1 中国科学院 光电技术研究所， 四川 成都 610209
2 中国科学院大学， 北京 101408
自由曲面具有良好的像差矫正能力，但没有足够的初始结构供设计者参考，因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的. 通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组，运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发，推导自由曲面解析表达式，并设计一款工作波段较宽，相对口径较大的离轴红外光学系统，工作波段3~12μm，焦距300mm，F/2.5，视场角2.04°×2.56°，像质接近衍射极限且100%冷光阑效率，全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.
自由曲面 光学设计 初始结构 波动光学 freeform surface optical design initial structure wave optics
红外与激光工程
2020, 49(5): 20190462
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。
几何光学 离轴反射系统 自由曲面 大视场
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
与非制冷探测器相比,制冷型探测器具有灵敏度高、响应速度快和探测距离远等优点,已被广泛应用于红外光学系统中。为了有效抑制杂散光,制冷型探测器冷光阑位置需要与光学系统实出瞳位置重合。本文提出了一种制冷型离轴反射光学系统设计方法,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,利用矢量像差理论可直接获得制冷型离轴反射光学系统的初始结构。针对长波红外制冷型探测器,设计了一个自由曲面离轴三反光学系统,满足了冷光阑的匹配条件。其光学系统的F数为2.5,焦距为300 mm,视场角为3°×5°。使用自由曲面校正光学系统像差,光学系统成像质量好,反射镜无倾斜和偏心,光学系统易于装调。
光学设计 几何光学 矢量像差理论 自由曲面 光学学报
2019, 39(11): 1122001
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610206
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求, 通过采用复合变焦光学系统结构, 增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器, 设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成, 通过引入衍射光学元件校正长焦端色差, 工作波段为8 μm～12 μm, 焦距变化范围为-9 mm～-272.25 mm, F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。
光学设计 高变倍比 大相对口径 复合变焦 衍射光学元件 optical design high zoom ratio large relative aperture compound zoom diffractive optical element
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对观测远距离目标时, 难以有效提取目标温度、面积、表面材料等特征信息的问题, 本文从代表物体固有属性的光谱发射率出发, 综合考虑目标的材料特征、结构特性、红外辐射特性等因素, 建立了目标的双波段红外光谱复合模型, 提出了基于材料光谱发射率的目标特征提取的方法。针对特定类型目标查找其表面主要构成材料, 测量材料的光谱发射率, 建立相应的数据库。在此基础上, 利用鸡群算法对模型进行求解, 反演得到目标的表面构成材料, 辐射温度以及有效辐射面积, 取得了良好的效果。
红外光谱 光谱发射率 红外辐射 鸡群算法 反演 infrared spectrum spectral emissivity infrared radiation chicken swarm algorithm inversion
1 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054
3 中国科学院大学, 北京 100049
设计了适用于制冷型320×256 中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8 μm, 长波7.7~11.7 μm, 环境温度10~40 ℃下工作, 其焦距为292 mm, 视场角为1.56°×1.875°, F/＃为1.93, 满足100％冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组, 利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光, 后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素, 通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度, 实现了两路系统在10~40 ℃环境温度下具有良好的成像性能。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。
光学设计 红外光学系统 双波段成像系统 共孔径结构 optical design infrared optical system dual band imaging system common aperture
1 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
单点金刚石车削(SPDT)技术的发展为铝镜的批量化生产和应用奠定了工艺和技术基础。为减小安装预紧力、安装面不平引起的镜面变形从而保证光学像质, 总结了典型的铝镜消应力支撑结构形式及设计原则。SPDT 技术为光学辅助装配开辟了新的技术途径, 分别针对单侧单镜、双侧单镜及分离双镜的情况进行了SPDT 辅助装配设计的说明, 结合实例阐述了光学面、结构安装面、基准传递面、干涉检测参考基准面的集成式SPDT 加工实现高精度装配基准传递保证反射面之间高对准精度的流程, 该方法可提高光学系统装配效率, 缩短产品研制周期。
铝镜 消应力支撑 SPDT 辅助装配 aluminum mirrors stress-relief support assembly assisted by SPDT
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国南方玻璃集团成都南玻有限公司，四川 成都 610200
5 西华师范大学物理与电子信息学院，四川 南充 637002
长焦距、多谱段、轻量化成像系统具有分辨率高、轻小型等优点，是目前成像系统设计的一个重要研究方向。针对制冷型红外同轴三反射结构中心遮拦大的不足，提出了一种改进型的同轴三反射镜成像系统，在系统三镜后加平面反射镜，将系统光线进行折转，利用三个反射镜的二次曲面系数校正轴外像差，给出了具体的设计思路及考虑问题，并给出了一个焦距f=400 mm, F/#为4，全视场角为1.72°的设计实例。设计结果表明，系统成像质量接近衍射极限。
红外探测 成像系统 多谱段 infrared detection imaging system multi-spectrum
