红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

中波红外镜头光机热集成设计分析研究

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60mm,工作波段2.5~5.3μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40^+60℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40^+60℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。     

大孔径变焦投影镜头设计

为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。     

红外变焦投影光学系统的设计

根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。     

红外场景投射器双波段投影光学系统设计

为了使红外场景投射器投射出的红外场景更加逼真,设计了一入瞳距800mm、入瞳100mm和视场为±2.5°的双波段红外场景投射器投影光学系统。研究了红外场景投射器双波段投影光学系统的设计过程,分析了初始结构选择的方法。该系统可以模拟主要发出波长为3~5μm的高温物体和波长为8~12μm的常温物体,可以分别使用3~5μm波段红外探测器和8~12μm波段红外探测器进行观测,并对该系统进行了像质评价和公差分析。     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

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。     

折反式超短焦变焦投影镜头的设计

为了实现在短距离内投射出大视场、高清画面,降低超短焦投影的加工成本和装调难度,设计了一款不含非球面折射透镜的折反式超短焦变焦投影镜头。系统使用16.76mm(0.66in)DMD微透镜显示芯片,16片球面折射透镜和一片非球面反射镜,非球面反射镜能有效校正系统的畸变、抵消折射透镜组的场曲和像散。光学总长为250mm,投影距离是424～509mm,投射画面尺寸是2.286～2.794m(90～110in),视场角150°,投射比为0.21,水平、垂直TV畸变小于0.25%,相对照度大于90%,MTF在0.48lp/mm时大于0.5。样机测试结果显示各项指标满足系统设计要求,全玻璃透镜的设计易于加工和生产,有效降低超短焦投影系统的加工装配成本。     

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。     

可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块,其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm),讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成,分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm),近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm),光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光,线阵探测器探测信号,光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关,装调结果的好坏能反映光机设计的优劣,针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明:3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm,15 nm和20 nm,达到了仪器的设计指标,验证了光机设计、装调的合理性。     

双波段CCTV鱼眼镜头光学系统设计

根据CCTV（closed circuit television）镜头的使用需求,以“非相似”成像原理为基础,设计了一款双波段CCTV鱼眼镜头。系统工作波段480 nm～850 nm,可见光和近红外光双波段成像,可实现昼夜监控。镜头F数1.8、视场角1800、焦距1 mm、光学总长7.76 mm,具有大相对孔径、大视场角、小型化等特征。采用7组9片式反远距结构,无特殊玻璃、无非球面,大大降低了系统复杂化程度和加工制造成本。利用光学设计软件Zemax对其进行光学系统设计,选取1/3英寸CCD作为探测器,在奈奎斯特频率120 lp/mm时,其各个视场的子午调制传递函数曲线和弧矢调制传递函数曲线值均达到0.5以上,接近衍射极限,成像质量很好。全视场场曲均小于1 mm,相对畸变小于25%,相对照度在95%左右,满足CCTV镜头的使用要求,可广泛用于监控侦察等领域。     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26～34 mm,视场角为36.2°～28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2％以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

变焦放映镜头的设计

为满足场地规格略有不同的影厅的放映需求,基于机械补偿式的变焦思想,设计了一个四组九片式的变焦电影放映镜头,给出了凸轮曲线的设计方法以及光学镜头结构参量,并通过与一款经典35 mm变焦放映镜头结构的对比分析,阐述了该镜头的特点.镜头全部采用球面玻璃透镜,焦距为26~34 mm,视场角为36.2°~28.3°,相对孔径为1/1.7.系统总长为158 mm,全口径为71 mm.畸变保持在2%以内,在44.6线对/毫米的空间频率时,轴上调制传递函数高于0.68,轴外全视场的子午方向调制传递函数高于0.38,弧矢方向调制传递函数高于0.58.结果表明,本系统具有亮度高、像面稳定、结构紧凑、工艺性好等优点.     

光机热集成分析在高光谱成像仪紫外镜头中的应用

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上,建立了紫外镜头的热 结构分析模型,得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果,并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明,在镜头的工作范围内,镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右,能满足高光谱成像光谱仪的使用要求,同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。     

KrF深紫外光刻投影物镜光机热集成分析与优化

提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法,用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先,采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式,实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次,通过对光学元件进行热力耦合分析,验证了光机系统的合理性。然后,在光机热集成分析条件下,分析了单个光学元件的灵敏度,以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ(F为焦距,θ为物方视场角)畸变的影响。最后,通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化,并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2.5℃、重力）下,光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm,能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2℃、重力）,优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm,校准F-tan θ畸变小于6.00 nm,相较于优化前,波像差RMS提升了46.98%,校准F-tan θ畸变提升了77.69%,达到了设计要求。     

双波段大变倍比连续共变焦光学系统设计

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力,解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题,设计了一种可见光(0.38~0.76μm)、中红外(3~5μm)共口径连续共变焦光学系统,系统工作焦距为7.52~98.35mm,变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律,推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配,使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同,提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求,采用光学被动式完成双波段光学系统在-40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明,系统结构紧凑,反应速度快,整体成像质量良好,可实现昼夜全天候工作.     

激光／红外双波段减反射膜研究

在硫化锌、硒化锌两种基底上开展了激光／中波红外、激光／长波红外双波段减反射膜技术研究。通过采用离子辅助沉积以及镀保护膜层等方法,对膜系结构和镀制工艺进行了优化。研制的激光／红外双波段减反射膜不仅具有良好的光学性能,而且具有较强的抗恶劣环境能力,可以满足实际使用要求。     

二元光学双波段红外成像光谱仪

根据红外辐射的大气窗口特性、二元光学元件特殊的色散特性和多级衍射特性,提出了利用二元光学透镜的新型中波和长波红外双波段成像光谱技术,从理论上阐述了二元光学双波段红外成像光谱仪的基本原理和设计方法,实际例子证明了设计的可行性,利用此方法可研制轻型、价格低廉的双波段红外成像光谱仪.     

中长波红外双波段自由曲面棱镜

为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题,提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法,实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7～4.8μm和8.0～12.0μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处,系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知,该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时,完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。