轻小型双光谱红外成像探测系统研究与分析

结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点,针对现代最先进的像元尺寸为30 μm、像元数320×240的红外双色探测器,提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案,利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测,仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8～4.2和8.8～11.2 μm双光谱处在-120 ℃～200 ℃温度范围内同时探测。系统仅使用锗和硒化锌两种材料,引入了一个非球面和一个谐衍射面, 实现了消热差、消色差和结构简单轻量化,设计结果表明,该系统在-120～200 ℃温度范围内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75 μm,小于红外探测器的像元尺寸30 μm,在红外探测器两个像元内,3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%,成像质量良好,方案工程实现性好,设计方法和设计结果合理可行。     

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.     

聚合物/二氧化硅混合型无热化阵列波导光栅参量的优化

研究一种新型无热化聚合物/二氧化硅混合波导组成的硅基二氧化硅阵列波导光栅.阵列波导光栅对温度的依赖性受波导物质的折射率和波导芯的尺寸影响.通过调节这些参量就可以减小温度对阵列波导光栅的影响.优化得到混合型阵列波导光栅在温度20~70℃范围内波谱漂移小于常规型 AWG结构的5%.     

Design of dual-band shared-aperture Co-zoom optical system

An optical system that features visible plus mid-infrared light, shared aperture, synchronous and continuous zoom is designed with a 10× zoom ratio. Analysis is performed to differentiate visible plus mid-infrared light focal length and zoom ratio during zooming, and the change law of this difference. Upon combination with two-group and three-group zoom theories and upon derivation of the conditions for compensating zoom ratio difference, a method has been obtained to directly compensate this difference. The focal length and the zoom ratio for visible/mid-infrared light at any zoom location are similar with this method, thereby conducting synchronous observation, tracking, and measurement on the target. Design results have shown that the system is small, has a fast response, has an excellent in overall image quality, and is athermal for temperatures between −40 °C and 60 °C.     

A wide-FoV athermalized infrared imaging system with a two-element lens

For infrared imaging systems to achieve wide field of view (FoV), wide operating temperature and low weight, this work designs a wide-FoV athermalized infrared imaging system (AIIS) with a two-element lens. Its principle, design, manufacture, measurement and performance validation are successively discussed. The two-element lens contains four surfaces, where three aspheric surfaces are introduced to reduce optical off-axis aberrations and a cubic surface is introduced to achieve athermalization. The key coding mask containing an aspheric surface and a cubic surface is manufactured by nano-metric machining of ion implanted material (NiIM). Experimental results validate that our wide-FoV wavefront coding AIIS has a full FoV of 26.10° and an operating temperature over –20 °C to +70 °C.     

空间双波段成像光谱仪红外光学系统的设计

分析了空间双波段成像光谱仪光学系统的光学特性，提出利用光学材料间焦距位移系数的互补性，实现光学系统消热差、消色差设计方法，建立了一组既消热差又消色差的方程组. 给出了利用这种方法设计的视场角10°，焦距100 mm，F数为1.98，温度范围在－20℃~70℃，工作波长为3~5 μm和8~11 μm具有100％冷光栏效应的双波段消热差、消色差光学系统，分析了系统各波段传递函数、波前差及像面位移随温度变化关系.     

聚合物波导微环谐振器的无热化设计

从波导微环谐振器的谐振方程出发,推导出了波导微环谐振器的无热化条件和谐振波长温度依赖特性表达式,分析了硅衬底PSQ聚合物波导微环谐振器滤波功能的温度特性。通过选择合适的聚合物衬底来取代传统的硅衬底,可极大地减小聚合物波导微环谐振器的温度敏感性,给出了聚合物衬底选择的方法。研究结果表明,所设计的全聚合物波导微环谐振器,在温度从20～65℃范围内谐振波长漂移量最大值为-0.0085 nm,温度依赖波长漂移率最大值为-0.00090 nm/K,实现了无热化。     

共轴球面光学系统的热象差分析

本文系统分析了径向均匀温度场中,热对共轴球面光学系统的影响,得到了初级位置热象差与初级倍率热象差的一般表达式.在此基础上得到了均匀温度场中薄透镜系统的热象差表示式,该热象差表示可以用来指导无热象差光学系统的设计.最后根据上述分析,讨论了几种简单系统的热效应与无热象差设计途径.     

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.     

一种实现双光谱宽温探测的红外物镜设计

利用折射/谐衍射结构设计了超宽温范围内的被动式消热差红外物镜系统.该系统由三片镜子组成,使用锗和硒化锌两种材料,引入一个非球面和一个谐衍射面,实现了消热差、消色差和结构简单轻量化.实验结果表明:在焦距为54.68mm,-120~100℃温度范围内,系统可以在3.8~4.2μm和8.8~11.2μm光谱范围同时工作,且光谱范围的调制传递函数分别优于0.42和0.35,成像质量良好,适用于像元尺寸为30μm、像元数320×240的红外双色探测器.