减小连续变焦红外热像仪中光轴漂移的方法研究

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移,根据连续变焦原理,对系统初始参数进行反复优化,保证补偿组移动曲线的平滑度,并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线,既保证了焦距变化的均匀性,又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线,并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明,处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右,且具有较强的鲁棒性,对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。     

MRTD高精度测试和校准技术研究

围绕红外热像仪成像参数MRTD（最小可分辨温差）测试问题开展研究，介绍了MRTD的测试方法以及MRTD测试装置—红外热像仪评估系统的工作原理，详细分析了MRTD测试过程中，红外热像仪测试位置、差分黑体温差、差分黑体发射率和光学系统几何像差等因素对测试结果的影响。针对这些问题，提出了采用红外扫描辐射计对红外热像仪评估系统温差进行校准的方法，利用该方法对某空间频率下热像仪MRTD进行测试，并给出了测试结果，为热像仪MRTD参数准确测试提供参考。     

一种基于共轭节面的图像畸变分析方法

无像差的光学相机的成像模型可由其共轭节面模型等效表示。针孔模型本身忽略了偏离该等效模型的误差,也无法表示平板玻璃的平移误差、光轴的安装误差以及实际相机光学系统的像差,这四个因素都会引起图像畸变。基于此利用共轭节面的性质建立了一种图像畸变几何模型,并与广泛采用的像差模型进行了对比,从理论上解释了像差模型各个系数的物理意义。对某实际针孔相机进行仿真分析,该几何模型给出的相对径向畸变、角度误差在设计参数的范围以内,并且可以模拟图像的非对称畸变。该几何模型需要辨识包含主面相关参数、光轴倾斜角和平板玻璃的轴向球差在内的4个参数,辨识参数较少,理论上可以作为一种新的图像畸变校正方法。     

开放光路TDLAS气体检测系统光学接收组件设计

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中,由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行,从而导致系统探测灵敏度下降的问题,分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量,设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件,并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明:优化设计的光学接收组件接收角为4.9°,光学效率为78.24%,与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高,适用于实际检测过程。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

锗透镜定心磨边工艺的研究

本文主要介绍了在锗透镜磨边时采用双面定中心的新工艺及锗透镜定心磨边机。该工艺应用了数字显示和电视显像新技术,把光轴与机械回转轴的同轴度的实际偏差直观的显示出来,从而取代了国内单面定中心磨边的老工艺。     

Non-contact measurement of angle of view between the inspected surface and the thermal imager

The angle of view between inspected object and thermal imager influences the values of temperature measured by infrared thermography. This happens because the emissivity depends on the angle of radiation, and because the apparent temperature measured is influenced by that angle of view combined to thermal imager’s field of view. Therefore, it is necessary to know the angle of view during thermographic inspection, which is generally not feasible due to safety reasons. This paper develops a method of measuring the angle of view with no contact with the inspected object, by employing laser distance meters, commonly available in the market.     

Analysis of athermalizing performance of thermal infrared optical system with Cassegrain antenna

The thermal infrared imaging system is of greatest importance in modern optics and the image quality closely relies on the accuracy of the optical system. Heat-induced mirror deformation influences the transmission performance of the optical antenna system significantly, which further degrades the accuracy of the whole system. In this work, the simulation on lens deformation circumstances under the thermal environment is carried out using the finite-element analysis software ANSYS. The focus shift property caused by the thermal effect is studied in the cases of reflective and refractive Cassegrain optical antennas, and the athermalizing performance of Cassegrain optical antenna system is also concluded. This work presents a direction to accurate designing of the thermal infrared optical system.     

光学镜片平面行星式研磨加工关键技术研究

在平面行星式研磨加工过程中,研磨盘磨损的均匀性与光学镜片的研磨质量有密切关系。通过对光学镜片在平面行星式研磨加工过程中的运动规律进行分析,建立了差动轮系条件下工件运动的轨迹和速度计算模型,开发了Matlab仿真程序。结合生产实际,对行星轮系条件下工件运动的轨迹和速度进行了仿真,确定了研磨机速比对研磨盘磨损均匀性的影响规律:当速比I1-1.5时,镜片的运动轨迹在较短时间内遍布研磨盘各处,研磨盘得到均匀磨损,加工质量和加工效率较高。基于仿真结果,通过优化工艺参数,获得了厚度一致性小于0.002 mm,平行度小于0.002 mm的高质量光学镜片。     

Evaporation of uniform antireflection coatings on hemispherical lenses to enhance infrared antenna gain

Infrared dipole-coupled bolometers receive radiation more efficiently when illuminated through a high permittivity, antireflection (AR) coated, hemispherical immersion lens. To maintain the enhanced responsivity for all illumination angles, the AR coating must be uniform over the hemispherical surface. An evaporation method for depositing a uniform AR coating on the hemispherical surface is presented. The lens is tilted relative to the source, which can be either electron-beam or thermal, and rotated throughout the deposition. Evaporation at an angle of 70° yields a uniform film with less than 10% thickness variation over a 120° full angle of the hemispherical surface. A theoretical model is developed and compared to profilometer measurements. In all cases, there is general agreement between theory and measurement. A single dipole is fabricated onto the flat surface of an AR-coated germanium immersion lens and the responsivity is measured for both substrate-side and air-side illumination. With a zinc sulfide (ZnS) single-layer AR coating, substrate-side illumination yields a broadside antenna response 49 ± 2.7 times greater than air-side illumination.     

