针对传统变焦光学系统在环境温度变化的情况下,变焦全程无法一致清晰成像以及需频繁调焦的问题,提出了一种光学被动半无热化变焦系统设计方法,并设计了一种光学被动半无热化变焦系统。变焦系统的焦距为30~1000 mm,工作波段为486~656 nm,光圈为F_4.4~F₈,短焦采用光学被动无热化设计。变焦系统的成像质量良好,结构非常紧凑,在工作温度范围为-40~+60 ℃的情况下,只需长焦位置调焦一次,即可保证从长焦到短焦的变焦全程一致清晰成像,中间过程无需再调焦,且温度调焦量仅为-0.56~+0.82 mm,这验证了设计方法的正确性。采用本方法设计的变焦系统既克服了传统变焦系统在不同温度下需频繁调焦的问题,也极大减小了系统的温度调焦量,有利于快速调焦。

为避免透射式系统存在的色差问题, 采用离轴反射式光学系统, 在三镜后加分色片, 分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上, 实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由 3个离轴反射镜和一个分色片构成, 为校正系统像差, 三镜采用 XY多项式曲面。采用二次成像结构形式, 具有 100%冷光阑效率。系统 F数为 2.67, 视场角 11.4°×1.8°, 工作波段为中波 3.55～3.93.m, 长波 10.3～12.5.m。中波红外系统 MTF平均值大于 0.5@25 lp/mm, 长波红外系统 MTF平均值大于 0.4@12.5 lp/mm, 采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿, 温度适应范围为－40℃～＋60℃。

对空基光电对抗平台可见光变焦镜头进行了光机结构设计以及被动消热差设计,依据-20~50 ℃的工作温度指标要求,对变焦镜头进行光机热集成分析。用Patran软件对镜头加载温度应力,计算光机结构的热弹性变形,用Nastran软件解算热变形后各光学元件镜面节点的刚体位移。用Sigfit光机接口软件分析变形后每个透镜表面的Zernike系数,将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移变化对调制传递函数(MTF)与波前差的影响。实验结果表明,在-20~50 ℃的温度载荷下,后固定组的最大轴向位移可达6.107×10 -3 mm,严重影响了成像质量。通过挠性压圈实现轴向位移可控消热差设计,以减小温度载荷带来的影响。光机热集成分析表明,温度载荷下光学系统的MTF均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验测试了变焦镜头的温度适应能力以及光机热集成分析的准确性,提供了一套高效、准确、适用范围广的光机热集成分析流程。

设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度, 将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜, 主反射镜采用金属抛物面, 优化目镜组透镜尺寸, 避免光路内部遮挡, 利用反射式系统一次像面, 配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计; 在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片, 提高系统分光效率和透过率。设计结果表明: 红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF＞0.2, 激光线性区为2°, 满足系统指标要求。

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计, 研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法, 设计了一个焦距30～150mm, 长波红外工作波段在8～12μm, 相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统, 并进行光学被动消热差设计, 使系统在-30℃～60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理, 成像质量满足要求, 通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息, 实现两个不同视场快速切换, 采用空间多镜头图像拼接全景成像法, 设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120°的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成, 每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2, 工作波段为中波3.5 μm～4.8 μm、长波7.8 μm～9.8 μm, 双视场两档焦距之比为5, 通过轴向移动变倍组可以完成122°/44.49°双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术, 采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明, 该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内, 在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处, 中波红外系统MTF值均大于0.5, 长波红外系统MTF值均大于0.3。

为了实现红外光学系统的被动式无热化，设计了挠性压圈，建立了有限元分析模型，对透镜表面的接触应力和挠性压圈结构参数的灵敏度进行了研究。首先，根据光机结构的无热化要求介绍了挠性压圈，对两种常用的挠性压圈进行了热变形分析；然后，在分析挠性压圈的灵敏度系数的基础之上，对单透镜组件设计了相应的挠性结构，说明了挠性构件在被动式无热化中能够减小透镜表面的接触应力以及增加对镜座材料的选择；最后，将挠性压圈应用在三片式透镜的光学系统当中。通过分析计算，当调制传递函数(MTF)的空间频率为10 lp/mm 时，挠性压圈作用下的三片式光学系统的MTF 能够达到0.5 以上；普通压圈在60 ℃和-20 ℃的像面离焦量分别为4.765 mm和-6.312 mm，而相同温度下挠性压圈的像面离焦量分别为1.261 mm 和-1.563 mm。基本满足了红外光学系统的被动式无热化要求。

介绍了一种大视场短波红外光学系统消热差设计。系统工作波段为0.9～1.7μm，分辨率为640 pixel×512 pixel，光学系统总长55 mm。设计结果表明，在空间频率为20 lp/mm处，系统工作温度在-40 ℃～60 ℃环境下，各个温度下的系统调制传递函数(MTF)值均大于0.6。系统具有高像质、工作温度范围宽、结构紧凑、重量轻等优点。