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。     

红外系统的光机热一体化设计

在无热光学系统设计中,考虑机械结构的热性能对系统热稳定性的贡献,在满足系统总光焦度要求、消热差和消色差条件下,求解各光学组元的光焦度.在保持光焦度不变的条件下,进行像差平衡,可设计出实际的消热差光学系统.这种在光学设计中融合机械结构热稳定性因素的一体化设计方法,对红外无热光学系统设计具有重要意义.文中详细介绍了f'=45.4mm,D/f'=1/2.5,2ω=lO°的红外成像物镜和f'=160mm,D/f'=1/8,2ω =2.8°的可见/近红外波段干涉成像光谱仪前置镜的一体化无热设计的结果.     

摄远型红外8~12μm波段消热差物镜设计

介绍了一种摄远型长波红外消热差物镜的设计方法.将摄远物镜模型与消热差模型相结合,推导出之间的光焦度分配关系,并将二者统一起来,直接得到摄远型消热差物镜的光焦度分配关系式.首先,根据摄远物镜的设计方法进行物镜的设计,在满足远摄比的情况下结合像差理论合理选择最优的前组和后组光焦度解;然后采用光学被动消热差方法,进行消热差设计,选择材料组合,分配组元内部各透镜的光焦度;最后利用计算机辅助软件进行像差校正.为了验证该方案的可行性,设计了一个工作于8~12 m,焦距100 mm,F数为2.0,全视场角为6,远摄比达到0.8的长波红外消热差光学系统.在-40~60 ℃温度范围内,成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限,并且体积小、结构简单,质量轻.所设计系统优化后的光焦度分配值和初始计算值非常接近.     

滚仰式导引头红外光学系统设计

滚仰式红外光学系统由物镜前组、折转镜组和成像后组组成,其平台内框架俯仰范围可达到90,外框架可以实现360滚转,使光学系统观察视场覆盖整个前半球。光学系统实现了100%冷光阑效率。为适应较大的工作环境温度变化,对光学系统开展了被动无热化设计,给出了被动无热化实现的计算公式,并利用虚拟色差技术,快速确定了满足无热化条件的光学系统最优初始解。针对制冷型红外光学系统的冷反射效应,给出了冷反射诱导温差（NITD）的计算公式,并对敏感表面进行了优化控制。设计结果表明,光学系统焦距为58 mm,视场大小为4.0,F数为2.0,在-50~60℃工作温度范围内系统MTF值接近衍射极限,并对冷反射效应具有较好的抑制能力。经样机测试,光学系统成像清晰稳定,性能良好,满足设计及使用要求。     

微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化设计

针对导弹口径微小化的需求,为解决微小型导引头无法全方位扫描的问题,提出一种微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化结构.该光机结构把经典滚仰式导引头两根独立俯仰轴与光机结构本体设计成一体,通过红外探测器固定连接的方式让整体结构更加紧凑并兼具焦距微调功能,在保证成像质量的同时大大减小了光机结构的体积.将建模后的光机结构进行有...     

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。：     

机载折反式光学系统的无热化设计

为了消除在实际飞行过程中温度变化对机载折反式光学系统成像质量的影响,对该系统的光学元件、机械结构等部分进行热分析,实现机载折反式光学系统的无热化设计。首先,根据透镜的光焦度公式推导透镜的光焦度温度函数,列出透镜组的消热差方程。接着,在考虑支撑结构的影响时引入轴向放大率,以此表现折反式系统部分元件间隔变化对系统焦距影响大的特点。最后,结合前两者确定完整的消热差方程来指导无热化设计。仿真结果表明,工作在486～656nm波段,焦距为1 850mm的机载折反式可见光光学系统在0～40℃之间成像良好,调制传递函数下降不到0.1。     

三分离式消热差制冷型中红外物镜的设计

为了满足多种复杂环境的使用需求,红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置,使物镜实现100%冷光阑效率,同时将这种结构与消热差模型相结合,推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系,并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3~5 m,焦距为88 mm,相对孔径为1:2的红外物镜,各视场弥散斑半径均小于5 m,调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm,获得了很好的成像质量。该物镜在-20℃~+70℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定,验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。     

一种小型化探测器固联于弹体式导引头光学系统设计

为实现探测器组件固联于弹体且导引头结构小型化,采用了由特殊棱镜与反射镜组成的光学滑环式光机结构设计。光学系统的前镜组、反射镜嵌入内框架,实现±90?扫描运动;内框架、特殊棱镜组件嵌入外框架,实现360?扫描运动,进而使光学系统具有前半球的跟踪视场。设计结果表明光学系统在-70℃~+90℃温度范围内调制传递函数接近衍射极限,成像清晰,满足光、机、热一体化设计要求。实验结果显示,研制的光学系统其焦距60 mm,视场大小为3?,在20 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)高于0.7。系统实现了探测器组件固联于弹体及光机系统小型化的目的。     

