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。     

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。     

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。     

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.     

像方扫描技术研究

基于显微摄影的成像原理,研究了像方扫描以扩大视场的途径,并建立了一个二次成像的设计模型,包括一个大视场的固定前置物镜组和一个运动轨迹为球面的中继透镜组。物镜组所成的一次像面优化了场曲,中继透镜组则根据该场曲进行运动,对一次像面不同区域成像,并采用光学被动消热差以保证不同温度的像质。该模型的相对孔径1∶3,波长3.7 m~4.8 m,焦距90 mm,瞬时凝视视场为4,扫描视场达24,采用7片透镜3个非球面,在全视场范围内具有接近衍射限的像质。     

非制冷高变倍比连续变焦光学系统的设计

针对长波非制冷氧化钒320240像元焦平面阵列探测器,像元间距25 m25 m,采用变焦距光学系统设计原理,引入非球面和衍射面设计技术进行像差平衡,设计了长波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为8 m～12 m,视场为2.86～50连续可变,F数为1.2,变倍比为18∶1,在整个变焦范围内,光学调制传递函数在0.5以上,接近衍射极限,并且全视场能量70％集中在探测器的一个像元内。整个变焦光学系统仅使用一种红外材料(单晶锗)进行像差矫正。     

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.     

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.     

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%.     

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%。     

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。     

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件（DOE）,并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了18 mm~360 mm连续变焦,满足100 %冷光阑匹配,在空间频率16 lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。     

25倍中红外连续变焦光学系统设计

针对制冷型320pixel×240pixel凝视焦平面阵列探测器,设计了一个25倍中红外连续变焦光学系统。该系统由变焦系统和二次成像系统构成。变焦系统由两个子变焦系统串联而成,可以实现高变焦比;二次成像系统的作用是压缩物镜口径和实现冷光阑效率的要求。该中波红外连续变焦系统光学系统的工作波段位于3.7～4.8μm,可以实现12～300mm连续变焦,F数达到2.5,满足100%冷光阑效率的要求。该系统具有变焦比大、相对孔径大、变焦行程短和变焦轨迹平滑等优点。     

带增倍镜的红外变焦光学系统设计

设计了一种红外三档变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7~4.8μm,焦距为40/60/240mm,6×变倍比,具有100%冷光阑效率,加入2倍镜后,焦距为80/120/480mm。对系统进行了光学设计、传递函数分析、机械设计等分析,带增倍镜的红外三档变焦光学系统具有像质好、变焦速度快、结构紧凑的特点,可在红外成像系统中得到广泛应用。     

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。     

应用动态光学理论求解变焦光学系统补偿组凸轮曲线

变焦镜头在校正像差的同时,还要求像面稳定,才能保证成像质量。采用机械补偿的方法,可以保证凸轮的准确性以使像面稳定,从而保证成像质量。首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式,从而得到像移补偿组的轨迹曲线。再根据推导得出的补偿曲线加工出凸轮机构,可对光学系统变焦带来的像移实现完全补偿。此外还给出三个变焦系统的设计实例,用来验证该方法的正确性和实用性。     

红外仿真变焦光学系统设计

针对目前半实物仿真采用一弹一仿的问题,提出采用变焦距投影系统的五轴转台仿真方案,使得不同视场、不同焦距、不同型号的导引头可以采用同一套仿真系统进行仿真测试,提高了仿真系统的效费比。分析了红外半实物仿真用变焦光学系统的特点,设计了（8～12）μm波段衍射受限红外变焦光学系统,系统入瞳直径80mm,变倍比为3.0,弥散斑直径小于50μm。     

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。