折/衍射混合红外目标搜索/跟踪光学系统设计

根据坦克目标搜索/跟踪系统的要求,设计了工作于8~12μm波段折/衍射混合红外连续变焦距光学系统。该系统解决了传统系统不能同时满足长焦距、大相对孔径、高变倍比、高成像质量和系统结构简单的缺陷,使设计的系统相对孔径大,F数为0.9,变焦倍率为11×,系统在长焦距时,可识别1500 m远的坦克目标。变焦系统仅用7片锗透镜,通过引入二元面和非球面校正系统色差和轴外像差,在空间频率为17 lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数(MTF)值均在0.64以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5μm的探测器敏感元内,能量集中度大于82%,表明系统具有良好的成像质量,满足坦克目标搜索识别系统的总体要求。     

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.     

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。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

20×非制冷型红外变焦光学系统设计

针对长波用160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统.该系统具有相对孔径大,F数为1.1,变倍比高,变焦凸轮曲线平滑等特点.系统使用锗和硫化锌两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差,在中焦时采用平滑换根提高了变倍比,通过对凸轮曲线的优化设计,有效地控制了变焦过程中光轴漂移.系统在空间频率为17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径为17.5μm的探测器敏感元内,能量集中度大于78%,表明该系统具有良好的成像质量.     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。     

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%.     

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。     

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。     

折反式微光夜视物镜的光学设计

介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计。设计参数为焦距100 mm,相对孔径1/1.4,视场10。为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻。在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度。经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50 lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2 %,物镜总长达到67 mm。     

微光全景光学系统设计

根据微光像增强器成像特性,设计了微光全景光学系统,采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法,并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm,工作波段0.4 m～0.9 m,有效工作F数1.5,水平视场360,垂直视场30～100。设计结果表明,系统全视场f 畸变小于6%,调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3,系统指标满足成像要求。     

折射-衍射混合高精度平行光管的设计

 平行光管是安装、调校、测试光学仪器的重要工具之一,也是光学量度仪器中的重要组成部分。为了提高平行光管的测量精度,利用衍射元件的特殊色差特性和像差特性,提出了折射-衍射混合平行光管的设计方案,系统的入瞳口径为80 mm,焦距为500 mm,系统总长小于550 mm。设计结果表明,系统的最大弥散斑直径为5.2 mm,角分辨率小于4.3″,在空间频率50 lp/mm处,系统的调制传递函数高于0.8,接近衍射极限。     

基于大面阵CCD的复消色差航空相机物镜设计

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法.介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组.采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420～850 nm.给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图.设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求.     

灵巧型离轴三反光学系统设计

基于同轴三反射光学系统基本原理,将孔径光阑和视场适当偏心,设计了一个灵巧型多光谱离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,并对设计结果进行了像质评价。实验结果表明:系统在可见波段（0.486 m ~0.656 m）80 lp/mm空间频率下MTF0.5,中波波段（3 m ~5 m）15 lp/mm空间频率下MTF0.35,全波段范围内最大RMS为2.096 m。系统中面型采用二次非球面,且整个系统仅有孔径光阑偏心,3个反射镜位置均无偏心和倾斜,降低了加工成本及装调难度。     

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。     

近红外线列探测器传递函数测试系统

器件的调制传递函数(MTF)表征了光电成像器件对空间频率的对比度传递特性,可以全面地评价其成像性能。随着器件的发展,用MTF来评价器件越来越受到重视。针对近红外InGaAs焦平面器件MTF的测试需求,搭建了一套用狭缝法测试该波段线列器件MTF的系统。系统采用全反射式Offner光学结构将狭缝高质量地成像在待测器件上。成像光学结构由两块共轴的球面反射镜构成,11成像,F数为4;在芯片工作波长为1.7 μm时,在高达8 mm×30 mm的宽视场内,20 lp/mm（对应尺寸25 μm×25 μm的芯片特征频率）处的实测MTF高于0.8,接近衍射极限。利用该系统对8元InGaAs线列探测器进行MTF测试（标称光敏元尺寸为100 μm×100 μm）,6次重复测试得到的MTF数据的标准偏差与均值之比,在截止频率10 lp/mm内小于2%,测量的相对不确定度小于4.7%。     

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。