小视场红外光学系统设计
光学系统小型化设计

光学系统小型化轻量化设计光学系统小型化随着光电成像器件和计算机技术的飞速发展,为了满足军用仪器设备体积小、质量轻、机动灵活的需要,光学识别系统向着高灵敏度、小型化的方向发展。
1.衍射光学元件随着超大规模集成电路制作工艺的发展,衍射光学元件因其具有轻型化、集成化、价格低廉、便于压膜复制等优点广泛地应用于光学仪器领域。
小型化光学识别系统将二元衍射元件与传统光学元件相结合,改进后的装置结构紧凑、质量轻、体积较小( 130 mm×90 mm) ,推动了光学识别系统的小型化发展。
光学识别系统的光学系统主要包括准直扩束系统和傅里叶变换系统,其中准直扩束系统主要由准直物镜与会聚物镜组成。
2.简化光学系统根据技术指标要求,采用机械补偿法设计光学系统,选择合适的光学材料及各组元光焦度的合理匹配,选取远摄结构的前固定组实现系统小型化。
减小变倍组和补偿组的焦距是实现光学系统小型化的有效手段。
但变倍组和补偿组焦距的减小是有一定限度的,其受到高级像差增大的限制。
系统简化会引起图像质量下降,可以通过计算成像的方法与光学系统设计相结合,提高图像质量。
光学系统轻量化随着空间光学遥感器地面分辨率的不断提高,导致其视场角、焦距、主镜口径不断增大,对其结构轻量化和稳定性要求也变得越来越苛刻,使光学系统在设计、加工制造、总装调试和检测方面的难度越来越大。
同时,口径的增大也使系统受重力和温度的影响更加突出,因此,针对大口径光学遥感器地面和在轨工作条件的差异,设计出合理的轻量化主镜及其支撑结构,尽量减少系统自重和温度变化对镜面变形的影响,是实现光学遥感器研制成功的关键技术之一。
目前,光学系统轻量化实现途径一是选用新型性能优良的材料和工艺;二是选择新型的超薄镜片技术;三是选择有效的轻量化结构并确定最优的结构参数。
目前,国内外镜体轻量化技术研究主要有3种途径: 浇铸成型法、高温熔接法或熔接物封接法和机械钻削减重法。
参考文献[1]王海燕,苗华,陈宇,光学识别系统小型化设计,激光与红外,2011,12(12)[2]王红,田铁印,5倍变焦距光学系统小型化设计,中国光学,2014,4(2)[2]闫勇,金光,杨洪波,空间反射镜结构轻量化设计,红外与激光工程,2008,2(37)。
基于DMD的红外双波段景象模拟投影光学系统设计

F / 2
5. 3 3  ̄5 g m>0 . 6; 8  ̄1 2 F m >0 . 3
影光学系统等。由计算机图像生成器生成 的图像数 据, 经过数字信号处理 电路 , 送人 D MD驱动电路 . 并将数据保存在 C MO S 存储单元 。黑体光源产生
. 2 系统初 始 结构 的选取 红外热辐射经过照明光学系统和投影棱镜后均匀照 2
射D MD, 存储单元根据存储的二进制信息产生驱动
红外光学 系统 主要有透射式 和反射式 两种类
电压控制 D MD的偏转状态 , 反射红外热辐射 ; 红外 型。一般 同轴反射式光学系统 的视场角较小且存在 热辐射通过投影棱镜 , 输入到投影光学系统 , 被投影 中心遮拦问题 , 离轴反射式能够解决视场角和 中心 到被测试单 元的人瞳处 , 使红外成像 系统如 同工作 遮拦的问题 , 但其加工 、 装调等要求极高。透射式光
t e n r o f c o a x i a l d u a l - b a n d i n r f re a d ( mi d d l e wa v e l e n g t h 3  ̄5 g m nd a l o n g wa v e l e n g t h 8  ̄1 2 g m) s c e n e s i mu l a t o r i s d e —
t h e i ma g e d i s t a n c e 5 。 l mm , t h e M TF o f mi d d l e wa v e l e n g t h i s g r e a t e r t h n 0 a . 7; t he M TF o f l o n g wa v e l e n g t h i s
红外反远距光学系统的小型化设计

高斯 光 学分 析 , 出进 一 步 小 型 化 的 途 径 ; 据 探 测 器 参 数 , 出 了光 学 系 统 的 参 数 , 距 找 根 提 焦
1 mm, / 0 F #为 1 2 视 场 6 。 实例 方 案 中 , 学 结构 采 用 4片硅 片 , ., 0。 光 2个 二 次 曲 面 ; 学 系统 长 光
i mo et a 5/ a h u o ffe u n y Th e g h o h p ia y t m ss o t rt a s r h n 4 6 tt ec t f r q e c . 9 eln t ft eo tc ls se i h re h n 5 7
本 低 , 于机 械 安 装 , 境 使 用 范 围广 。 便 环
