新型成像导引头光学系统的消热差设计与评价
消热差红外镜头热光学特性分析
1298激光与红外第47卷图6光学系统场曲及畸变曲线Fig. 6 Field curvature and distortion ofoptical system4总结针对瞄准目镜长出瞳距、大视场角的特点，采用 正-正-负的结构形式，设计了放大倍率为16 x的高放大倍率的目镜，焦距15.62 mm，出瞳直径为 6 mill，出瞳距离为25 mill，系统总长仅为40. 4 mm。
设计结果表明，该系统实现了较大的视放大率，全视 场内成像质量良好，结构紧凑小巧，满足军用观瞄目 视系统的使用要求。
参考文献：[1 ] SHEN Mande,JIANG Xiuqing,Ren Huanhuan,et al. Design of a novel eyepiece for low-level-light night-visionsystem [ J ]. Infrared and Laser Engineering ,2014 ,43 ( 3 )：879 -883. (in Chinese)沈满德，姜清秀，任欢欢，等.一种新型微光夜视仪目镜系统设计[J ].红外与激光工程，2014，43 ( 3 ):879 -883.[2] LI Yuyao,ZHANG Wanyi. Design of eyepiece with longexit pupil distance used in military sighting telescope[ J].Opto-Electronic Engineering，2015，42 ( 10) : 33 - 36. ( in李玉瑶,张婉怡.长出瞳距军用瞄准镜目镜设计[j].光电工程，2015,42(10) :33 -36.[3] SHEN Benlan,CHANG Jun,WANG Xi,et al. Design ofthe active zoom system with three-mirror [ J ]. ActaPhys.Sin,2014,63( 14)： 144201- 1 - 144201- 7. ( in C h inese)沈本兰，常军，王希，等.三反射主动变焦系统设计[J].物理学报，2014,63(14) :144201 -1 -144201 -7-[4] HE Zongping,ZHAO Wencai,HAO Peiming. Study of anoptical system with a two-lens corrector and a single re-flectore [ J ]. Acta Photonica Sinica ( SI004 - 4213 )，2004,33(3) ：346 -349.[5] MU Yongji，MAO Yijiang，HU Mingyong. Design of a kindof aberration corrector for off - axis paraboloid [ J ]. ActaOptica Sinica,2014,34(6) ：0622004 - 1 -0622004 - 6.(in Chinese)穆永吉,毛一江，胡明勇.一种离轴抛物面镜像差校正镜组的设计[J].光学学报，2014,34(6) :0622004 - 1-0622004 - 6.[6] LI Lin,et al. Applied optics[ M].Beijing：Beijing Instituteof Technology Press，2010. (in Chinese)李林，等.应用光学[M].北京：北京理工大学出版社，2010 ‘[7] LI Chijuan,SUN Changfeng,Xi Zhe,et al. Application ofoptical aspheric element[J]. Laser &Infrared, 2013,43(3) ：244 -247. (in Chinese)李池娟，孙昌锋，席喆，等.非球面光学零件的应用[J].激光与红外，2013,43(3) :244 -247.Chinese)第47卷第10期2017年10月激光与红外LASER&INFRAREDV o l.47,N o. 10October, 2017文章编号:1001-5078(2017)10-1299-06 •光学技术•消热差红外镜头热光学特性分析朱峰张宇\陈骥2，李洪兵2，贾钰超2(1.昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500;2.云南北方驰宏光电有限公司，云南昆明650217)摘要:机械被动式消热差红外镜头的诞生解决了传统红外镜头在高低温下，由于温差原因产 生不同的离焦量导致镜头成像质量下降的问题。
航天ccd相机光学系统的消热设计
航天ccd相机光学系统的消热设计
航天CCD相机光学系统是高精度的光学仪器，其性能受环境温度的影响较大。
为了保证相机的精度和稳定性，需要对其进行消热设计。
