Software lens compensation applied to athermalization of infrared imaging systems

A different approach, aiming to achieve the constant blur status of point-spread function (PSF) at a certain defocused plane, is described. The correlation between the two PSF is used to control the PSF blur similarity, and simultaneously the Strehl ratio is also used to control the PSF blur minimization. By designing the PSF so that it is significantly insensitive to defocus or related defocus quantity, for example, due to temperature change, all the constantly blurred images can be accurately de-blurred by a simple inverse restoration filter for an adequate range of defocus. We refer to that as “software lens compensation” and apply a design method to solve the athermalization of middle wavelength infrared (MWIR) imaging systems. The resultant PSF is almost invariant in the temperature range from −10 to 50°C at the same focal plane. Consequently, the constant blur spot can be removed by a simple digital signal processing. Thus, clear and sharp de-blurred images at different temperatures are obtained.     

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。     

Design of an Athermalized Hybrid Single Lens in the 3-5μm Wavelength Band

With recent advances in technology, diffractive lenses can be used for a variety of applications. In this paper, the diffractive lenses are treated on an athermal chart which is developed for refractive lenses. An athermalized hybrid single lens designed with the chart, operating in the 3-5 μm wavelength band is presented.     

短波红外昼光恒星成像光学系统设计

由于太阳光散射在地球大气中产生的背景辐射使得可见光传感器极易饱和,导致在白天测星很困难。通过分析可知,红外传感器在白天测星的概率比可见光传感器要高得多。针对红外测星特点,介绍了一种短波红外光学系统的设计方法,给出了一种工作波长为2．0～2．5μm,相对孔径为1．4,焦距为140mm的镜头设计过程。该镜头结构紧凑,用材特殊,能适应-50～70℃的环境要求．实现全天候测星。     

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     

切换式变焦系统热补偿技术的研究

针对切换式红外光学系统的长焦部分单独成像,切入一组透镜后实现短焦部分成像的特点,提出了一种对切换变焦系统的长短焦部分分别进行热补偿的方法。在-30～＋70℃范围内,移动长短焦共用透镜组实现对长焦的热补偿,对此时短焦系统剩余的热差,移动短焦切换组元来实现其热补偿。设计了一个焦距180／60mm,8～12um,F数为2的切换变焦系统。分析了系统在不同温度时的像质,两个补偿透镜组的位移量及其数值关系。用Diffsys软件对系统中使用的衍射元件的特性进行了分析。此系统的长短焦不需要考虑各种材料搭配,转好地实现了热补偿。     

无热化双视场红外光学系统的设计

介绍了一种无热化双视场红外光学系统的光学设计,给出了系统的主要技术指标和要求,说明了系统的设计原理和实现方法。利用变焦原理和折衍混合系统无热化设计技术,仅用7个光学元件实现了双视场、无热化红外光学系统的设计,并且系统中只利用1个透镜的轴向移动,实现了双视场转换。给出了系统的仿真和像质评价结果。     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

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。     

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。