长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力，减少信标光捕获时间和难度，基于星地激光通信链路和设计方案，结合自适应光学（AO）技术，设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式，包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构，结合折射镜组构成开普勒望远结构，兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统，解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统，构建两者共轭关系，降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计，提高系统温度适应性。最终实验结果表明：在10 ℃~30 ℃范围内，各单元波像差均优于1/10λ（λ=632.8 nm），满足设计要求，具有一定借鉴价值和工程意义。
星地激光通信 库德光路 消热差 双远心光路 自适应光学 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706021
1 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西 西安 710072
2 宁波永新光学股份有限公司，浙江 宁波 315048
3 西北工业大学宁波研究院，浙江 宁波 315103
为满足车载激光雷达接收光学系统在复杂环境实际应用中的温度适应性要求，本文基于一种将长焦镜头与线阵探测器相结合，通过局部图像级成像显著提高激光雷达系统探测分辨率的方案，设计了一款轻小型无热化的四片式全玻璃长焦镜头，研究了其在不同温度下的像面漂移。分析结果表明，所设计的长焦镜头在整个-40~100 ℃的温度范围内焦移量为0.021 mm，小于焦深0.074 mm，在30 lp/mm处各视场调制传递函数（MTF）均大于0.5，全视场内光斑半径在7 μm以下，水平及垂直角分辨率为0.045°（H）×0.045°（V）。此长焦接收光学系统结构简单、成像质量高、环境适应性强，在车载激光雷达领域具有良好的应用前景。
车载激光雷达 长焦光学系统 光学设计 无热化
1 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
2 陆军装备部驻重庆地区军事代表局, 重庆 400000
3 空军装备部驻成都地区军事代表局, 四川 成都 610000
4 海军装备部驻广州地区军事代表局, 广东 广州 510320
长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦，利用主动补偿的消热差技术使系统在−40 °C~+65 °C温度范围内能够清晰成像，实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm，变倍比为15，光学系统包络尺寸为268 mm（长）×200 mm（宽），光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征，在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。
制冷型长波红外 变焦光学系统 机械补偿 无热化 cooled long-wave infrared zoom optic system mechanical compensation athermalization
1 陆军装备部驻长春地区第一军事代表室，吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 100081
为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由2片反射镜、5片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40）λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20）λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，分析结果表明：镜头成像质量良好，满足应用需求。
光学设计 激光通信 接收望远镜 无热化 optical design laser communication receiving telescope athermalization
1 哈尔滨新光光电科技股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150080
2 火箭军装备部驻哈尔滨地区军事代表室，黑龙江哈尔滨 150080
3 哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨 150001
为实现中波制冷红外导引头的低成本、无热化设计，采用两轴框架式总体布局方式，基于硅锗光学材料，利用一次成像 3片式光学结构(Si-Ge-Si），选用斯特林制冷型面阵规模 640×512像素尺寸为 15.m的中波红外探测器作为接收器件，设计一种高分辨率低成本中波制冷红外成像制导光学系统，并实现了宽温范围内的无热化设计。设计结果表明，光学系统焦距为 55 mm，视场大小为 10°×8°，在 33lp/mm处，轴上 0视场的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF）不低于 0.6，轴外 0.7视场传递函数不低于 0.40，畸变小于 1%，冷光阑效率 100%。同时，结合整流罩进行针对性优化设计，系统冷反射现象基本消除，在－40℃～＋70℃温度范围内具有良好的成像效果。光学系统结构简单，易加工装校，良品率高。经实测样机，光学系统成像质量优良，各项性能指标满足技术指标要求。
低成本 无热化 中波红外 高分辨率 low-cost, athermalization, medium-wave infrared, h
1 北京空间机电研究所, 北京 100076
2 北京邮电大学，北京100876
在大温差条件下，由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈，对杂散辐射要求较高。为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量，通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法，设计了一套制冷型中波红外光学系统。该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成，工作波段为3.7~4.8 μm，F数为2.5，焦距为62.5 mm，视场为14.36°×10.87°，探测器采用640×512 阵列中波制冷型探测器，通过采用硅、锗材料组合，合理分配光焦度，实现了消色差和消热差设计，通过冷反射优化和冷光阑匹配设计，较好地抑制了系统的杂散辐射噪声，通过引入少量非球面优化，在满足指标要求的情况下，对高阶像差进行了校正。结果表明，光学系统在−55~+70 °C温度范围内，成像质量稳定良好。
中波红外 制冷型探测器 消热差 冷反射 medium wave infrared cooled detector athermalization cold reflection 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220607
福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
变焦光学系统不仅适用于照相、监控以及显微等日常生活中，还被广泛应用于航空航天及**建设等领域。随着应用范围的扩大，对其性能指标的要求也越来越多，该文设计了一款15 mm ~300 mm的宽光谱四组元连续变焦光学系统。该系统采用正组补偿结构实现了20×的光学变焦，工作在450 nm~900 nm光谱范围，工作温度范围为?40 ℃~60 ℃；采用了18片球面玻璃镜片，总长160 mm，最大口径66 mm，长焦F数优于5，系统结构紧凑，满足小型化要求。系统在可见光波段，中心视场的调制传递函数（modulation transfer function, MTF）>0.4@145 lp/mm，全视场MTF>0.2@145 lp/mm；在近红外波段，中心视场MTF>0.45@60 lp/mm，全视场MTF>0.2@60 lp/mm。从设计结果可以看出，该设计满足高性能指标要求，对于宽光谱、大变倍比、小型化的变焦光学系统设计具有一定的参考意义。
变焦光学系统 宽光谱 大变倍比 小型化 光学无热化 zoom optical system wide spectrum large zoom ratio miniaturization optical athermalization
1 西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西 西安 710129
2 西北工业大学物理科学与技术学院陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
建立了环境温度对双层衍射元件衍射效率影响的数学模型，给出高衍射效率衍射元件的优化设计方法。通过选择宽温度范围内设计波长对，计算衍射元件微结构参数，确保双层衍射元件在基底材料确定的情况下仍具有高衍射效率，发现混合成像光学系统具有最佳像质。最后设计了一套含有此双层衍射元件的中波红外混合成像光学系统。结果表明，与传统设计相比，本文方法能够有效地改善混合成像光学系统的无热化设计像质，设计结果更好。
光学设计 衍射元件 折衍混合成像光学系统 无热化设计
西北工业大学物理科学与技术学院光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
基于衍射元件的特殊成像性质，使用双层衍射元件进行双波段红外光学系统设计已成为研究热点。使用双层衍射元件能够有效提升宽波段的衍射效率，在简化系统结构的基础上提高像质。将红外成像系统设计为制冷型结构，能够消除背景噪声干扰，保证100%的冷光阑效率。基于带宽积分平均衍射效率最大化方法，设计了一款含有双层衍射元件的制冷型双波段红外光学成像系统，实现了在双波段红外和宽温度范围下的无热化设计。光学系统含有三片透镜，仅由两种材料组成，入瞳直径为80 mm，焦距为100 mm，F数为1.25，有效视场为6°，工作波段为3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm，工作环境温度为-40~60 ℃。分析结果表明，在整个温度范围内，在17 lp/mm截止频率处，双波段红外光学系统所有视场的调制传递函数分别高于0.78和0.59，同时双层衍射元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率分别为99.35%和98.73%，综合带宽积分平均衍射效率为99.04%。此光学系统的结构设计简单，成像质量好，在**和商业应用中具有一定优势。
光学设计 衍射元件 双波段红外 衍射效率 无热化