消热设计的目的是控制相机的温度，使其稳定在适宜的工作温度范围内。
通常采用两种方法：一种是利用被动散热方式，如增加散热片、散热鳍片等，提高相机表面的散热面积；另一种是采用主动散热方式，如加装风扇、温控开关等，通过对相机内部进行通风散热来控制温度。
在消热设计中，还需要考虑相机的材料和结构对温度的影响。
例如，选择具有较小的热膨胀系数和热导率的材料，以减少温度变化对相机的影响；同时，采用合理的结构设计，如增加支撑杆、加强固定点等，可以提高相机的稳定性和抗振性。
总之，航天 CCD 相机光学系统的消热设计是一个非常重要的环节，需要综合考虑各种因素，以保证相机的稳定性和性能。
- 1 -。
红外成像导引头动态性能测试系统设计
结果。通过对某型号红外成像导 弓 ｆ 头的测试和验证，证明 了 该系统工作高效、稳定，为红外成像导
引头的动态性能测试提供 了有效的方法和手段。
虚 拟仪 器 关键词：动态性能；红外成像导引头； 目 标模拟；
中图 分类 号 ：Ｔ Ｊ ７ ６ ５ ． ３ ３ ３
文 献标 识码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ０ ０ １ — ８ ８ ９ １ （ ２ ０ １ ７ ） １ ２ — １ ０ ７ ８ — ０ ５
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论红外光学系统消热差技术中的归一化系数
（ ） ｎ ｔ ｉ ｌ ｅ Ｎｏ ｒ ｍａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｃｏ ｅ 毋ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ａｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ Ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ
摘 要 ：温度 变化 对透镜 成像 效果 的影 响称 为热 差。为 了使 透镜在 一定温度 范 围内具
有 稳定 的成像 质量，通常 需要 通过 采取 某些补偿 措 施来 实现 消热差 。归一化 系数是 消
热 差 数 学模 型 的 重 要 组 成 部 分 。讨 论 了 归 一化 系 数 的概 念 及 其 在 消 热 差 技 术 中 的应 用
点： 一是透镜 的折射率 会发生 改变 ； 二是透 镜支
架结 构会 产 生位 移。这 些影 响可使 本来 应 落在 光敏 元 Ａ上 的光 子落 到光敏 元 Ｂ上，或者 使本 不 应落 在光 敏元 上 的噪声 光子 落到 光敏 元上 ，
外层 空间中， 该 位置又可能位 于地球 的向阳面或
背 阳面。一般 说来 ， （ 红外） 光学 系统是红外 整机 中 与外界 环境 接触 最 多 的部 分 ，也最 容 易受到
从 概 念分析 的 角度 来看 ，整 个光 学 系统 则可 等
效 为 一 片透 镜 温 度 变 化 对 光 学 系统 的 影 响 可
以 归结 成 它对透 镜 的 影 响。这种 影 响 主要 有两
能需 要工 作在 环境 温 度变 化很 大 的位 置上 。例
如，在地 面上 ，该位置可能位于寒 区或热 区；在
温 度 变 化 的 影 响 。光 学 系 统 包 含 若 干 片 透 镜 ， 但
情况 基 于 国内相 关文献 资料，介 绍 了红外光 学系 统消热差技 术 的发 展思路 与动 态。
1m太阳望远镜光电导行镜无热化分析
1m太阳望远镜光电导行镜无热化分析程向明;邓林华;柳光乾【摘要】The guide telescope ,as an integral part of the guide system of the 1m new vacuum solar telescope (NVST ) ,its stability of imaging is essential .It is necessary to be concerned that the deformation of the telescope structure caused by environmental thermal load may cause thermal defocusing and affect the image quality of the guide telescope .T he temperature distri-bution of guide telescope at -5 ℃ ,20 ℃ and 35 ℃ were analyzed using finite element meth-od ,and then the axial deformation of guide telescope caused by temperature field was calculat-ed .T he maximum defocusing amount is 6 .45μm ,and the results show that the max change of distance between the primary mirror and the target surface is far less than the dept h of focus ( ± 35 μm ) ,w hich provides a basis to analyze the non-thermal design of guide telescope of NVST .%作为1m太阳望远镜（NVST）导行系统的重要组成部分，导行镜的成像稳定性至关重要。
