高变倍比大相对口径长波红外变焦系统设计

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求,通过采用复合变焦光学系统结构,增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器,设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统, 光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成,通过引入衍射光学元件校正长焦端色差,工作波段为8 μm~12 μm,焦距变化范围为-9 mm~-272.25 mm,F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。     

80倍中波红外连续变焦光学系统设计

基于复合式变焦系统结构,提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下,针对中波制冷型15μm、640×512的凝视型焦平面探测器,设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8μm,F数为4,利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740mm,变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料,共八片透镜,利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析,从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明,该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.     

大口径高变倍比红外目标模拟系统的设计

为了模拟红外目标由远及近的飞行过程,结合高变倍比红外连续变焦系统与大口径投影系统设计了一款红外目标模拟系统.连续变焦系统变倍比为20倍,工作波段为8~12μm,大口径投影系统口径为300mm,工作温度为-30~40℃.基于对系统参数的计算与分析,通过推导的消热差及消色差方程对材料进行合理选择及光焦度分配,实现了光学被动消热差设计,应用动态光学理论对变焦凸轮运动曲线进行了计算与绘制.系统成像质量分析结果表明,变焦过程中像面稳定,成像质量良好.该系统可以实现高倍率红外目标飞行距离的连续变化模拟,具有变倍比高,体积小,像质好,环境适应能力强等特点.     

高变倍比红外变焦距光学系统设计

 采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8μm～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17μm的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。     

一种新型复合变焦光学系统

基于复合变焦光学系统原理,提出了一种新型复合变焦光学系统结构。该结构将连续变焦与两档变焦结合,可以增大变焦光学系统的焦距变化范围,实现更大的搜索范围和更远的跟踪距离。建立了新型复合变焦系统光学设计的数学模型。在该模型的指导下,针对像元数为320×240,像元尺寸为30μm×30μm的长波红外非制冷焦平面探测器,设计了一款新型复合变焦光学系统。该系统工作波段为8~12μm,焦距变化范围为10~360mm,在10~60mm时,F数为2,在60~360mm时,F数为4。对光学系统凸轮曲线和性能进行了分析。结果表明,该系统具有变倍比大、结构简单、像质好和变焦轨迹平滑等优点,验证了该数学模型的有效性。     

基于480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统设计

设计了一种采用长波480×6阵列探测器的红外连续变焦光学系统.该系统利用机械补偿法变倍原理和非球面、衍射面进行像差平衡,工作波长范围为长波7.7~10.3μm,F数为2.62,变倍比达到15∶1.通过对连续变焦光学系统的传递函数、畸变、衍射元件、变焦曲线等性能的综合分析与评价,结果表明在变焦范围内下各个视场均可获得较好的光学性能,光学系统光路总长480mm、后截距为28mm、传递函数大于0.3、畸变小于5%.     

基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的两档轴向移动式红外变焦光学系统.系统工作波段为3.7～4.8μm,焦距为80/240mm,F#为4,探测器采用640×512的中波制冷红外探测器,探测器的像元尺寸为15μm×15 μm,该系统具有100％冷光阑效率.在光学设计中采用了衍射元件,大大提高了光学系统的像质,有效减小了系统的体积和重量.对光学系统进行了合理的公差分配和冷反射分析.仿真结果表明,该系统结构紧凑、变倍时间较短、成像质量优异.     

大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计

针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求,采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15μm大面阵中波制冷红外探测器,设计了一款变倍比为48、焦距范围为25～1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计,采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数,以及光路巧妙折转的设计思路及方法,在保证100%冷阑效率的同时,实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明,该光学系统在-40℃～+60℃温度范围内具有良好的成像质量,且光学最大口径为230 mm,光学总长仅为350 mm,该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点,可满足新一代红外成像系统的要求。     

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12 μm 波段折射式长波红外连续变焦系统,该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4∶1,在50～200 m m 范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围,用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17 lp mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.     

基于联合变换相关器的远红外变焦光学系统设计

为了提高联合变换相关器跟踪和识别目标的能力,且满足坦克瞄准镜的工作要求,针对1英寸红外CCD探测器,设计了8～12 μm波段折射式长波红外连续变焦系统.该系统采用机械补偿的方式,变焦过程中相对孔径不变,F数为2,变倍比为4:1,在50～200 mm范围内可实现连续变焦,且变倍曲线和补偿曲线平滑,扩大了坦克瞄准镜的搜索范围.用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明,在17 lp/mm空间频率处,全焦距范围内调制传递函数均在0.53以上,接近衍射极限,像面稳定性良好,满足光学系统的设计要求.     

减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像,提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程,运用动态光学原理,拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°,补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程,得到的变倍曲线的最大压力角小于37°,补偿曲线的最大压力角小于23°,得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角,实际变焦系统能够连续清晰地成像.     

