双谱段遥感成像技术方案,在太阳同步轨道获取地面目标的中波和长波红外辐射信息,谱段范围分别为3~5μm和8~12μm,中波红外谱段空间分辨率优于5 m,长波红外谱段空间分辨率优于10 m,幅宽大于20 km,噪声等效温差优于60 mK。根据噪声等效温差和光学传递函数等要求优化了光学系统指标参数,分析了二次成像同轴三反光学系统的冷光阑匹配原理,计算了光学系统初始结构参数,设计了光阑匹配型和出瞳匹配型中波/长波红外双谱段一体化光学系统,比较了两种方案光学系统的冷光阑匹配效果。     

基于DMD的动态红外场景投影光学系统设计

为了能够在实验室内实物模拟红外成像,降低光电系统的研发成本和提供可重复的实验环境,需要红外场景仿真器.动态红外投影技术是红外成像测试与评估的关键技术,与传统仿真器相比,采用数字微镜器件(DMD)的红外仿真器可以在更大动态范围内进行高速模拟,这种模拟方法空间分辨率和温度分辨率较高,能满足较高的帧频要求,有较好的应用前景.回顾了动态红外场景投影技术及其分类,描述了基于DMD动态红外场景系统的原理.分析了红外光学系统的特点,给出了投影系统的设计参数,系统使用800×600的DMD,工作在长波波段.使用像差平衡理论设计了投影系统的基本结构,为了得到更好的分辨率和成像质量,利用CODEV软件进行了设计优化,并给出了设计结果及其像差曲线,结果表明:设计满足要求.     

中波和长波红外双波段消热差光学系统设计

为了有效提高目标的红外探测与识别能力,设计了能同时对高温和常温目标成像的中波和长波红外双波段消热差光学系统。所设计的光学系统采用柯克型结构,视场、有效焦距和相对孔径分别为5.5°×4.4°、100 mm和F/2,工作波段覆盖中波红外(波长3～5μm)和长波红外(8～12μm)。通过采用光学被动消热差方法,优化设计的镜头可工作于-60～80℃的环境温度,奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值变化小于0.05。该镜头使用Ge、ZnSe和ZnS 3种红外材料,具有后工作距大、100%冷光阑效率等特点。     

共口径多波段复合场景仿真技术

以多波段光学成像制导武器系统的半实物仿真需求为牵引,探讨多波段多目标复杂场景仿真系统的实现方法,包括多波段投影系统和目标大视线角显示系统,重点研究了共口径多波段投影系统的设计方法.通过采用可见光投影系统、近红外投影系统、中波红外投影系统和长波红外投影系统分别产生各单波段仿真场景,经过反射式耦合光学系统将各波段场景进行复...     

星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3～5μm)和长波红外(8～125μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50nm和100nm,空间分辨率为60m,成像幅宽为60km,噪声等效温差优于02 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0135;光谱成像光学系统采用Wynne Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。     

一体化红外双波段成像光学系统

根据目标在不同光谱波段下的光学特征设计了双波段系统,具有优于单色探测系统的探测能力和复杂环境下的目标识别与干扰判别能力,提高了有效侦察率、大大降低了虚警率.介绍了几种常见红外双波段系统,简述其原理,通过相应具体实例重点分析研究了折反式红外双波段以及折射式制冷型中波红外和长波红外双波段,采用共用窗口一体化红外双波段形式,结合二次成像和100%冷光阑效率技术,同时在两个波段内较好地完成了系统像差的校正,且两波段相对孔径、视场和焦距一致,因而可以融合中波红外图像和长波红外图像,充分利用中波红外、长波红外各自优点,符合实际应用需要.     

多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径（特约）

借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程（Reverse Engineering）设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。     

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

一种红外双波段衍射望远镜的光学设计

深入研究了双层谐衍射光学元件,基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%,极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜,取得了接近衍射极限的成像质量,易于加工.     

一种红外双波段衍射望远镜的光学设计（英文）

深入研究了双层谐衍射光学元件,基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%,极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜,取得了接近衍射极限的成像质量,易于加工.     

基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计

针对红外中波/长波双波段制导系统性能测试与评估的需求,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,包括投影镜头和照明系统。讨论了大出瞳距、大后工作距情况下红外双波段投影系统的像差特性及设计方法,采用反摄远结构和谐衍射面结合的方案,解决了由双波段、大出瞳距离和大后工作距带来的系统彗差、像散、畸变以及色差难以平衡的问题。采用柯勒式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,提高了光能利用率并有效地控制了杂光的影响。最终仿真系统全视场角为5,F#为2.4,出瞳距离190 mm,出瞳直径84 mm,系统畸变小于0.1%,中波时系统奈奎斯特频率36 lp/mm下各视场调制传递函数大于0.4,长波时中间频率20 lp/mm处传递函数均大于0.38;照明均匀性高于98.5%。满足红外中波/长波双波段高质量模拟仿真的需求。     

高对比度中/长波红外双波段视景仿真系统光学设计及测试实验

为了实现中/长波红外双波段制导系统的性能测试与评估,设计了一套基于数字微镜器件的红外双波段视景仿真光学系统,系统包括投影镜头和照明系统。利用非球面技术和大出瞳距、无穷远投影系统的像差特性,采用常规的红外材料,通过光焦度的合理分配与非球面像差校正的优势相结合,解决了双波段、大出瞳距离带来的彗差、像散、畸变和色差的平衡问题。采用阿贝式直接照明的方案,解决了斜入射情况下均匀照明的问题,有效地控制了杂光的影响,提高了光能利用率。设计结果显示:最终仿真系统全视场角为2,出瞳距离为250 mm,出瞳直径为70 mm,系统畸变小于0.2%,系统双波段的调制传递函数曲线均接近衍射极限;照明均匀性高于95%。系统实验测试表明:在黑体温度为300 ℃时,模拟温度最低为31.6 ℃,最高为250 ℃,温差为215.4 ℃,系统的对比度达到0.98,像面均匀性高于98.1%。仿真系统具有高对比度,宽温差和图像逼真的特点。     

