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     

新型长波红外折衍混合消热差系统

为了提高大靶面高分辨率光学系统的性能,基于衍射元件独特的温度特性以及热补偿理论,设计了工作波段为8~12μm、视场角为16°、F/#为1.9、后工作距为133 mm的新型折衍混合消热差系统.系统采用三片式结构,使用锗和硒化锌两种常用的红外材料,仅引入一个二次非球面和一个衍射面,使系统具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点.实验结果表明:系统在较大视场内成像质量接近衍射极限,且在-30℃～70℃温度范围内性能稳定,适用于像元尺寸为35μm,像元数为640×480的现代非制冷型焦平面阵列探测器,从而实现了消热差设计.     

折衍混合光学系统超宽温消热差设计

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜,系统工作波段为3.2～4.5 m,视场角为8.42,焦距为95 mm,后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料,引入了2个非球面和1个衍射面, 实现了消热差和结构简单轻量化,该系统在－80～200 ℃范围内, 调制传递函数(MTF) 优于0.7,接近衍射极限, 成像质量良好,该系统适用于像元尺寸为35 m、像元数320240的非制冷红外焦平面阵列探测器。     

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。     

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.     

一种宽温双光谱红外搜索跟踪系统的设计

基于谐衍射光学元件特殊的色差和热差特性,将谐衍射元件应用于红外搜索成像系统中, 设计了一个双光谱宽温度范围的红外搜索跟踪成像系统,该系统工作波段为3.7—4.8 μm和8.7—11.3 μm, F数为2.5,有效焦距为200 mm,全视场角为5°, 环境温度为-80 ℃—200 ℃. 设计结果表明,使用谐衍射透镜不仅可以使系统在两个波段范围成像优良, 而且结构简单紧凑、透射比高、具有良好的消热差特性. 关键词： 光谱成像 红外搜索 热差     

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.     

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.     

中波红外折衍光学系统消热差设计与杂光分析

论述了红外折衍混合消热差光学系统的设计原理与方法,利用衍射光学元件特性进行消热差与色差,设计出工作波段为3.5μm~5.2μm、F数为2、焦距为100 mm、全视场角7,°具有100%冷屏效率的折衍混合消热差光学系统。对系统进行杂光分析,理想成像光线的像面辐照度为1.5×104W/m2,其他非成像光线的像面辐照度为2 W/m2。该系统在-50℃~80℃的温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为30μm、像元数320×256的致冷型红外焦平面阵列探测器。     

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...     

高分辨率红外导引头光学系统小型化设计

设计一种高分辨率中波红外成像制导光学系统。采用折射一次成像的结构形式,初始结构为远摄型物镜组。所设计的系统共用3个光学元件,通过引入非球面和二元光学衍射元件,增加光学设计的自由度,全视场达到10,系统总长为49 mm,焦距为70 mm。并且系统在-40℃~60℃温度范围内具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射极限,最大弥散斑直径小于15 m。适用于像元数为640512,像元尺寸为15 m,F数为2的红外焦平面探测器。系统具有成像分辨率高、视场大且体积小等优点,可用于小型红外导引头中。     

空间高分辨率宽视场红外光学系统设计

针对高分辨率、宽覆盖面积、全天时海洋目标的红外侦察与搜索需求,设计了一种大口径、长焦距的同轴折反射式中波红外光学系统。其工作轨道高度为1200km,波段为3.7~4.8μm,星下点地面像元分辨率优于10m。通过分析计算确定系统焦距为3000mm,相对孔径为1…4。采用镜头前组摆扫方式实现了视场角14.203°,地面覆盖宽度为300km。利用调焦机构在10℃~30℃温度范围内主动消热差,在奈奎斯特频率21lp/mm处全视场调制传递函数(MTF)大于0.39,接近衍射极限。实现了100%冷光阑匹配以抑制系统自身的杂散辐射。设计结果表明,该系统各项性能指标和结构的可实现性均满足要求。     