光电成像导引头抗干扰性能评估方法
光电成像导引头抗干扰性能评估方法
王学伟;熊璋;沈同圣;周晓东
【期刊名称】《光电工程》
【年(卷),期】2003(030)001
【摘要】提出了一种新的光电(红外/电视)成像导引头抗干扰性能评估方法,该半实物仿真系统采用光电跟踪仪模拟导引头的探测器,导引头图像处理单元由DSP系统硬件实现.在线实时评估方式模拟了导引头的实际工作过程,离线事后评估可以改进导引头的图像处理算法.作为一个通用评估平台,此方案可以评价不同导引头的抗干扰性能.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】王学伟;熊璋;沈同圣;周晓东
【作者单位】北京航空航天大学计算机科学与工程系,北京,100083;海军航空工程学院自动控制系,山东,烟台,264001;北京航空航天大学计算机科学与工程系,北京,100083;海军航空工程学院自动控制系,山东,烟台,264001;海军航空工程学院自动控制系,山东,烟台,264001
【正文语种】中文
【中图分类】TN976
【相关文献】
1.红外成像导引头抗干扰性能评估方法研究 [J], 马潮;陆志沣;余海鸣;洪泽华;杨杰;乔宇
2.基于支持向量回归与多核集成的红外成像导引头抗干扰性能评估方法 [J], 葛辰杰; 陆志沣; 洪泽华; 马潮; 余海鸣; 赖鹏; 乔宇; 杨杰
3.红外成像导引头抗干扰性能评估方法 [J], 方丹;周永恒;崔少辉;郭晓冉
4.一种基于灰色关联-可拓学的雷达导引头抗干扰性能评估方法 [J], 李尚生;张军涛;韩建立;但波;王旭坤
5.一种基于灰色关联-可拓学的雷达导引头抗干扰性能评估方法 [J], 李尚生;张军涛;韩建立;但波;王旭坤
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一种导引头性能可视化评估方法
进行多次重复性研究,性价比高,为导引头性能评估提供一种比较适用的研究手段.
关键词:可视化评估;同步伴随;弹目连线;框架角
中图分类号:
TN９７ 文献标志码:
A DOI:
１０．
５７６８/JAO２０１９４０．
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航空CCD相机可见光光学系统消热差设计
航空CCD相机可见光光学系统消热差设计
钱义先;贾远林;梁伟;高晓东
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2009()9
【摘要】提出采用广义变焦系统设计概念来实现可见光折射系统无热化设计.设计了常温下满足成像质量要求的消色差的良好光学系统,在工作温度范围内建立多个变焦位置,通过合理改变部分材料,满足宽工作温度范围内像质均良好的要求.利用该方法设计出工作于0.43～0.75μm波段,焦距为780 mm,F数为5.6,视场为5.3°的航空CCD相机光学系统.系统在-40℃～+60℃之间成像均保持良好,调制传递函数下降5%.
【总页数】4页(P2279-2282)
【关键词】光学设计;航空相机;消热差;变焦系统;可见光波段
【作者】钱义先;贾远林;梁伟;高晓东
【作者单位】浙江师范大学信息光学研究所;中国科学院光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
【相关文献】
1.消热差高清相机光学系统设计 [J], 刘海欧;郭宝录
2.复杂CCD航空相机光学系统快速消热差设计 [J], 钱义先;程晓薇;邵杰;洪雪婷;王辉
3.可见光/红外双视场全景式航空侦查相机光学系统设计 [J], 朱海滨;邵毓;张远健;周亮;徐志刚;朱大略;山俊晶
4.薄膜衍射消热差红外光学系统设计 [J], 王烨菲;程艳萍;姚园;李道京;于潇
5.基于长波红外探测器的消热差轻量化光学系统设计 [J], 王小波;王曦;刘广康;夏树策;付明亮;郝新建;曹乾坤
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第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-03-03作者简介：胥尤欣(1973-)，男，河南西平人，工程师，主要从事红外光学系统设计，红外成像导引头光学设计以及红外折衍镜头设计研究。