关键 词 : 远 距物镜 ;小型化 设计 ;中波 红外 ;光 学设 计 反
中图分类号 : TN 2 22 文献标志码 : A
M i i t r z to s g f i r r d i v r e e e ho o o i a y t m n a u i a i n de i n o nf a e n e t d t l p t ptc ls s e
The s s e c nss s o i c sofs lc n l n nd 2 s c y t m o it f4 p e e iio e s a e ond o de s he i u f c ,a t TF r r a p rcs r a e nd isM
mm ,a t a e e Sl s ha 4 mm. The s t m Sc nd isdim t ri e st n 2 ys e i ompa ti ie.c te f c i nd e s c n sz os f e tvea a — Y t e a s mbl d, nd i o i s g od pe f ma e fo 一 4 o b s e e a tpr v de o ror nc r m 0℃ t 0℃ o6
code v红外光学系统设计流程

code v红外光学系统设计流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成,希望大家下载以后,能够帮助大家解决实际的问题。
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在进行红外光学系统设计之前,首要任务是明确设计需求。
试论红外偏振成像系统光学设计

试论红外偏振成像系统光学设计随着科技的发展,人们对于影像的需求也变得越来越高。
而在红外成像领域,紫外成像和可见光成像在某些应用方面存在一定的局限,因此红外成像技术应运而生。
红外偏振成像系统是红外成像技术的一种表现形式,它通过提取红外偏振信息来实现高精度成像,具有较高的应用前景。
本文将针对红外偏振成像系统的光学设计进行探讨。
1. 红外偏振成像系统的光学原理红外偏振成像系统是基于红外成像技术和偏振光成像技术的结合。
在光学上,红外偏振成像系统采用了偏振光,利用偏振光在被扫描的表面反射或透射时的性质来提取目标物的偏振信息,从而实现对目标物的高精度成像。
2. 光学设计方法光学设计是红外偏振成像系统设计中的重要部分。
其主要目的是设计出合适的光路和光学元件,以保证系统能够满足特定应用的成像要求。
对于红外偏振成像系统的光学设计,可采用以下方法:2.1 光学系统的基本参数设计首先,需要确定红外偏振成像系统的基本参数,如成像倍率、视场角、分辨率等。
这些参数直接影响到整个系统的成像质量和性能。
例如,成像倍率是成像的重要指标之一,它可以决定系统的分辨率和细节的清晰度。
因此,在进行光学设计时,需要根据所需的成像要求来确定这些基本参数,以满足特定的应用。
2.2 光路的设计光路设计是红外偏振成像系统中的核心部分。
光路的设计包括确定透镜组合、光源、探测器以及其他光学元件等。
在确定透镜组合时,需要根据系统的要求来选择相应的透镜形式,如平面透镜、非球面透镜等。
同时,还需要考虑透镜的直径、焦距、材料等因素。
在确定光源时,需要根据目标物的性质和照明范围来选择最合适的光源。
通常采用红外LED、激光等光源。
在确定探测器时,需要考虑探测器灵敏度、分辨率和响应时间等参数,以便达到最佳效果。
2.3 其他光学元件的设计除了透镜组合、光源和探测器之外,红外偏振成像系统中还需要其他一些光学元件,如滤波器、偏振器等。
滤波器的作用是将特定波长的光线传递到目标物表面。
满足双视场需求的红外模拟光学系统的设计

第3 6卷 第 l期
VO .6 No 1 1 . 3
红 外 与 激 光 工 程
I rr da dL s rE gn ei g nfae n a e n i e r n
2o o 7年 2 月
F b 20 e.07
满足 双视场 需求的红外模拟学 系统 的设计
T epoet n o t sclma sif rdi g rm L L og nrt i r e cn o i nt. h h r ci pi ol t n ae ma ef C V t e ea n a d see f m n i T e j o c i e r o e f r r i f y
De i n o c n i ul to p is f r d lfed a l sg fs e e sm a i n o tc o ua l ng e i
i f a e m a e s n r r d l g r
ZHE NG Ya we ,GAO io b , ANG u , HEN il g — i J —o W a Jn C Hu — n i