Snake's perspective on heat: reconstruction of input using an imperfect detection system

Two groups of snakes possess an infrared detection system that is used to create a heat image of their environment. In this Letter we present an explicit reconstruction model, the "virtual lens," which explains how a snake can overcome the optical limitations of a wide aperture pinhole camera, and how ensuing properties of the receptive fields on the infrared-sensitive membrane may explain the behavioral performance of this sensory system. Our model explores the optical quality of the infrared system by detailing how a functional representation of the thermal properties of the environment can be created. The model is easy to implement neuronally and agrees well with available neuronal, physiological, and behavioral data on the snake infrared system.     

高精度非致冷长波红外热像仪的辐射标定

为使非致冷长波红外热像仪在不同温度下保持较高的测温精度,建立了考虑探测器工作温度效应的非致冷长波红外热像仪的辐射标定模型。对非致冷长波红外热像仪进行辐射标定实验,在不同黑体温度和不同亮度增益值条件下,获得了16组图像灰度与探测器工作温度之间的函数关系,建立了目标温度的数学计算模型,并对定标结果进行了实验验证。结果表明：在25～40℃,探测器的工作温度效应可做线性化处理,且与目标温度无关。通过设定合适的亮度增益值可使红外热像仪的测温误差〈0.5℃,极大地提高了非致冷长波红外热像仪在不同温度环境下的测温精度。     

红外光学系统无热化设计方法的研究

无热化设计是利用不同手段消除环境温度变化对光学系统性能的影响。针对红外光学系统,提出一种光学被动式无热化设计方法。从单个透镜出发,列出透镜组的消热差方程组,通过笛卡尔坐标系描绘出常用红外材料的消热差系数和消色差系数,使用图解方法求得红外材料的合理组合,同时得到归一化的组合光焦度分配。最后用实例说明光学被动式无热化设计的求解过程,并通过光学设计软件对结果进行分析,说明该设计结果在-40℃～+60℃温度范围内均满足消热差和像差要求。     

Effect of the geometry of the aberration focusing of a convex-flat lens on the angular parameters of the second optical harmonic

The dependences of focal length F of an actual convex-flat lens on radius ρ of its annular zone and distance x (the magnitude of the transverse spherical aberration) of the intersection of rays on angle α between a beam emerging from a certain annular zone of the lens and the optical axis of the system are determined by means of normals and tangents. The results from investigating the correlation between the geometric optical parameters of the focusing convex-flat lens and the spatial-angular parameters of light converted in a nonlinear crystal (the optical second harmonic) are presented.     

消热差大相对孔径中波红外望远物镜的研制

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求,研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜,其焦距为100mm,F数为1,全视场角为5°.物镜设计采用了匹兹伐结构型式,仅由两块硅(Si)透镜和一块锗(Ge)的折/衍混合透镜组成,能够实现-20～+60℃环境温度变化范围内光学被动消热差.对实际加工的红外物镜进行...     

不同非均匀性校正温度的红外测温技术

为使制冷型中波红外热像仪在不同环境温度下经过非均匀性校正后保持较高的测温精度,研究了考虑非均匀性校正温度效应的中波红外热像仪标定模型。利用不同温度的面源黑体对热像仪进行非均匀性校正,然后对黑体目标进行测温实验,获得了不同校正温度下热像灰度与黑体辐射亮度之间的变化关系,建立了目标的测温数学计算模型,最后对测温结果进行误差分析。结果表明：在不同校正温度下,热像灰度相对非均匀校正辐亮度的漂移可做线性化处理,且与目标温度变化无关。在非均匀性较低的测温范围内热像仪的测温误差小于±0.22 ℃,极大减小了制冷型中波红外热像仪在不同校正温度下非均匀性校正后的测温误差。     

薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的 温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.     

微扫描技术对光电图像混淆噪声的影响

在分析采样理论和微扫描理论的基础上,引入了一个评价光电成像系统混淆噪声的品质因数,定量地分析了不同模式的微扫描对系统混淆噪声的改善程度。     

扫描型长波红外连续变焦光学系统

基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器, 根据红外扫描成像系统原理, 设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图, 并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构, 由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成, 包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本, 系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35, 全视场畸变小于2%。最后, 对系统进行了成像实验验证, 结果表明:该系统可以实现30.8~154 mm范围内连续变焦, 变焦过程中目标景物清晰, 细节分辨率高, 无冷反射现象出现, 该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。