5xyxy@63新型成像导引头光学系统的消热差设计与评价胥尤欣（洛阳光电技术发展中心，河南洛阳471009）摘要：环境温度变化对红外光学系统的影响很大，根据弹载红外光学系统工作的特殊性，采用光学被动消热方法，设计了一种新型红外成像导引头，采用回转结构，具有较大跟踪场，设计波段为3~5m ，在-40~60℃范围内实现环境温度补偿，分别对一种传统球面透镜和一种折衍透镜光学系统的结构和性能进行了分析和比较，引入二元面和衍射面，使结构简化，质量减轻，达到了红外成像导引头空间分辨率，0视场90%弥散斑能量在0.035mm 以内，完全满足结构和光学性能要求，是将光学新兴技术与我国国防武器相结合的一次大胆尝试。
所设计的结构简单可行，在要求的温度范围内性能稳定。
关键词：红外干涉仪；调试；测量中图分类号：O43文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0560-05Infrared optical system with refractive diffractive hybridathermalization design and evaluateXU Y ou-xin(China Air to Ai r Mis sile Academy,Luoyang 471009,China)Abstr act:For infrared seeker system work conditions,the environment temperature greatly affects imaging quality.The new designed hybrid system is passively atherm alized over the temperature range from -40~60℃with very high and stable imaging quality.The new designed infrared imaging system applied an optical system with greater field of view in 3~5m waveband agrees to the optical performances and configuration paring a common spherical surface system with a refractive diffractive hybrid,the usage of diffractive surface m a kes optical system much simpler,lighter and space frequency of 20lp/mm is near to diffraction limitation.90%radial energy distribution spot diameter of 0field of view is less than 0.035mm .It is an attempt to apply the new optical technology to air national defense.Key wor ds:Infrared interferom eter;Alignm ent;Measurement0引言随着红外成像技术的发展，设计出在不同恶劣环境条件下工作的尤其是能在高温或低温下工作高性能弹载红外光学系统。
环境温度对红外光学系统的影响极其严重，而大多数光学系统都工作在一定的温度范围内，在常温下设计、加工装调。
当在高空温度发生剧烈变化时，光学元件的曲率、厚度和间隔将发生膨胀或收缩，材料的折射率也发生改变，从而导致系统成像质量急剧下降，难以达到设计要求。
从20世纪90年代起世界范围内的光学研究人员开始将衍射光学元件应用于光学成像领域。
二元面和Email:增刊胥尤欣：新型成像导引头光学系统的消热差设计与评价561高次非球面的应用,为光学设计提供了新的思路和方法，特别是利用衍射元件负的色散系数和独特的温度特性,为光学设计制造和航空光学发展带来一次深刻变革[1,2]。
1光学系统消热差方法图1是一个采用普通球面镜头的光学系统，D/f ′=1/1.7，瞬时视场2ω＝3.6使用硅和锗两种材料，壳体采用铝，温度变化后对光学系统离焦量和各视场图1采用普通球面镜头光学系统Fig.1Layout of a comm on spherical surface optical system弥散斑成像质量的影响见表1。
由表１可以看出随着温度由-40~60℃的变化，光学系统的像质发生很大变化，离焦量在0.09mm 。
表1光学系统温度变化对像质的影响Tab.1Tempera tur e affection to the ima ging qua lity of the optical systemTemperature/C 0/mm 1.2/mm 1.8/mm Defocus /mm 600.0440.0560.066-0.07200.0180.0280.0380-400.0620.0710.0800.09使光学系统在温度变化范围内保持焦点和像质不变的技术称作消热差。