表 明此 投射 光 学 系统像 质 达 到理 想状 态 。 最后分 析 了光 学 系统性 能 参数 与指 标要 求的符 合 。 满足 设 在
计指标 的前提 下 , 变焦 系统 相 比 , 光 学 系统 结构 简单 、 本低 、 行性 高。 和 该 成 可 关键 词 : 场景 摸拟 器 ; 液 晶光 阀 ; 变焦 系统 ; 调 制传 递 函数 中 图分类 号 :N2 ; 4 T 1O 3 文献标 识码 : A 文章 编 号 :0 7 2 7 (0 7 0 - 0 7 0 10 — 26 2 0 ) 1 0 7 — 5
vrigi g i e h edo ets ot s T epoef n o t si d s n dfrac nt t ed ay n maes emet tene ft t pi . h rjc o pi s ei e o s n l z s h e c i c g o a f i
红外生命探测仪用光学系统的设计

z o r to o .S n e i u e n S a e i l f r isl n ,isF u b r i g e t r t a . ih o m a i f3 i c t s s Ge a d Zn e m t ra s o t e s t n m e s r a e h n 1 i wh c
sai eu nyo 1 / p t l q e c f 5 pmm. f r h mp rtr n e fh pi l ytm a dte aa ee f af r l A e te e eaue ag e t a ss n rm tr o t t r ot o c e hp s
Abs r c : ta t To lt t e o tc l s s e o n i ra e i e e t r h v a g r d t c i n a e ,a n w e h p i a y t m fa nf r d l e d t c o a e a l r e e e to r a e f
为变 倍
为补偿组 , ( 为后 固定组 。图 1 j 5 中,上
0 引 言
以往 的红 外 生命探 测仪 一 般都 是采 用 固定 焦距 透 镜 的单 视场 系统 。该 系统 所用 的透 镜 片
数少 , 并且能够 较好地 吸收红 外辐射 能量 , 但是
性, 无法很好地适 应灾后 复杂多变 的环境 。 随着 技术 的改进 ,变焦 距视 场 系统 逐渐 取代 了单 视
i fa e a ed o i w p i a e e to y t m s p o o e . Th p ia yse i o m y t m . n r r d du lf l fv e o tc l d t c i n s s e i r p s d i e o tc ls t m s a z o s s e Be a s sl n r u o m sa d c m p n a e e pe a ur y a i l c u e i e sg o p z o n o t e s tstm r t e b x a to , t l c r m e h n c l y t m mo i n isee t o c a ia s e s i i p i e ssm l d.Th y t m a n o e a i n wa e ba d o o 1 m . c l a e o 5 t 4 n a d a i f e s s e h s a p r t o v n f8 t 4 u a f a ng f o 1 0 i n o r 3 ni
三视场红外搜索光学系统的设计

l e ns . Th e t e c hno l o gy f o r as p he r i c l e ns e s wa s i nt r o d uc e d t o i mpr o v e t he i ma gi n g q ua l i t y b y c o r — r e c t i ng s p he r i c a l a be r r a t i on a nd c o ma .The n t he pe r f or ma nc e o f o p t i c a l s y s t e m wa s a n a l y z e d b y CODE V s o f t wa r e .The ma x s po t wa s l e s s t h a n 1 1 um a nd M TF a pp r o a c he d t o d i f f r a c t i on l i a— r i t .The r e s ul t s s ho w t ha t t he i ma ge qu a l i t y o f o pt i c a l s ys t e m r e a c he s a pp l i c a t i o n r e q ui r e me nt s .