大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统设计

根据目前搜索和跟踪系统要求其红外成像光学系统具有高成像质量、超轻小型化和高温度适应性的特点。采用折反射式光学系统结构形式,基于J-T制冷型320×320凝视焦平面阵列探测器,设计了一种大相对孔径紧凑型无热化红外光学系统,光学系统远摄比达到0.6。采用光学被动消热差方法进行设计,使该系统在-40℃～60℃温度范围内实现了无热化。同时采用杂散辐射分析软件对系统进行杂散辐射分析,提出合理杂辐射抑制方案,给出了完整的光学系统设计。结果表明,光学系统在不同温度环境下所有视场的调制传递函数(MTF)(17lp/mm)均接近衍射极限,80%的能量集中在1个像元内,且具有结构紧凑、体积小等优点,可满足搜索和跟踪红外光学系统的使用要求。     

两片式远距结构消热差红外物镜

为解决光学消热差技术镜片多且结构复杂的问题,提出了一种两片式远距结构消热差光学设计方法。该光学系统由前折衍混合正透镜和后负透镜组成,衍射面补偿系统的大部分色差和小部分热差,剩余色差和热差由负透镜平衡。设计了用于非制冷红外探测器的长波红外物镜,焦距为120mm,F数为1.2,远距比为0.9。调制传递函数(MTF)的设计值接近衍射极限,轴上30lp/mm处MTF的实测结果优于0.45,成像质量优良。环境温度实验测试结果表明,-40℃~60℃温度范围内,靶标边缘锐利,无温度离焦。两片式远距结构消热差红外物镜适用于机载或弹载的轻量化光电系统。     

基于硫系玻璃的大相对孔径红外消热差光学系统设计

针对硫系玻璃材料热稳定性高、光谱透射率好、适合模压成型等特点,提出一种采用硫系玻璃的长波红外光学系统设计方法。理论分析了被动式光学补偿和机械补偿的设计过程。根据被动光学补偿原理求解系统初始光焦度分配,借助被动机械补偿方法设计了一种大相对孔径红外消热差光机系统。系统焦距为90 mm,F数为0.9,适配长波(8~14μm)非制冷红外焦平面探测器,其像素为640 pixel×512 pixel,像素大小为17μm。在-40℃~50℃温度范围内工作时,系统各视场调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。设计结果表明,利用硫系玻璃相互匹配并结合机械补偿方法可以实现系统被动无热化,能够得到性价比较高的红外成像光学系统。     

大相对孔径红外消热差物镜设计

研究了大相对孔径光学系统的设计方法,讨论了光学设计初始的光焦度分配计算,设计了F数为0.9的大相对孔径红外消热差物镜。建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,结合光学系统的结构型式和所选择的光学材料组合,获得了初始的光焦度分配,利用计算机辅助优化设计完成了像差校正。环境温度分析表明,在-40～60℃,该物镜成像质量稳定,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相符合。     

大相对孔径红外消热差物镜设计

研究了大相对孔径光学系统的设计方法,讨论了光学设计初始的光焦度分配计算,设计了F数为0.9的大相对孔径红外消热差物镜。建立了由多个光组构成的组合光学系统的消热差模型,结合光学系统的结构型式和所选择的光学材料组合,获得了初始的光焦度分配,利用计算机辅助优化设计完成了像差校正。环境温度分析表明,在-40～60℃,该物镜成像质量稳定,调制传递函数（MTF）接近衍射极限。实际设计结果与理论计算结果相符合。     

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。     

红外3.7～4.8 μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

研究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并给出了具体设计实例,该系统工作波段为3.7～4.8 μm,全视场角为7.12°,满足100%冷光阑效率.系统仅采用硅和锗两种材料,设计结果表明,该系统在-50～100℃温度范围内不仅成像质量接近衍射极限,而且结构简单、体积小、质量轻,适用于像元尺寸为30 μm、像元数320×240的凝视焦平面阵列探测器.     

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.