目前国内外采用的红外系统消热技术可分为三类，分别是：机械被动消热、机械（电子）主动消热、光学被动消热。
机械被动消热是通过利用消热差机构中两种不同膨胀系数的机械元件进行自然膨胀和收缩来获得运动。
金属棒通过自身的热胀冷缩来使消热透镜产生运动，从而补偿像面的漂移。
这种方法能可靠执行消热，但通常体积较为庞大、笨重。
机械电子（主动）消热利用温度传感器自动探测温度，处理器实时计算出温度变化引起的像面位移，再由电机驱动消热元件到达正确位置，这种方法采用大量温度传感器，能准确求解温度梯度变化与像面位移的关系。
但因为电机等的质量，系统较重，而且需要提供电源。
光学被动消热利用光学材料热特性之间的差异，通过不同特性材料的组合来消除温度的影响，在较大温度范围内保持焦距、像面和像质稳定。
红外透过材料很多，它们的热光系数都不同。
每种材料的折射率温度系数n/t 都不同[3]，并且随波长和温度的变化而变化。
光学被动消热将选择合适的材料结合在一起补偿热离焦，利用衍射元件的负色散系数和独特的光学温度特性使被动消热差相对前两种方法有明显的优点，因为它不引入运动元件，这样就提高了可靠性，而且它们不需要供电,能以非常简单结构形式来完成紧凑、轻质量的设计。
弹载红外光学系统的工作波长一般为中、远红外，即3~5m 和8~12m ，此波段的大多数红外透镜材料的折射率随温度变化显著。
弹载红外光学系统不同于一般的红外光学系统，因为存在空间限制、可靠性、质量等的原因，不太可能采用主动补偿的机械方法，工作时不可能进行人为干预和重新调焦。
通常研制的弹载红外成像系统具有大动态范围、隐蔽性好、高分辨率，全天候作战等特点，并可实现“打了不管”。
而采用衍射元件的光学被动消热技术的具有结构简单、尺寸小、质量轻、无需供电、可靠性好等特点,非常符合小型化、轻型化的要求,故而成为光学系统无热化研究的热点和红外成像导引头光学系统消热差设计的主要途径。
2光学设计及像质评价2.1折衍光学系统消热差原理光学元件的温度特性由光热膨胀系数表示，定义为单位温度变化引起的光焦度的相对变化：1d d Tf f x f T φφ==(1)折射元件,采用薄透镜模型，φ=(n-n 0)(c 1-c 2)，可以得到它的光热膨胀系数：0,0d 1d 1d d d d f r gn fn x nf Tn n TTα==(2)562红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术第37卷式中：αg 为光学元件的线膨胀系数；n 为光学元件的折射率；n 0为环境介质的折射率；c 1、c 2是折射元件的曲率半径。
对于衍射光学元件，它的焦距由环带的位置决定：202mn r f m λ=(3)式中：r m 是第m 个环带的径向距离；λ为中心波长。
环带半径r m ′与温度的关系可以表示为：()1m m g r r T α′=+(4)由此可以得到衍射元件的光热膨胀系数为：,d 120d f d g n x n Tα=+(5)可以看到，折射元件的温度特性是由材料的膨胀系数和材料的折射率温度系数决定，而衍射元件的温度特性只是由材料的膨胀系数决定而与材料的折射率特性无关[4~6]。
在普通球面加衍射非球面的表达式为[7]：()()2241222111cr Z r s r s r k c r=+++++"(6)式中：Z(r)为面形矢高；r 为半径；c 为表面曲率；s 1、s 2为面形系数；对于标准球面k =0；对于衍射面和二元面，温度变化对相位函数的影响可以用以下系数表示[9]：相位函数：2nn C r φ=∑(7)温度变化后：()/1n n g C C T α′=+(8)它可被近似表示为：1122244g g n g n C C T C C TC n C Tααα==="(9)透镜曲率半径：()1g r r T α′=+(10)中心厚：()1g d d T α′=+(11)折射率：()d /d n n n t T′=+(12)壳体空气间隔：()1H L L T α′=+(13)式中：αH 为材料壳体膨胀率；T 为温度变化。
2.2光学系统消热差设计与评价红外成像导引头对跟踪场要求达到较大跟踪场，使用128×128元焦平面探测器，像元尺寸50m ×50m ，要求光学系统结构紧凑满足回转结构，有效接收面积≥25cm 2，而且在-40~60℃比较大的温度范围内实现消热差。
按照设计要求，根据以上理论，得出系统初始结构，再利用Code V 温度设计软件，进行优化设计，完成了一套稳定且具有优良性能的红外消热差折衍混合光学系统。
该系统适用于3~5m 波段，视场为4°×4°，D/f ′=1/1.55，整流罩到光敏面全长65mm ，有效焦距93mm ，有效接收面积28cm 2。
图4为系统光路图，该系统共有3片元件组成，两片材料为硅，1片材料为锗，其中第3镜片的后表面为二元面。
由于系统本身的设计要求并考虑到实际产品加工的可行性,系统的口径和视场都较大。