满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

简述了红外场景产生的技术背景以及基于液晶光阀实现可见光到红外视频图像转换的模拟器的总体结构。重点介绍了一种适用于两种不同视场的红外光电系统测试与评估的动态红外场景模拟器光学系统的设计，其中包括变倍透镜的选择和准直投射光学系统的设计。从理论上分析了利用变倍透镜的变化写入不同放大倍率的可见光图像，来满足视场变化需要的方法；从光学指标的确定，结构、材料的选取到最终光学性能，阐述了准直投射光学系统的设计。此投射光学系统工作在8～ 12 μm , 焦距271.69 mm，视场为±4°，入瞳距150 mm，后工作距离139.2 mm，点列图和传递函数曲线表明此投射光学系统像质达到理想状态。最后分析了光学系统性能参数与指标要求的符合。在满足设计指标的前提下，和变焦系统相比，该光学系统结构简单、成本低、可行性高。     

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。     

中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制

报道了中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制。通过特殊设计的器件和读出电路结构,获得了可对中波波段和长波波段选择的切换架构。突破了双色量子阱材料、器件以及读出电路等关键技术,研制出384288规模、25 m中心距双色量子阱红外焦平面探测器。在70 K条件下器件性能优良,噪声等效温差为28 mK(中波)和30 mK(长波),响应峰值波长分别为5.1 m(中波)和8.5 m(长波)。室温目标红外成像演示了探测器的双色探测功能。     

HgCdTe focal plane arrays for dual-color mid- and long-wavelength infrared detection

Raytheon Vision Systems (RVS, Goleta, CA) in collaboration with HRL Laboratories (Malibu, CA) is contributing to the maturation and manufacturing readiness of third-generation, dual-color, HgCdTe infrared staring focal plane arrays (FPAs). This paper will highlight data from the routine growth and fabrication of 256×256 30-μm unit-cell staring FPAs that provide dual-color detection in the mid-wavelength infrared (MWIR) and long wavelength infrared (LWIR) spectral regions. The FPAs configured for MWIR/MWIR, MWIR/LWIR, and LWIR/LWIR detection are used for target identification, signature recognition, and clutter rejection in a wide variety of space and ground-based applications. Optimized triple-layer heterojunction (TLHJ) device designs and molecular beam epitaxy (MBE) growth using in-situ controls has contributed to individual bands in all dual-color FPA configurations exhibiting high operability (>99%) and both performance and FPA functionality comparable to state-of-the-art, single-color technology. The measured spectral cross talk from out-of-band radiation for either band is also typically less than 10%. An FPA architecture based on a single-mesa, single-indium bump, and sequential-mode operation leverages current single-color processes in production while also providing compatibility with existing second-generation technologies.     

双波段红外光学系统设计与像质评价

双波段/多波段成像技术受到普遍重视,使得双波段光学系统特别是中、长波红外成像系统成为研究的热门之一。设计了折反射式光学系统、离轴三反射式光学系统和全折射式光学系统,分析了3种不同类型光学系统及其成像性能。采用了能同时响应中、长波红外的探测组件,系统的主要技术指标为:工作波段3~5 m、8~12 m,F/#=2,2=5.74,f=100 mm,全视场畸变2%,空间频率16.7 lp/mm处的MTF0.4。对3种不同类型系统的特点进行分析和研究,给出了各种像差曲线和光学传递函数曲线,总结了3种不同类型光学系统的优缺点。     

Demonstration and Performance Assessment of Large Format InP–InGaAsP Quantum-Well Infrared Photodetector Focal Plane Array

There have been various studies showing that InP-InGaAs quantum-well infrared photodetectors (QWIPs) are potential alternatives to AlGaAs-GaAs QWIPs in the long wavelength infrared (LWIR) band, especially for applications requiring high responsivity. Being on InP substrate, this material system also offers lattice matched mid-wavelength infrared (MWIR)/LWIR dual band QWIP stack when it is used with the AlInAs-InGaAs system. It is desirable to extend the cut-off wavelength of InP based LWIR QWIPs to , which can be accomplished by replacing the QW material with InGaAsP. In this paper, we report the first InP-InGaAsP QWIP focal plane array (FPA). The 640 512 FPA displayed remarkably low noise equivalent temperature difference (NETD) with very short integration times (46 mK at 66 K with and f/1.5 optics). The results show that these QWIPs can be operated with high responsivity (1 A/W) while offering bias adjustable gain in a wide range where the detectivity is almost constant at a reasonably high level.     

红外双波段谐衍射光学系统设计

为提高红外系统探测能力,满足探测器在红外中长波双波段同时成像的要求,提出一种基于谐衍射的光学系统设计.根据谐衍射透镜的特点,通过合理选择谐衍射波长和衍射级次,采用折射式共光路构型成功完成了中/长波双波段光学系统的设计.系统在3.7～4.8μm和7.7～9.5μm两个波段成像,F数为2,视场角10°.优化结果表明,成像质...