非制冷高变倍比连续变焦光学系统的设计

针对长波非制冷氧化钒320240像元焦平面阵列探测器,像元间距25 m25 m,采用变焦距光学系统设计原理,引入非球面和衍射面设计技术进行像差平衡,设计了长波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为8 m～12 m,视场为2.86～50连续可变,F数为1.2,变倍比为18∶1,在整个变焦范围内,光学调制传递函数在0.5以上,接近衍射极限,并且全视场能量70％集中在探测器的一个像元内。整个变焦光学系统仅使用一种红外材料(单晶锗)进行像差矫正。     

大面阵连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

基于红外扫描图像系统理论,设计了一款采用大面阵1 280×1 024 pixel@12μm/F2中波制冷传感器的连续变焦面阵扫描红外光学系统。按照设计指标要求,对光学系统参数进行分析后,确定采用像方扫描方式补偿扫描平台运动产生的积分时间内的物面移动,解决面阵探测器扫描时的热成像拖尾现象,望远系统采用二次成像、负组元变倍、正组元补偿的结构形式实现连续变焦,即光学系统结构确定为三次成像的型式。在设计程序中对凸轮曲线、扫描光学系统的热冷反射做出分析调整。光学模拟结果显示：系统在扫描振镜往返情况下,全视场的MTF值在频率42 lp/mm处均大于0.3,并且凸轮曲线在整个变焦过程中平滑,没有出现拐点,最大压力角小于50°。最后,对系统开展了成像实验测试,实验结果表明：该控制系统能够在60 mm～600 mm区域连续变焦,在变焦过程中成像周围景色清晰可见,完全没有冷反射情况发生,同时系统在旋转扫描过程中成像均清晰稳定,没有拖尾现象。该系统可用于连续变焦搜索跟踪一体的红外系统中。     

AOTF光谱相机前置变焦光学系统设计

基于声光可调谐（AOTF）光谱相机的技术指标和性能要求,采用机械正组补偿方式,实现了10可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程,并用Zemax光学软件进行设计,对设计结果进行了像质评价和像差分析,并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明:该系统在0.38 m~0.7 m波段实现了30 mm~300 mm连续变焦,在空间频率50 lp/mm处调制传递函数（MTF）值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段,具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点,能够满足光谱相机的成像要求。     

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件（DOE）,并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了18 mm~360 mm连续变焦,满足100 %冷光阑匹配,在空间频率16 lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。     

高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计

采用机械补偿法变焦型式,建立两组元连续变焦光学系统模型,在该模型的制导下,针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm,焦距范围覆盖30 mm~500 mm,工作温度范围覆盖-40℃~+60℃,变焦过程中F数恒定为4,系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析,对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明:该系统在0.8视场内,全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25,在25 lp/mm处大于0.4;全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。该系统具有变焦轨迹平滑,冷反射抑制特性优良,成像质量佳,环境适应性好等优点。     

6倍制冷型中红外连续变焦光学系统设计

提出了一种求解变焦方程的新方法,并针对中红外320×256元制冷型焦平面阵列探测器,设计了一个3.7～4.8 μm波段的透射式红外连续变焦距光学系统,其F数恒定为2,最小焦距值为22 mm,变倍比为6。系统由变焦物镜和二次成像系统构成,包括7片硅、锗透镜,并引入非球面以校正系统各种轴外像差,同时利用两个平面反射镜折叠光路以减小尺寸。在空间频率16 lp/mm处和全焦距范围内,系统各个视场的光学调制传递函数均大于0.55;在接收面为30 μm×30 μm的探测器敏感元内,能量集中度大于80%。因此该系统具有较好的成像质量。     

高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。     

变焦系统凸轮曲线的优化设计

由于变焦系统凸轮曲线的的质量直接影响像质,因此从实际应用出发,以变焦方程和动态光学原理为依据,结合实际工作中需要设计的变焦镜头,通过对变焦系统高斯计算的过程进行分析,指出影响凸轮曲线的主要因素为变倍组和补偿组的焦距以及二者的间隔。针对3个参量之间的对应关系进行讨论,提出了优化凸轮曲线的方法。     

25倍中红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320pixel×240pixel凝视焦平面阵列探测器,设计了一个25倍中红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成。变焦系统由两个子变焦系统串联而成,可以实现高变焦比;二次成像系统的作用是压缩物镜口径和实现冷光阑效率的要求。该中波红外连续变焦系统光学系统的工作波段位于3.7～4.8μm,可以实现12～300mm连续变焦,F数达到2.5,满足100%冷光阑效率的要求。该系统具有变焦比大、相对孔径大、变焦行程短和变焦轨迹平滑等优点。