1.3～5μm宽波段红外成像光学系统设计

宽波段红外成像技术可以获取丰富的波段信息,在目标识别和频谱分析中具有独特的优势。设计了一种1.3~5μm宽波段短中波红外光学系统,该光学系统采用二次成像设计,包括7块透镜和2片反射镜,其中使用了2片硅非球面和1片硒化锌基底衍射面用以校正像差和色差。利用光学设计软件给出了系统的光学参数和二维外形结构图,并且对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现在工作波段1.3~5μm宽波段中成像,其F数为2,满足100%冷光阑效率。该系统结构紧凑,像质较好,能够实现宽波段成像要求。     

可见/红外双色共孔径光学系统设计及实现

为解决现有的共孔径双波段相机成像质量差、结构复杂、体积庞大的问题,提出了一种可见/长波红外双色光学系统设计.在两个波段共用前端反射结构、主镜背部加分色镜,实现了可见光与长波红外同时成像,保证了系统结构的紧凑性.分析了分色镜对红外波段成像的影响,以及分色镜偏离竖直方向不同角度的影响.对红外波段的校正系统及像面进行了?2....     

用于太阳光谱仪的光电探测系统线性度测试装置

依据光叠加原理研制了一台太阳光谱仪光电探测系统线性度测试装置。该测试装置由300 W高稳定度氙灯光源、250 W卤钨灯光源、双层中性滤光片轮、双孔光阑及光学成像系统组成。依靠中性滤光片改变光束强度,依靠独立开闭的双光阑和光学成像系统实现光流叠加。该装置工作波段为200～2 400 nm,可模拟紫外-可见-红外波段地外太阳光谱辐照度,动态范围为104,已用于太阳光谱仪等光谱仪和硅光电二极管标准探测器等光电探测系统线性测量。     

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.     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

双波段全天空云量观测系统研制及数据分析

为实现全天时、全天空云量观测,提出并研制了一种双波段全天空云量观测系统。该系统在可见光波段通过内置遮光装置和高动态范围（HDR）图像合成技术,可采集清晰完整的全天空图像,同时,其在红外波段的一次成像可获取160°视场范围天空图像,较传统扫描拼接式红外观测模式更加简单快捷。主要阐述了该系统在不同波段的全天空成像原理以及云图分割方法。从双波段云量观测数据的一致性和准确性两方面进行分析,验证了该系统在云量观测上具有较高的准确性。     

红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计

大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。     

双通道曲面棱镜高光谱成像系统设计

为满足航空航天载荷宽谱段、小型化的探测需求,提出一种双通道曲面棱镜高光谱成像系统的设计方法,实现单台光谱成像仪可同时覆盖可见光和短波红外两个波段。可见光和短波红外两个通道共用一个离轴三反前置成像系统和部分光谱系统,通过在像面前放置的分色片进行分光,使得可见光由分色片全部反射,短波红外由分色片全部透射,反射光和透射光分别被不同的探测器接收。根据此方法设计了谱段范围为420～2500nm的双通道光谱成像系统。结果表明,该系统结构简单,光学成像性能良好,光学总长度小于350mm。与传统的宽谱段光谱成像方法相比,该方法可以满足系统的小型化和低成本需求,适用于航空航天遥感应用。     

基于光参量变频与放大的高灵敏红外成像技术

针对可用于微弱红外图像探测的光学参量变频与增强技术,进行了仿真与实验探索.针对高增益光参量放大器(OPA)过程中的参量荧光背景噪声,提出了基于外接圆模型的空间滤波技术,通过仿真优化设计,利用空域、频域滤波与像传递系统相结合的方法,将参量荧光背景的抑制比例超过70%,其增强后的成像质量较之前有明显改善,峰值信噪比提升22%.基于10 Hz,355 nm的大能量皮秒紫外抽运激光,实现了红外波段到可见光波段的参量频率上转换,得到了超过1.3×108(82 d B)的光学图像增益.实验结果表明,采用高增益OPA作为光学预放大级之后,常规非制冷电荷耦合器件可实现微弱红外成像的有效探测,灵敏度可达每像素7.4个光子.该方案有望用于单光子级高灵敏红外成像场合.     

可见/中波双波段共口径光学系统设计

为了提高光电探测设备目标探测与识别的能力,设计了一套可见/中波双波段共口径光学系统。根据实际工程经验总结了一套分段设计、组合优化的光学设计方法,通过合理地分配光焦度,分段选择合适的初始结构,再现了双波段共口径光学系统初始结构的设计过程;结合CodeV和TracePro软件量化了制冷型中波红外探测系统的冷反射现象,并且通过外场试验成像验证了分析结论的正确性。双波段共口径光学系统最大视场达到1.25°,畸变小于0.1%,可以在环境温度?30 ℃～50 ℃下工作,中波红外探测系统实现了100%冷光阑匹配,可见光探测系统可以实现大、小视场的切换,双波段成像系统具有调焦、调光功能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

基于虚拟仪器的视频图像采集系统设计

应用虚拟仪器技术,在Lab VIEW7．1开发平台上设计了利用IMAQ Vision for LabVIEW基于NI IMAQ 1405图像采集卡的图像采集系统。该系统对CCD电视、红外热像仪等输出的模拟视频图像具有采集能力,且结构简单,扩展方便,效率高,通用性强,显示了虚拟仪器技术的在信息技术研发中的显著优势。     

