1 北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
3 北京东方计量测试研究所，北京 100029
当前，工作在液氦温度的低温辐射计可以有效规避电路系统中非自发加热带来的误差，是国际上精度最高的光功率计量设备。理想低温辐射计在工作过程中，其核心器件-吸收腔对相同的热功率与电功率应当表现出相同的温升。然而对于实际情况，由于吸收腔涂层中复杂的光-物质相互作用，系统的光-电加热路径难以重合，黑体腔热传导分布的梯度差异导致误差的产生。当前国际上对光电不等效性产生的影响仍缺乏直观清晰的认知。在此，利用蒙特卡洛光线追迹方法，文中对低温辐射计吸收腔辐照度的空间分布进行了仿真。计算表明：当吸收腔斜底角控制在60°，涂层吸收率达到0.95时，系统在激光进入的第一次与第二次反射中分别吸收了98%与1.9%的能量，比例约为51.2∶1。通过在吸收腔斜底板和下侧面同时布置加热器，可实现光加热、电加热路径的耦合。进一步地，通过分别计算单加热器与双加热器布置下系统温度随时间的变化，文中证明了加热路径的不同将引入约为0.005%的光电不等效性。
低温辐射计 光电不等效性 加热器布置 光线追迹法 吸收腔 cryogenic radiometer optical-electrical non-equivalency heater arrangement ray-tracing method absorption chamber 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210918
为适应单兵平台的需求，设计了一款
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紧凑型连续大变倍比枪瞄镜。阐述了紧凑型连续大变倍比枪瞄镜的设计方法及思路，根据设计指标进行物镜、中继系统、目镜的指标分解及高斯光学计算，初步评估整体光学系统的包络尺寸和复杂程度，依据高斯光学计算结果对枪瞄镜各组成部分单独进行光学设计和评价。解决了连续大变倍比枪瞄镜设计过程中大变倍比中继系统的倍率选择，等效物镜与目镜的光瞳匹配，以及中间像面分化板处的像质评价等问题。最终的设计结果表明：枪瞄镜物镜口径
$\phi 24\;{\rm{mm}}$![]()
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，目镜口径
$\phi 36\;{\rm{mm}}$![]()
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，光学系统总长228 mm，高倍端偏心（0.01 mm）引起的瞄线误差约为20″。系统结构紧凑，成像质量优良，满足目视光学仪器的使用要求。
宽厚比较大的小型轻质薄型反射镜在宽温度范围及恶劣的环境(尤其是低温-40°C)下易发生变形，严重影响系统成像质量。针对这种情况，以挠性支撑原理为基础，借助于热力学理论设计了一种适用于小型轻质薄型分光反射镜的新型挠性支撑结构，采用有限元技术，对该挠性支撑结构的温度适应性进行了分析，并对装配后的反射镜组件进行了低温试验。试验结果表明: 在-40°C温度下，反射镜面形精度峰谷值(PV值)保持在0.25λ(λ＝632.8 nm)，这种新型挠性支撑结构能够满足应用环境的使用要求。
反射镜 宽厚比 挠性支撑 低温 PV值 reflector flakiness ratio flexible structure low temperature PV value
随着车载光电系统的发展, 多功能合一的观察瞄准镜成为发展趋势。将电视观瞄/可见光直视观瞄系统进行共光路设计, 可见光直视观瞄系统放大倍率为8×、视场为5°、出瞳直径为φ4 mm、出瞳距离不小于15 mm; 电视观瞄系统F数为6、焦距为110 mm。同时, 对设计结果进行公差分析, 根据公差分析结果制定严格的零部件加工公差及系统装调方案, 系统结构紧凑, 成像良好, 对2.3 m×2.3 m的目标进行观瞄, 识别距离大于4 km, 满足指标要求。
光学设计 车载光电系统 电视观瞄/可见光直视观瞄 共光路。 optical design vehicle-borne opto-electronic system TV sight/visual direct-view sight common path
1 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
2 中国人民解放军驻西光集团军代室, 陕西 西安 710032
对鬼像的基本概念和形成原因进行了介绍与分析, 提出了利用光学设计软件CODE V定性分析与光机适配性软件LightTools定量分析相结合的鬼像仿真分析方法。使用lightTools软件仿真与系统探测器归一化真实响应照度值相比较找出鬼像路径, 给出改进措施。对验证实验中给定的电视成像光学镜头的鬼像路径进行计算和仿真, 计算结果表明, 镜头轴上鬼像路径的归一化响应照度为3.5×10-5, 小于探测器的归一化响应范围9.85×10-5~1, 探测器无响应, 即不产生鬼像, 证明该仿真分析方法正确可行。
鬼像 响应照度 ghost image LightTools LightTools CODE V CODE V
设计了一款双视场电视摄像机, 小视场用于对目标的跟踪, 大视场用于捕获和观察目标, 两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6, 点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm, 畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件, 通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光, 形成鬼像。因此, 利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明: 大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后, 以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光, 聚焦到像面, 形成鬼像, 采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明, 仿真分析准确, 提出的消杂光措施有效。
光学设计 双视场 杂散光 鬼像 成像质量 optical design double FOVs stray light ghost image imaging quality
为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求, 设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收, 像元尺寸为16 μm×16 μm 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点, 选定三视场光学系统的初始结构形式, 运用CODEV软件对其进行优化, 实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明, 三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5, 点列斑直径均小于像元尺寸, 畸变均小于0.2%, 成像对比度满足使用要求。
三视场 初始结构 光学设计 three fields-of-view EMCCD EMCCD initial structure optical design
针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正, 无法实现高精度调试的问题, 提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法, 辅助镜用于补偿主次镜之间的像差, 完成高精度装调。辅助透镜研制过程中, 严格控制加工精度, 减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试, 波像差实际值为0.3λ, 设计值0.14λ。最后, 更换中继透镜组, 光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。
红外光学系统 辅助透镜 光学设计 装调 infrared optical system assistant lens optical design alignment
针对机载小型化、轻量化的环境要求, 将红外和电视传感器进行共次镜形式的共光路设计。对于640×480非制冷焦平面探测器, 设计了焦距185 mm、 F数达到1.3、视场为5.8°的长波红外光学系统。对于1/3″ CCD(像面尺寸4.8 mm× 3.6 mm; 像素数759×596), 设计了焦距86 mm、F数达到4.5、视场为4°的可见(电视)光学系统。
双波段 共光路 光学系统 优化设计 dual-band common light path optical system optimization design
叙述无光焦度补偿组与次镜重合时的全球面双反射系统的设计，给出利用PW法求解初始结构的基本理论，阐述应用无光焦度补偿组来平衡球面反射系统像差的方法。通过改变遮拦比K和焦点伸出量δ进行光线追迹，选择出该类系统K和δ的最佳组合。给出设计实例: 系统工作波段λ=450 nm～700 nm、焦距f′=1 600 mm、相对孔径A=1/8、视场角ω=±0.5°，遮拦比K＝0.35、焦点伸出量δ＝0.1，系统优化后的球差系数 SⅠ=-0.001 207，彗差系数SⅡ=0.000 192，波像差W=0.043 27λ。
三级像差理论 无光焦度补偿组 初始结构 third-order aberration theory afocal corrector initial structure