三 视 场 红 外 搜 索 光 学 系统 的设 计
胡 博 , 杨子建 , 韩 昆烨 , 高 婧 ,王 凌 , 张 宣智
( 西安应用光学研究所 , 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 )
摘 要 : 设 计一 款 实 际工程 应 用的红 外 三视 场光 学 系统 , 其 中 大 中视 场 利 用透镜 组切 换 变倍 , 小 视 场和 大视 场利 用反 射镜 切 换 变倍 。设 计 中采 用二 次成 像 的 方 式 , 3个视 场共 用 二 次成 像 透镜 组, 保证 1 0 0 冷屏 效 率 , 减 小 第 1片透镜 的过 口径 。 同时 , 采 用非 球 面技 术校 正 系统 的球 差和 彗差 , 通过 光 学设计 软件 C OD E V仿真, 得 出最 大的点 列斑 为 1 1 t z m左右, 并 且 MTF接 近 衍 射
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光能 。
411 月镜的设计
弯月镜是主光学系统 ,它对性能和结构起主要
作用 , 所以在设计中 从 视 场 角 出 发 , 以 焦 距 f′<
240mm 为原则来考虑最小球差 ,通过光路计算调整
参数 ,得到最佳方案 。
从图 2 的红外光学系统光路图可知 ,B 是通光
孔径为 D = 24mm、焦距为 f′的弯月镜 ; a1 为无穷远 目标在视场角 2ω 的弯月镜焦平面上所成像的半
高 , a 为 a1 经浸没透镜被缩小后的半高 。 由像高与视场角的关系式可知 a1 = f′·tgω
由此可得 ,浸没增益
G=
a1 a
=
1 a
f′·tgω
=
D a
·F·
tgω ,式中
:
F
=
f′。
D
图 2 红外光学系统光路图
在设计中 ,选定弯月镜的焦距 f′,就可算出光 学系统的浸没增益 G 和 F 数 。若考虑焦距取 f′= 200mm ,视场角将大于 0115°,不能满足技术要求 ,所 以选择焦距 f′= 220mm~240mm 来设计小视场红外 光学系统 ,以满足视场角 2ω= 011°~0114°的要求 。
由于总体对结构的限制 ,红外探头的镜筒长度 应 < 270mm ,也因热敏电阻红外探测器研制工艺的 限制 ,热敏电阻敏感面面积不可能太小 ,在设计中优 先考虑采用 0113mm ×0113mm 的方案 ,所以在光学 系统的设计中没有选择余地 ,只能在这些限制条件 下合理考虑视场 、像差及弥散斑大小 ,力争设计出比 较理想的小视场红外光学系统 。
4 小视场红外光学系统的设计
由于小视场红外光学系统是用于对地球模拟器 进行性能标定 ,视场角的大小必将影响标定精度 ,所 以在设计中必须重点考虑 。
对红外光学系统来说 ,热敏电阻是个能量转换 器件 ,从这一点考虑 ,必须把热敏电阻设计在弥散斑
最小的位置上 ,使视场内光线 100 %到达热敏电阻
探测器的敏感面上 ,以接收目标发出的尽可能多的
在通光孔径和结构大小的限制下 , 视场只有 011°~0114°的小视场红外光学系统与视场为 015°的 一般红外光学系统相比 ,视场角减少 4 倍左右 ,使系 统接收的红外辐射能量较小 ,信噪比降低 ,不利于准 确标定“准直式地球模拟器”的地球张角 。为了提高 小视场红外光学系统的信噪比 ,用 015°视场的红外 光学系统对“准直式地球模拟器”进行标定试验 ,试 验表明 : 在 红 外 光 学 系 统 中 采 用 与 不 采 用 14 ~ 16125μm 的红外带通滤光片对视场的测试结果没有 任何影响 ,所以在小视场红外光学系统的设计中决 定不采用滤光片的方案 ,以提高小视场红外光学系 统的光学效率 ,达到提高信噪比和提高标定精度的 目的 。
图 1 小视场红外光学系统
在航天技术中红外探测的背景信号很小 ,为减 少能量损失 ,提高光学系统的性能 ,光学系统的物镜 应选择单透镜结构 ,在设计中按最小球差原则来设 计 ;浸没透镜采用超半球结构 ,利用它产生的恒负球 差来抵消物镜所产生的正球差 。由于小视场红外光 学系统的工作波段为 14~16125μm ,所以红外光学 系统选择在这个波段折射率较高且透过性能良好的 高纯锗单晶材料 ,以满足使用小型热敏电阻红外探 测器的要求 。
are researched based on the field design of inf rared optical system . Then the design procedures of inf rared optical system for small field is described . Finally the result of the meniscus and immersion lens design is given. The experiment results show that the design of inf rared optical system for small field is successf ul .
