光学被动式和机电式组合消热差方法的研究

为了解决机电式消热差中光学系统热差太大,透镜的移动不能补偿温度变化引起的像面漂移问题,提出光学被动式和机电式消热差相结合的无热设计方法。该方法先通过光学被动消热差方法得到合理的消热差透镜组合,使热差控制在较小的范围内;然后通过机电消热差的方法消除剩余热差。在(-40～60)℃温度范围内,利用该方法对波长为(7.5～10.5)μm的双视场红外光学系统进行无热化设计,借助传递函数(MTF)对设计结果进行评价,说明该设计在整个温度范围内满足系统像差要求。     

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。     

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.     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3～5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°；凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间；冷光阑效率为100％；在-40℃～60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.     

可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

大视场红外导引头光学系统消热差设计

为消除温度变化对共形光学导引头像质的影响,利用光学被动消热差理论对具体设计方法进行实际分析.根据消热差条件选择合理的透镜材料组合,利用衍射元件特殊的光热特性采用折/衍混合结构进行消热差设计.采用椭球形共形整流罩结构减小空气阻力,降低导弹头部气动加热效应,利用三片式反远距结构实现短焦大视场系统设计.该系统工作波段为3~5 μm,系统F/#为2,视场角为±90°;凝视结构的导引头光学系统后工作距达22.8 mm,为制冷型探测器留有足够的空间;冷光阑效率为100%;在-40℃~60℃温度变化范围内,15 lp/mm处全视场MTF值均大于0.4,满足高准确度定位导引头系统对成像质量的要求,保证了系统的轻小型设计.     

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30 μm、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8.8～11.2 μm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8.8～11.2 μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75 μm,小于红外探测器的像元尺寸30 μm,在红外探测器两个像元内,3.8～4.2和8.8～11.2 μm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。     

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.     

双视场红外光学系统的无热化设计

基于中波红外320240制冷型探测器设计了一套双视场红外光学系统,利用光学被动式补偿温度焦移,实现对系统的无热化设计。介绍光学系统结构参数的求解过程,用Zemax软件进行设计,并对该系统在不同温度下进行仿真以及像质评价。实验结果表明:光学系统采用二次成像结构,使用8片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了50 mm和200 mm两档变焦,满足100%冷阑匹配,在-20℃~60℃温度范围内,系统Nyquist频率处MTF值均大于0.5。     

红外大变倍比连续变焦距系统光学被动式无热化设计

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计,研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法,设计了一个焦距30~150mm,长波红外工作波段在8~12μm,相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统,并进行光学被动消热差设计,使系统在-30℃~60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理,成像质量满足要求,通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。     

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。     

中波红外成像无热化光学系统设计

介绍了温度变化对红外光学系统的影响和红外光学系统无热化设计的常用方法。应用CODE-V光学设计软件设计了一个工作于中红外光谱波段的折射式全球面镜无热化光学系统,采用锗、硅和硒化锌3种光学材料,系统镜间材料为铝合金。设计结果表明:在-40℃～+65℃温度范围内,光学系统的成像质量接近衍射极限,且光学系统的出瞳与光栏重合,具有结构简单、体积小、质量轻、成本低等优点,可应用于空间红外光学系统。     

中波红外光学系统无热化设计和冷反射抑制

为了得到性能好、稳定性高,能够满足民用、军事等领域应用的中波红外成像光学系统,采用光学被动式的无热化技术,在常温下像质良好的初始结构基础上,通过对不同红外材料组合,实现系统的无热化设计。利用等效温差(NITD)计算冷反射贡献量,对冷反射贡献量较大表面的曲率和光焦度进行优化。设计结果表明:在-40℃~60℃温度范围内,光学系统的MTF在30 lp/mm处均大于0.5;离焦量在一倍焦深以内,点列图(RMS)直径小于像元尺寸;冷反射残存量最大的表面NITD值降低40%。应用该方法可以很好地实现红外成像光学系统的无热化设计,对冷反射的抑制效果明显。     

折反式红外镜头的无热化研究

研究了一种低成本折反式红外系统的光学被动消热差技术,通过理论分析温度变化对二次成像系统性能的影响,在次镜上采用曼金折反镜,将热离焦作为附加的初级像差引入像差平衡关系式,通过常规光学系统消像差和热差4种途径（分配光焦度、有效匹配光学材料与镜筒材料、改变透镜形状、引入非球面）实现全被动补偿。在此基础上建立了一个通用模型,在-45℃~+60℃温度范围内的MTF在17 lp/mm时达到0.5以上,冷反射等效温差在0.52℃以内。     

基于硫系玻璃的紧凑式大相对孔径长波红外光学系统无热化设计

硫系玻璃作为光学晶体的替代材料得到广泛关注,其具有光谱透过率高、热稳定性好、适合模压成型、价格便宜等特点。基于硫系玻璃的温度特性以及光学被动消热差理论,设计了工作波段为8 μm～12 μm、F#为1、视场角为38°、系统总长为16.7 mm红外消热差光学系统。系统采用三分离式结构,使用IRG202和IRG206两种硫系玻璃材料,仅引入2个偶次非球面,未使用衍射面,具有结构紧凑、成本低、光通量高等优点。系统适配像元数为384×288 的非制冷型红外面阵探测器,像元大小为17 μm。设计的镜头在?40 ℃～60 ℃温度范围内,各视场调制传递函数在奈奎斯特频率处均大于0.4,光学系统成像性能稳定。该系统可广泛应用于车载夜视和安防监控领域中。     

消热差大相对孔径中波红外望远物镜的研制

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求,研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜,其焦距为100mm,F数为1,全视场角为5°.物镜设计采用了匹兹伐结构型式,仅由两块硅(Si)透镜和一块锗(Ge)的折/衍混合透镜组成,能够实现-20～+60℃环境温度变化范围内光学被动消热差.对实际加工的红外物镜进行...     

复杂CCD航空相机光学系统快速消热差设计

提出利用变焦系统设计思想来快速实现复杂航空相机光学系统消热差设计的新方法,基于光学式补偿基础,建立了变焦设计与消热差设计的对应关系模型。设计常温下满足成像质量要求的消色差的良好光学系统;建立多个变焦位置,分别对应于不同的工作温度状态;通过优化设计快速发现材料组合,满足宽工作温度范围内像质均良好的要求。利用该方法设计了一工作于0.45～0.70 m波段,焦距650 mm,F数为5.6,视场为5.5的航空CCD相机光学系统,结果表明系统在-40～60 ℃之间成像均保持良好,调制传递函数下降5%。     

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。