8倍非制冷型红外折/衍射连续变焦系统设计

针对长波用320×240元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12 μm波段折射/衍射混合红外连续变焦光学系统,其相对孔径大,F数为1.3,系统变焦倍率为8.变焦系统采用锗和硫化锌两种材料,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率18 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)均在0.5以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5 μm的探测器敏感元内,能量透过率大于78%,表明该变焦系统具有良好的成像质量.     

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5～1.7μm,变焦范围为260～520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。     

30 mm~110 mm大孔径红外变焦热像镜头设计

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标,同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在国防、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍,利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头,变焦范围为30 mm~110 mm,工作波段在8 μm ~12 μm,F#为1.0,配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用,探测器像元尺寸为25 μm×25 μm,光学系统的总长小于230 mm,整个系统由7片透镜组成,并且只使用了锗一种材料,所有表面均为球面。实验结果表明:在短焦30 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3;长焦110 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析,得出一组较为宽松的公差。     

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.     

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。     

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.     

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。     

基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统设计

设计了一种基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统,焦距为70-800mm,11．4倍连续变焦。该系统采用二次成像技术,具有100％冷光阑效率,公差分配合理,没有冷反射和鬼像。在空间频率16lp／mm处,所有焦段的MTF值均大于0．5。采用衍射元件,提高了光学系统的像质,减小了光学系统的体积和重量,采用凸轮变焦,光机结构紧凑、重量轻。     

10倍全球面红外变焦光学系统设计

针对320240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 m~4.8 m的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内,成像质量满足设计要求。     

折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

高分辨率制冷型中波广角红外成像系统的光学设计

设计了一个F数为2,工作波段为3.7～4.8μm,全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型,通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局,利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计,使系统在-55℃至+80℃的宽温范围内,在空间频率为33lp/mm处的光学传递函数(MTF)均大于0.4,系统在15μm的像素尺寸内,能量集中度大于70%;采用f-θ设计,使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率;通过引入光阑像差和控制像方视场角,使像面具有较好的均匀性,边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%,且具有近100%的冷光阑效率,同时,系统具有较好的冷反射抑制效果,该光学系统适用于像素为15μm,分辨率为640pixel×512pixel的中波制冷探测器。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

硫系玻璃在无热化长波红外广角镜头中的应用

设计了一种工作波段为8~12μm、有效焦距为5mm、F数为2、视场角为110°的无热化长波红外广角镜头.根据红外无热化光学设计的基本原理,用了常规红外材料硫化锌、硒化锌和硫系玻璃材料制备的六片镜片,通过合理地分配各个镜片的光焦度以及相互间空气间隔等参量,在全视场角为110°的范围内实现接近衍射极限的成像效果.为了更好地控制系统像差,设计利用了硫系玻璃易于精密模压制备非球面的优点,在两片硫系玻璃镜片上设计了3处非球面.设计结果显示:系统在-40℃~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外成像,光学调制函数全视场内均大于0.4,同时在110°视场角时畸变控制在5%以下;实现了在较大视场角条件下控制红外广角镜头的畸变以及系统无热化等设计要求.该系统体积紧凑、质量较轻,整体设计符合民用红外车载镜头的使用要求.     

大相对孔径长波红外光学系统无热化设计

 针对目前许多军工仪器红外成像系统的结构简单、体积小、质量轻的无热化设计要求,采用光学被动式方法对8 μm~12 μm波段、相对孔径为1的红外光学系统进行了无热化设计。具体光学系统参数：F=1,f=60 mm,2ω=11.4°。设计结果：在-40℃~60℃工作范围内,该系统的调制传递函数（MTF）接近衍射极限,空间分辨率在20 lp/mm处,中心视场传函接近0.7,边缘视场传函大于0.6。其设计结果满足系统的无热化设计要求。     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

宽视场高分辨率闭路监控系统监控镜头设计

为了满足新形势下闭路监控系统（CCTV）对拍摄视场和高清分辨率的要求,设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80,F#为3,焦距为5 mm,光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 m7.5 m,1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处,全视场MTF接近0.65;在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数（MTF）大于0.85;在220 lp/mm处,全视场MTF大于0.3,已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9,RMS为0.015 9,达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明,该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。     

高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计

采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40~+50℃无热化设计。设计结果表明：光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。