红外与激光工程
2023, 52(1): 20220342
1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 精密工程研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
3 哈尔滨工业大学 航天学院 光电子技术研究所, 哈尔滨 黑龙江 150080
为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性, 进行了其超精密磨削加工工艺性分析, 并基于有限元计算方法, 完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验, 工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值, 但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2 μm, 表面粗糙度Ra值可达8.6 nm。
高陡度薄壁结构 保形非球面 超精密磨削 夹具设计 high-gradient thin structure conformal aspheric ALON ALON ultra-precision grinding jig design
1 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
2 航空制导武器航空科技重点实验室, 河南 洛阳 471009
3 中国人民解放军 96275部队, 河南 洛阳 471009
共形导引头光学系统因在非零观察视场中失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差。为验证共形光学系统的光学成像性能, 设计了采用固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统。系统在±55°观察视场内设计的传递函数值大于 0.5, 像元内能量集中度大于 80%。为简化位标器结构并完成光学系统的成像性能测试, 提出了采用头罩旋转的方式替代位标器结构的旋转。光学系统调制传递函数测量结果表明系统在小观察视场中的调制传递函数大于 0.45, 在全观察视场内大于 0.25, 满足目标探测要求。
共形光学 整流罩 固定校正板 光学设计 MTF测试 conformal optics dome fixed corrector optical design MTF testing
大相对孔径变焦系统在像差补偿自由度较少的光学补偿式变焦系统中，通常需采用较多的镜片才能完成像差校正，导致系统体积和质量不甚理想。通过合理分配变焦参数，优化变焦系统结构，并进行非球面与衍射面复合叠加设计，完成了一个仅含8片透镜的光学补偿式变焦系统。相对孔径1∶1.8，采用320像素×240像素制冷焦平面探测器，工作波段3 μm ~5 μm，变倍比为5×，实现了30 mm/60 mm/90 mm/150 mm四档变焦，冷光阑效率100％。折叠光路后，体积约为210 mm×100 mm×85 mm，结构紧凑，以较少的镜片数辅以机械结构的光学补偿变焦方式有效减轻了整机质量。
大相对孔径 变焦系统 光学补偿 光学设计 large relative aperture zoom lens optical compensation optical design
1 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
2 航空制导武器航空科技重点实验室, 河南 洛阳 471009
在半透明平板作为辐射亮度传输介质前提下, 讨论了半透明平板对辐射亮度的衰减作用, 利用正、逆向光线追迹法追踪了每条光线的传输路径, 不仅考虑了平板作为传输介质对辐射亮度的衰减作用, 还考虑了辐射亮度在平板内传输时, 平板表面对其反射所引起的衰减。相比较传统算法中仅考虑平板作为传输介质对辐射的衰减, 在考虑了半透明平板对辐射亮度的反射作用后, 计算得出的结果更为精确, 尤其是在出射角为π/2时, 该算法计算精度相比较传统算法提高了 11.97倍。
辐射亮度 光线追迹法 亮度衰减 反射影响 radiance ray-racing method attenuation of radiance effect of reflection
1 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
2 航空制导武器航空科技重点实验室, 河南 洛阳 471009
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光电技术研发中心, 长春 130033
为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场, 设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸, 且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量, 该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.
共形光学 整流罩 自由曲面 微变焦 光学设计 Conformal optics Dome Freeform surface Slight zoomed Lens design
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京100049
给出了一种新型眼底相机照明系统的设计方案。针对现行眼底相机照明系统复杂的问题，对经典的柯勒照明光路进行改良设计，得到了一个结构简单的眼底照明系统。结构中除网膜物镜外，只需用到4片透镜，且眼底照明区域直径连续可调，充分利用了光能。通过在照明光路中添加黑点板和环形光阑，屏蔽了系统99%以上的杂散光，使眼底相机成像画面的信噪比达到20 dB以上，提高了对比度。同时在Gullstrand_Le标准眼模型上，得到一个均匀度达95%以上的照明区域。
眼底照相机 柯勒照明 眼模型 信噪比(S/N) 均匀度 fundus camera Kohler illumination eye model Ratio of Signal to Noise(S/N) uniformity
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电研发中心，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100049
为了满足共形整流罩光学系统无热化工作的要求，基于硅、锗和硒化锌3种材料以及制作于整流罩内壁的衍射面设计了采用折/衍混合消热差方法的红外成像共形光学系统。介绍了共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性，提出了利用可消像散的衍射面结构的温度补偿能力来设计共形光学系统消热差结构的方案，并设计了应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明，该系统充分利用了衍射光学元件的位相补偿，热膨胀系数小和色散因子大等特点，在-40～70 ℃能够较好地保证±20°搜索观察视场中的成像质量，且所有观察视场中的MTF值均大于0.43。
共形光学 整流罩 消热差 光学设计 conformal optics dome athermalization lens design
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电研发中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
针对空间成像光学系统的像质容易受到瞬时视场外杂散辐射的影响，利用杂散光分析软件建立一个共形光学系统光学机械结构模型，并对其进行反向光线追迹，从而确定出该系统中对瞬时视场外杂散辐射光的聚集贡献较大的关键表面及视场外杂散辐射光的主要传递路径。采用在系统中加入多级挡光环辅助结构的方式获得了100%的瞬时视场外杂散光屏蔽效果。该设计方案具有简单易行的特点。
共形光学系统 瞬时视场 杂散光 挡光环 conformal optical system IFOV stray light baffle
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室，长春 130033
2 中国科学院研究生院，北京 100049
根据轴对称光学系统中的消像散条件探讨了共形整流罩结构中消像散万向节点位置的存在性.在此基础上，对共形光学系统中消像差万向节点位置进行了理论推导.软件分析结果表明，轴对称光学系统消像差条件对于共形光学系统的设计仍有良好的指导意义，由此得到的“消像差”共形光学系统的残余像差已处于实际成像系统的像差校正能力范围之内.
共形光学 整流罩 消像差 光学设计 Conformal optics Dome Aberration correction Lens design
