实现复消色差的超常温混合红外光学系统

讨论了利用二元光学元件实现红外光学系统消热差的原理和方法，分析了二元光学元件的色散特性及其在校正二级光谱中的优越性，给出了实现复消色差和超常温消热差的混合红外光学系统设计实例.该系统焦距100mm，相对孔径1/2，视场角6°，工作波段8—11μm；采用了两种最常用的硅和锗材料，共三片，结构简单.在-80—200℃的超宽温度范围内，成像质量稳定并达到衍射极限，约在系统0.7孔径处轴向像差曲线基本相交于一点，实现了系统的复消色差. 关键词： 红外光学系统设计 消热差 复消色差 折射/衍射混合光学系统     

折射/衍射红外光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件的温度效应以及混合光学系统的消热差设计方法 ,给出了视场4 .2°、冷光栏效率 10 0 %、温度范围在 - 30～ 70℃的红外折射 /衍射混合消热差系统的设计结果     

含双层衍射元件消热差长波红外光学系统设计

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法,设计了一个含双层衍射元件-30℃～70℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料,优化衍射表面的浮雕深度,设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明,在整个设计温度范围内,该光学系统成像质量良好,光学传递函数在16lp/mm时均在0.6以上。     

折/衍混合红外光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件的温度特性以及混合红外光学系统的消热差设计方法.设计了工作在3.7～4.8μm,视场4.5°,具有100%冷光阑效率的折射/衍射混合红外光学系统.该系统在-30～70℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可用于像元尺寸为30 μm的制冷型凝视焦平面阵列探测器上.     

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。     

新型轻量化可见光光谱仪成像系统研究与分析

利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性,将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中,提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统,基于衍射光学元件独特的负色散特性,用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差,基于自由曲面光学元件的多自由度特性,在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正,针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤,设计结果表明,在相同的参数指标前提下,新型系统仅为4片式结构,和传统系统相比,重量减轻22.9%,总长缩短26.6%,最大口径减小30.6%,调制传递函数值最大提升为1.0视场,调制传递函数值提高0.35,最大畸变减小1.6%,最大垂轴像差减小56.4%,轴向色差减小59.3%,新型系统各方面的性能都得到了较大的改进,为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。     

含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则,选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合.为提高衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法.利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°,F#为2,有效焦距115 mm.系统在3.4~4.2 μm和8~11 μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上；－40~100℃温度范围内,中心视场的调制传递函数值变化最大为0.09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0.13.     

折/衍混合大视场消热差红外双波段光学系统设计

根据双波段消热差理论设计了大视场消热差红外双波段光学系统.系统为4片式反远结构,包括一个衍射面和一个非球面,设计波长为3.5~4.8μm/8~12μm,焦距为8mm,全视场80.2°,F/#为2,系统出瞳与冷光阑严格匹配,满足100%冷光阑效率.根据消热差条件和波段间消色差条件,得出4片分离薄透镜光焦度分配的解,进一步建立了三维投影消热差图,据此合理选择光学材料.根据环境温度要求,利用光学被动式消热差的方法实现了系统在-40~60℃的温度变化范围内的消热差设计.结果表明,系统在环境温度变化范围内成像质量良好,实现了光学系统无热化.     

红外双焦无热化空间相机光学镜头设计

针对空间碎片探测相机光学镜头的设计要求,提出了一种全新的紧凑型、小型化、轻量化、高像质、可全天候工作、使用环境恶劣的光学镜头,突破了以往该类系统结构复杂、体积大、重量重、仅有一个焦距的瓶颈。利用衍射光学元件特殊的特性进行消色差和消热差设计,并利用锗和硅混合来校正系统色球差,最终设计镜头的焦距为30, 120 mm,相对孔径为1/4。设计结果表明,在空间频率16 lp/mm处,－40～60 ℃温度范围内,短焦距、长焦距的传递函数值分别优于0.45和0.55,接近衍射极限;短焦距、长焦距的最大RMS弥散斑直径分别为15.8, 7.2 m,远小于探测器像元尺寸30 m,表明该系统在实际使用温度环境下具有良好的成像质量。     

轻小型双光谱红外成像探测系统研究与分析

结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点,针对现代最先进的像元尺寸为30μm、像元数320×240的红外双色探测器,提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案,利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测,仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8~4.2和8.8~11.2μm双光谱处在-120℃~200℃温度范围内同时探测。系统仅使用锗和硒化锌两种材料,引入了一个非球面和一个谐衍射面,实现了消热差、消色差和结构简单轻量化,设计结果表明,该系统在-120~200℃温度范围内,3.8~4.2和8.8~11.2μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75μm,小于红外探测器的像元尺寸30μm,在红外探测器两个像元内,3.8~4.2和8.8~11.2μm光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%,成像质量良好,方案工程实现性好,设计方法和设计结果合理可行。     