一种新型数字式便携光学实验仪

介绍了一种新型数字式便携光学实验仪，该仪器具备光学实验、课堂演示、光学研究和光学测试等多种功能，可完成波动光学中干涉、衍射、全息、散斑以及几何光学中成像等工作。该仪器设计了“又”形布置的轨道以及“工”形支架，实现了3维无级可调，可对光路进行精确调节。此外，以三基色调色原理为理论基础，自行开发了图像处理软件和层式仪器结构。将PC主板与光学台融合为一体，可对图像进行实时数字采集与处理。与传统实验设备相比，该仪器极大地拓展了数字光学实验的应用空间。     

一种半球形天空亮度测量仪器的研制

在大气光学领域中,天空亮度分布有着重要的应用.简要介绍了天空亮度的测量原理,在分析同类测量仪器的基础上,提出了一种用于白天的,可见及近红外波段天空亮度测量仪器的设计,介绍了系统的组成和探测器的选择.经过定标,仪器能够得到天空亮度的绝对值,其结果反映了真实天空亮度分布的变化.该仪器弥补了传统的天空亮度测量仪器住测量波段、实时性、便携性等方面的不足,更好地满足了实际的科研需求.     

多波长激光探测微小摄像头机理研究北大核心CSCD

基于激光不同波段的探测传输特点,通过分析典型微小摄像头的回波传输特性,提出了一种针对多波长激光特征检测微小摄像头的研究方案。利用几何光学和波动光学理论,分析微小摄像头结构及其反射光谱特征,计算并仿真了一定探测距离下的回波光场,在此基础上搭建多波长激光检测系统。实验结果表明,在一定的景深范围内,具有红外截止滤光片的微小摄像头对可见光的回波光斑衍射环特征明显、条纹对比度高且可探测距离远;近红外波段的目标回波功率低、后向散射干扰严重,可探测距离近;短波红外波段几乎不受红外截止滤光片影响,且1550 nm处于人眼安全波段。实验结果与数值分析、理论仿真结果一致,验证了短波红外激光用于探测微小摄像头的可行性。     

自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨

自由曲面光学产品设计、制造与检测的工艺流程，通常采取试凑法逐次逼近。由于加工 检测 再加工，循环往复，既费时，成本又高，产生了瓶颈问题。为了解决此弊端，本文运用虚拟制造技术，提出光学虚拟制造的基本构想，即虚拟制造系统结构模型，给出光学系统虚拟原型的构成和光学系统成像质量虚拟检测系统的构成，讨论光学成像质量的仿真检测以及敏度分析方法。研究结果表明：运用虚拟制造与检测技术，可缩短研发周期，降低成本，优化工艺并提高产品质量。     

红外相机共孔径双波段成像光学系统

针对双波段成像系统可以有效提升红外相机的目标探测与识别能力,选择了折反射式双波段系统结构形成,提出共孔径分光路中波红外和长波红外双波段成像光学系统。2个谱段共用卡塞格林主光学系统,采用分色片实现双谱段分光。分光后2个谱段采用相互独立的中继透镜组, 通过二次成像,实现双波段冷光阑100%匹配。2个谱段焦距均为800 mm,工作谱段为3.7 m～4.8 m和7.7 m～10.3 m,中波和长波的F数分别为2.3和2.8,视场角为1.2,该光学系统各谱段在各自乃奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限,可满足实际使用需求。     

近高超声速高温蓝宝石窗口下中波红外成像退化分析仿真与性能测试实验

本文基于高温红外窗口热辐射红外成像探测器干扰机理,开展高温红外窗口成像分析、仿真与实验验证研究工作. 根据流体仿真计算获得的高温窗口温度及实验测得的窗口发射率、吸收率等参数,开展窗口热辐射计算;建立了光学窗口介质内部辐射传输路径和强度计算模型,并给出了窗口辐射出射模型以及相应红外成像模型;基于光学追迹方法,把窗口热辐射成像的计算问题转换成了光学计算问题;设计了一种基于高温蓝宝石红外窗口的加热实验,对红外成像仿真结果进行了检验. 通过仿真结果与窗口加热实验结果对照,将基于模型分析获取图像与实验结果图像作差,得到的平均每个像素误差值为0.45;实验发现在窗口约773 K条件下,设计的中波红外成像系统的信噪比、对比度分别降低到原来三分之一左右,而整个红外成像系统NETD值由原来的约52 mK上升到了954 mK. 本文提出的窗口热辐射分析方法可以有效估计窗口热辐射对中波红外成像的影响,设计的实验对成像系统的指标验证有较好的用途,同时对红外成像系统波段细化优选和成像参数调整,降低图像退化程度,都有着重要的指导意义. 关键词： 近高超声速 高温蓝宝石窗口 气动效应 仿真与实验     

基于衍射光学元件的红外弱目标探测系统设计

根据非制冷焦平面阵列（FPA）探测器性能参数以及所需探测红外弱目标的大小与探测距离,计算并设置了系统参数,设计并研制了与之相匹配的长波红外光学系统,实现了对红外弱目标的探测。该红外光学系统基于6°×6°视场角,采用像方远心光路来实现。分析与计算结果表明,采用衍射非球面设计的由两片Ge镜片组成的红外弱目标探测光学系统具有重量轻、系统能量传输效率高和像质优良的优势。与三片球面Ge-AMTIR1-Ge红外光学系统相比,系统质量轻25%,能量传输效率高7%;与常规非球面Ge-Ge透镜系统相比,像质改善50%。比较结果显示,可见衍射非球面光学元件在红外弱目标探测系统中具有较好的应用前景。     

可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。