3 基金项目 高新工程项目之一 收稿日期 2004 年 2 月 1 日 作者简介 黄心耕 (1942~) ,男 ,高级工程师 ,主要研究方向为空间与红外光学系统 。
·86 ·
航 天 控 制
2004 年
3 方案分析
小视场红外光学系统由物镜 (弯月镜) 、浸没透 镜和热敏电阻红外探测器 、镜筒和光阑等组成 (见图 1) 。
Design of Infrared Optical System for Small Field
Huang Xingeng Beijing Institute of Control Engineering , Beijing 100080
Abstract In this paper , the effect of immersion lens thickness and radius of curvature on optical characteristics
根据弯月镜和浸没透镜的初始设计参数 ,我们 对不同入射角 u 入射到通光孔径为Φ024mm 的弯月 镜第一面上的不同入射高度 h 的光线进行光路计 算 。通过对子午面反复进行光线追迹及参数调整 , 确定浸没透镜的最佳位置为 d2 = 23015mm ,中心厚 d3 = 61707mm , 得到焦距 f′= 23417093mm , 视场角 2ω= 01067°×2 = 01134°光学系统的光线追迹结果见 表 1 ,其全视场空间光线点列图见图 3 。从光路计
·87 ·
G = 412585 。 4. 2 浸没透镜设计
浸没透镜用在会聚光路中 ,它相对于弯月镜的 位置及浸没透镜曲面半径 r3 对光学系统的像差和 结构都有一定的影响 。设计浸没透镜时应使出射角
u′达到最大 ,使探测器敏感面获得最大的均匀辐照 度 ,这样使用超半球浸没透镜可以显著缩小探测器 敏感面的面积 ,提高探测器的信噪比和浸没增益 ,这 对设计小视场红外光学系统尤其重要 。从结构及锗 材料的吸收考虑 ,为减少吸收 ,根据锗的吸收率公 式 ,选取浸没透镜半径 r3 = 515mm 比较合适 。根据 图 2 和超半球浸没透镜的物象共轭关系 ,以视场角 为出发点进行光线追迹 ,调整参数 ,确定最佳位置 。 4. 3 光路计算与点列图
- 0. 080563569
0
- 0. 045764288
0. 067
- 0. 071171335
0
- 0. 032308539
0. 067 0
- 0. 057638185 - 0. 01936338
0. 067
- 0. 044612916
0. 067 0
- 0. 025121738 0. 01936338
第220204卷年 1第0 月5 期
文章编号 :100623242 (2004) 0520085203
航 天 控 制 Aerospace Control
小视场红外光学系统设计 3
Oct12004 Vol122 ,No. 5
黄心耕
北京控制工程研究所 , 北京 100080
摘 要 从红外光学系统的视场设计出发 ,分析了浸没透镜的厚度和曲率半径对光学特性的影 响 ,介绍了小视场红外光学系统的设计方法 ,给出了弯月镜和浸没透镜的设计结果 ,试验表明小视 场红外光学系统的设计是成功的 。 主题词 红外光学系统 视场 弯月镜 浸没透镜 中图分类号 : V44 文献标识码 : A
入瞳高 h (mm) 12 10. 2
8. 484 6 3. 6 0
- 3. 6 -6 - 8. 484 - 10. 2 - 12
表 1 光线追迹结果
入射角 u (度)
像高 h′(mm)
0
- 0. 06495679510644
0. 067
0. 067 0
- 0. 005615472 0. 032308539
0. 067 0
- 0. 007429982 0. 045764288
0. 067 0
- 0. 020994972 0. 05510644
0. 067 0
0. 030415892 0. 064956797
0. 067
0. 040351871
由于焦距是由弯月镜的半径 r1 和 r2 决定的 , 按最小球差公式得到 :
r1 r2
=-
4 + n - 2 n2 ≈ n (1 + 2 n)
2 3
,
式中 : 折射率
n≈
4100137 。
根据 实 际 要 求 , 经 光 路 计 算 , 最 后 选 定 r1 =
240mm , r2 = 360mm , d1 = 2115mm。
本研究工作目前已经取得较为理想的结果 ,一 些重要的实验结果表明设计方案和硬件选择都是正 确的 。由于时间关系 ,还有一些实验 ,包括单轴气浮 台验证转速过零特性和速度 、力矩控制精度等 ,还没 有完成 ,这些将是我们在下阶段的重要任务 。
算结果和点列图可知 ,该设计弥散斑较小 ,光能分布 均匀 ,若偏离最佳焦平面 ±011mm 或 ±012mm 时 ,弥 散斑将迅速增大 ,则充分说明该小视场红外光学系 统像差小 、像质好 ,设计指标达到要求 。
图 3 空间光线点列图
4. 4 结构设计 光学系统的结构设计是保证光学设计的主要技
术指标达到设计要求的有效手段 。为提高结构的设 计精度 ,在设计中首先考虑弯月镜和红外探测器在 镜筒中的定位面和基准面的垂直度和同轴度 ,选择 合理的公差配合 ,如弯月镜与镜筒采用Φ26 ( H8/ g7) 常用配合 ,红外探测器与镜筒采用Φ17 ( H7/ f7) 优先 配合 ,保证了光轴和机械轴的一致 ;第二 ,设计了消 杂散光光阑 ,有效防止视场以外的无效光线和光学 系统 ———镜筒内壁的反射光线进入热敏电阻红外探 测器 ;第三 ,设计了调焦垫圈 ,使热敏电阻红外探测 器安装在弯月镜的焦平面上 ,提高安装精度 。该小 视场红外光学系统的结构如图 4 所示 ,它设计合理 , 结构简单 ,安装方便 ,完全满足光学设计要求 。