一种紧凑的红外消热差光学系统

介绍了温度变化对红外光学系统的影响.仅用硅和锗两种常用红外材料,设计了三片折射式消热差红外光学系统.设计结果表明,在-40～+60℃温度范围内,具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射限,且具有结构简单、体积小、成本低等优点,可应用于军事或空间红外光学系统.     

实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统

论述了利用衍射光学元件的环境温度特性实现光学系统消热差的原理和设计方法,给出了8－12μm波段内、焦距123mm、相对口径1／2．5在20－50℃温度范围内实现消热差和消色差的折衍混合红外光学系统的设计和评价结果;叙述了用NANOFORM250型金刚石微表面发生器在Ge单晶平面基体上加上衍射元件的主要过程和测试结果,最后给出了在不同温度下用英国Ealing传递函数仪测试系统性能的测试结果。     

弹载红外光学系统被动消热技术

环境温度的变化对红外光学系统的影响很大,针对此类问题,分析了国内外典型的消热方法,比较其优缺点.根据弹载红外光学系统工作的特殊性,采用光学被动消热方法进行实例设计,得出了在-30℃～50℃范围内实现环境温度补偿的系统设计参数和评价结果.所设计的结果结构简单可行,在要求的温度范围内性能稳定.     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内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处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

红外7.5～10.5μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外7.5μm～10.5μm波段的红外折射/衍射混合消热差光学系统并进行了分析.设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点.     

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。     

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。     

远距型红外消热差物镜设计

介绍了一种远距型红外消热差物镜的设计方法。首先建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,将其与远距型物镜模型相结合,得到了光焦度分配方程组,再根据系统要求的远距比和所选择的光学材料组合,获得初始的光焦度分配,然后利用计算机辅助设计进行像差校正。该方法准确、实用。作为应用实例,利用ZEMAX软件分别设计了中波红外和长波红外光学系统,它们的焦距均为100 mm,F数为2.0,远距比达到0.8。环境温度分析结果表明:在-40 ~60 ℃范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相吻合。     

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。     

基于波前编码的红外光学系统消热差设计研究

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)的表达式.在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20℃)、-40℃和+60℃下的成像质量.分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40～+60℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求.加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计.     

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.     

红外光学系统被动式无热化设计方法

红外光学系统在一定温度条件下会由于温度变化导致系统成像质量变差。利用光学材料热特性之间存在的差异,提出一种光学被动式无热化设计方法,分析了透镜组的消像差方程组并进行求解,讨论了不同透镜材料消热差和消色差的实现过程,利用不同材料合理匹配与合理分配光焦度实现热补偿。针对相同技术指标,设计了两个红外双波段光学系统并对两种系统性能进行比较,结果表明,采用热补偿措施的红外系统在-40～+60℃温度范围内弥散圆尺寸变化不大,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限,不同温度下系统焦距的变化不影响成像质量和性能。     

机载复杂红外光学系统无热化补偿方法研究

为提高机载红外光学系统的环境适应性,保证红外系统在机载动态环境中能够稳定成像,提出一种无热化加权温度补偿方法,根据每个光学元件和间隔温度变化对系统成像影响程度的不同赋予不同的权重,建立在不均匀变化温度场中光学系统的加权温度补偿模型。利用光学设计软件仿真分析,工作温度在-50～+60℃范围内仿真误差<0.5%。建立了无热化光学系统的测试平台,对无热化加权温度补偿方法仿真分析结果进行实验测试。研究结果表明,加权温度补偿模型实用性强、精度高。在机载环境温度范围内,各项误差能够控制在1.5%,满足机载环境复杂红外光学系统的被动无热化的要求。     

二次成像光学被动无热化设计

介绍光学被动无热化设计的原理,对二次成像系统进行热离焦分析,提出一种使物镜组和中继镜组无热化,从而实现二次成像系统无热化设计的方法。研究由三种材料4片透镜构成的镜组无热化的图解法并给出详细设计步骤。采用Ge、ZnS和CdTe三种常用的红外材料,设计一个长波二次成像光学系统。设计结果表明该系统在-60～70℃的温度范围内,具有良好的消热差、消色差性能。     

激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统设计

基于激光测距和红外目标探测需求,设计了激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统.系统参数设计如下:工作波段为1.064μm激光和7.7～9.3μm长波红外,入瞳直径均为120 mm;激光焦距为800 mm;长波红外焦距为240 mm,F数为2,视场为2.29°×1.83°.选择带有Ritchey-Chretien(RC)反射系统的折反式光学布局,缩短系统纵向尺寸.光学系统共用主镜和次镜,利用次镜实现激光和红外分光.长波红外采用二次成像结构,达到100％冷光阑效率.通过选择合适的光学材料、结构材料和合理分配光焦度,实现了光学被动式消热差.在-50℃～+70℃范围内,激光接收能量集中度高,长波红外成像质量良好,满足实际使用需求.     

双波段红外光学系统无热化设计

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器,设计了一套双波段红外光学系统,用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计;通过引入非球面和谐衍射元件,很好地校正了系统的色差和轴外像差,简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成,工作波段为3.7~4.8μm/7.7~9.5μm波段,F数为2,满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明,光学系统在-60~+70℃全温度范围内,双波段成像质量良好。     

红外无热化摄远物镜设计

基于战场环境要求的红外光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点,针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的要求,设计了一种结构紧凑、重量轻、成像质量好和环境适应性强的红外无热化摄远型物镜。针对坦克最大作战距离3km,确定了光学系统的技术参数:f=200mm,F=3,2ω=3.056°,波段8~12μm。比较了当前三种无热技术的优缺点,采用光学被动式方法。设计结果满足在-40~70℃范围内,系统的调制传递函数接近衍射极限。该摄远物镜可用于坦克观瞄镜,满足坦克目标跟踪识别的实际应用要求。     

空间光学系统无热化设计

在空间光学系统无热化设计时,需要考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,满足系统总光焦度和消热差、消色差要求,解出各光学组元的光焦度,再在保持光焦度不变条件下进行像差平衡。本文以成像光谱仪为例,对反射系统进行了热分析,对折射系统介绍了无热化设计的原理和方法,并给出了设计结果。     

一种紧凑型红外光学系统设计

介绍了制冷型红外成像光学系统设计初始结构的选择方法,采用折反射光学系统结构,设计了一种紧凑型红外光学系统,实现总长/焦距比为0.59,在-40～60℃温度范围内,具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射限,具有结构紧凑、体积小等优点,可满足红外成像导引头的使用要求。：