二元光学在光学观测轰炸瞄准中的应用研究

光学观测瞄准是大中型轰炸机主要的对地攻击瞄准方式,其光学系统一般采用望远式光学系统,这就要求光学系统能满足可见光和近红外光两个光谱波段。根据国内大中型轰炸机光学观测瞄准系统的主要缺陷,结合光学观测瞄准的实际,探讨了基于二元光学的光学观测系统的组成结构和瞄准原理,分析了可见光波段混合目镜的光学性能、谐衍射物镜的衍射效率以及近红外光波段光学系统的像质,推导了横偏棱镜调平误差引起的瞄准误差的数学表达式,并对设计的合理性进行了验证。     

二元光学透镜在资源卫星中的应用

使用一种基于二元光学透镜的分光成像及消色差原理的新方法来设计资源卫星的中继光学系统。通过分析二元光学透镜的分光成像原理、消色差原理、衍射效率与阶数和工作波长及设计波长的比之间的关系,又考虑到单独设计制造二元光学透镜的难度,采用折衍混合成像光学系统来拟定资源卫星中继光学系统的设计方案,给出用ZEMAX软件设计的具体结果。设计实例及分析结果表明,包含二元光学透镜的折衍混合成像系统可以很好的实现光谱波段分离,用于资源卫星的光学系统具有一定的适用性。     

3.7 μm～4.8 μm波段折/衍混合红外光学系统的无热化设计

研究了混合式红外光学系统的光学无热化设计方法,在设计中引入了热差互补的设计思想,将无热化应满足的设计方程作为CODEⅤ中优化的约束条件,设计出工作于3.7 μm～4.8 μm波段、F/#为2、视场角为±5°、焦距为70 mm的具有100%冷屏效率的折/衍混合式消热差物镜.该系统在-40 ℃～60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可供像元大小为15 μm的高分辨率致冷型凝视焦平面探测器使用.     

红外折射-衍射混合光学系统的热差分析

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,指出衍射光学本身对热差的贡献是微小的,但它的特殊色散特性却在红外折射－衍射混合光学系统设计中间接地以了消热差的作用。设计了适用于３～５μｍ波段的红外折射－衍射混合光学系统并进行了分析。     

中波红外制冷型光学系统消热差设计

 对比了典型消热差方法的优劣,探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上,根据系统要求的温度范围 60℃～90℃,在常温初始结构的基础上,利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构,运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡,最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑,实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝,光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内,最大离焦量小于1倍焦深,空间分辨率17 lp/mm处,光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74,接近衍射极限,点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。     

8～14μm波段折衍混合红外光学系统的热补偿设计

大多数军用和空间光学仪器的工作环境温度变化范围都较大，温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都将发生变化，同时元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化。由于红外光学材料的折射率温度系数dn／dT较大，环境温度对红外光学系统的影响显得尤为严重。因此在红外成像系统中不得不加入主动或被动补偿机构，以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能的降低。利用衍射元件独特的温度特性实现红外光学系统热补偿设计的方法，设计了波段为8～14μm、视场为16。的折衍混合红外光学系统。该系统使用硒化锌和锗两种红外材料，在一40～60℃的温度范围内的成像质量接近衍射极限，并且体积小、结构简单，重量轻。     

共轴球面光学系统的热象差分析

本文系统分析了径向均匀温度场中,热对共轴球面光学系统的影响,得到了初级位置热象差与初级倍率热象差的一般表达式.在此基础上得到了均匀温度场中薄透镜系统的热象差表示式,该热象差表示可以用来指导无热象差光学系统的设计.最后根据上述分析,讨论了几种简单系统的热效应与无热象差设计途径.     

胶粘光学元件的热应力和变形分析

由于光学元件和装配材料热膨胀系数的不匹配,在环境温度变化时会导致光学元件中产生热应力,并引起光学元件表面产生变形,影响光学系统的性能.针对光学元件的粘接固定方式讨论了连续边缘粘接引起的热应力和变形的分析方程,得出连续边缘粘接无热厚度的解析方程.采用有限元分析软件对胶粘固定光学元件进行了建模和热应力分析,得出光学元件边界...     

Hybrid photonics structures with grating and prism couplers based on ZnO waveguides

This paper presents the results of investigations concerning input-output systems of an electromagnetic wave in the visible and near visible spectrum for their application in structures of integrated optics. The input-output structures used in described planar optical waveguides are in a form of prism and grating couplers. The first part of the paper contains numerical analysis of grating couplers aiming at an optimization of their geometrical parameters, strictly — the depth of the grooves in the grating coupler. The second part presents the practical realization, as well as experimental tests of the planar optical waveguide with the hybrid input-output system. As the input system of the electromagnetic wave, a prism coupler was used, and in the case of the output system — a photonic structure with grating coupler was applied. The investigated planar wave guides with the input-output structures were made of a wide energy band gap semiconductor — zinc oxide (ZnO).