光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计

环境温度变化导致红外光学系统成像质量变差,利用光学材料热特性之间存在的差异,研究了一种光学温度补偿红外长波远摄型物镜设计方法。首先,根据远摄物镜基本结构及远摄比建立含参方程;其次,结合不同材料组合及消热差和消色差方程将前组复杂化,获得初始的光焦度分配。最后,利用ZEMAX光学设计软件进行优化、像差校正,设计实例焦距为100 mm,F数为2.0,远摄比达到0.8,全视场角6°。设计结果在-40℃~60℃范围内,成像质量稳定,焦距变化量小于系统最小焦深,成像质量接近衍射极限。     

滚仰式红外导引头视线角速率提取方法研究

由于滚仰式导引头的结构特殊性,制导控制系统需要的视线角速率信息是不能够直接测量得到的,因此提出了一种基于跟踪微分器的视线角速率提取方法。根据滚仰式导引头的结构特点,分析了滚仰式导引头的运动学原理,并根据滚仰式导引头的结构推导出视线角与弹体姿态角、框架角和失调角的关系,然后设计了有限时间收敛跟踪微分器求解视线角速率信息。经数字仿真,对比了直接差分法和跟踪微分器法对视线角速率的提取效果,证明了利用跟踪微分器提取视线角速率的有效性。     

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.     

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.     

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。     

论红外光学系统消热差技术中的归一化系数

温度变化对透镜成像效果的影响称为热差.为了使透镜在一定温度范围内具有稳定的成像质量,通常需要通过采取某些补偿措施来实现消热差.归一化系数是消热差数学模型的重要组成部分.讨论了归一化系数的概念及其在消热差技术中的应用情况.基于国内相关文献资料,介绍了红外光学系统消热差技术的发展思路与动态.     

航空相机光学镜头被动消热一体化设计与验证分析

航空相机的使用环境温度变化范围较大,温度的变化会在相机光学镜头中产生温度梯度,影响相机成像质量。为保证相机光学系统的成像质量,需要对镜头在一定温度范围内进行消热设计。运用ZEMAX光学设计软件对某航空相机光学系统进行了热分析,并根据分析结果运用ANSYS软件实现了多片式、大视场角光学镜头被动式消热光机一体化设计,通过镜头内部补偿环节沿轴向的微位移改变镜间距,实现对光学系统不同温度下像质的补偿。同时,研制消热补偿试验件,采用一种高精度光学非接触式在线直接检测微位移的方法,精度达到±1 μm,完成了消热补偿试验件微位移测试。结果表明:不同温度下的微位移量与分析数据一致,最后通过对采用该消热一体化设计的实际航空镜头在不同温度下的像质检测,验证了该设计的有效性,镜头在各温况下性能良好。     

紧凑型中波红外成像系统无热化设计

红外成像光学系统应用日益广泛,并且对小型化有了更高要求,因此提出一种紧凑型中波红外成像系统的无热化光学设计。首先针对需求对光学参数进行了分析与计算,根据参数要求采用卡塞格林系统缩短系统纵向尺寸,然后用中继透镜组校正像差,考虑到透镜易于加工、成本低,中继透镜组采用全球面面型,最终实现了卡塞格林系统的次镜到红外探测器之间的尺寸小于47 mm,使系统足够紧凑。通过合理选择材料以及光焦度的分配,推导光学被动消热差方程,计算出系统的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化,最终实现波段为3.7~4.8?m,视场为3°×3°,温度范围-40℃~+50℃消热差结果,在空间频率17 lp?mm-1处,各视场光学调制函数(MTF)值均大于0.5。     

滚仰式捷联导引头视线角速度提取技术研究

滚仰式捷联导引头具有很好的应用前景,但在过顶跟踪时提取稳定的视线角速度问题一直没有妥善的解决方法。提出一种利用导引头提供的失调角、框架角及框架角速度等信息构建"虚拟偏仰式导引头"的方法,设计Kalman滤波器对目标垂直视线运动信息进行估计,进而间接提取出视线角速度信息,用于产生制导指令。仿真结果表明,在过顶跟踪时该方法能有效抑制视线角速度抖动,视线角速度精度显著提高。     

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。     

数字微镜阵列动态红外景象投射器光学系统设计

利用二次成像原理,采用准直物镜组和放大倍率为1/3的投影系统的组合方式,设计了小F数、短焦距、长出瞳距、长工作距离的基于DMD的中波红外景象投射器光学系统.整个光学系统采用锗和硅两种材料,包含11片透镜,其中:准直物镜3片,投影镜头7片,场镜1片.为了实现15-40℃范围内消热差和消色差,将投影系统设计成折衍混合系统.投射器光学系统在工作温度范围内,全视场空间频率161p/mm处的MTF＞0.6,具有较好的成像效果.