宽谱段红外消热差光学系统设计
消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计_乔杨
2
光学系统设计
光学系统设计过程中， 采取反向设计， 则技术指 标中的出瞳在设计过程中为光学系统的入瞳 。由于 本光学系统与一般的光学系统不同， 入瞳不在第一 块透镜处， 也不在光学系统内， 而在距第一块透镜前 1 000 mm 处。通常， 此类光学系统的边缘视场的主
第4 期
消热差的红外目标模拟器投影光学系统设计
Abstract ： Based on digital micro mirror device （ DMD） ，an innovative wellathermalized projection optical system with long exit entrance distance and big exit entrance aperture for infrared target simulator was designed． The exit pupil distance of the system could reach 1 000 mm，the entrance pupil aperture is 120 mm，and the distortion is better than 1% ． In order to simulate a target of － 40 ħ ，the projection optical system needs to work in the cooled environment， thus the optical system needs to be athermalized． The projection optical system uses three kinds of materials and four lenses． In the range of － 40 ħ 20 ħ ，the maximum defocus amount is less than the system ’ s the depth of focus． Analysis shows that this system could work stably at － 40 ħ 20 ħ ，with MTF of all fields being better than 0. 4 at 16 lp / mm． RMS is smaller than the size of micromirror，and the distortion is better than 1% ． The system has a long exit pupil distant，meanwhile it is well athermailized． Key words： optics； digital micro mirror device； athermalization； infrared target simulator 导引头的有效手段亦随之不断更新 。红外投影光学 系统是红外目标模拟器的重要组成部分， 其作用就 是收集来自目标模拟器的红外图像， 并将经过准直 的图像投射到成像导引头处， 以便模拟来自无穷远 处的红外图像。 为适应多通道的复杂目标模拟系
宽谱段光学系统消二级光谱的设计
材料 LA F5, FK1, T F1, T F2, T F3 偏离该直 线, 具有较强的消二级光谱色差能力, 但LA F 5, FK1, T F 1, T F 2 化学稳定性较差, 光学工艺性欠 佳, 难于在工程上实现。ZK8, ZK4, ZK5, ZK10 化 学 稳定性和光学工艺性好, 而且部分色散 P 值与 T F 3 的部分色散值相当, 阿贝数V 值相差较大, 它 们之间的组合具有相对较强的消二级光谱色差的
1. 524 856 1, 1. 548 777 8
1. 606 184 5 1. 496 942 2～
1. 529 235 9 1. 605 698 1～
1. 628 518 6
1. 540 454 9, 1. 566 201 8
1. 627 424 2 1. 508 467 5～
1. 543 893 9 1. 631 193 1～
1) 3 c1 +
(nF2 -
nD2) 3 (nF2 - nC2) 3 (nD2 (nF2 - nC2) 3 (nD2 - 1)
1) 3 c2 = P 13 Υ1 V 1 + P 23 Υ2 V 2
(1)
式中: c 为透镜前后面的曲率差; P 为材料的部 分色散。
N P Κ3= N
Κ3 Κ1 -
N N
1 Υ2
∃
Υ=
-
f3
P1 V1-
P2 V2
(7)
由 (7) 式可知, 对于一定焦距的透射光学系统,
二级光谱色差的大小与系统结构参数无关, 完全由
玻璃的色散特性决定。对于一定玻璃组合的透射光
学系统, 二级光谱色差的大小与系统焦距成正比, 比例系数与玻璃的组合有关。所以校正二级光谱色
红外全景系统光学被动式消热差设计全景拼接图像配准Harris算法论文
红外全景光学系统设计【摘要】伴随着红外技术和全景成像技术的不断发展,研究红外全景光学系统以代替单视场视觉系统已经成为各国竞相研究的热点。
相比于单视场视觉系统,红外全景系统具有不可比拟的优势：它克服了连续捕获新目标出现的观瞄低效、实时性差、更新速度慢等缺点,提高了目标的感知能力和搜索跟踪的速率,确保探测目标的准确度；并且探测灵敏度高,能识别夜间或恶劣环境条件下的各种伪装和多层次、多角度目标的威胁。
本文在总结和归纳国内外红外全景成像方法和发展趋势的基础之上,选择了多镜头全景成像法,设计了大视场、大相对孔径的红外物镜。
并采用视场交互式部署方式,设计出一个方位360°和顶视90°视场的五通道中波红外全景光学系统。
该系统使用一个探测器代替多个探测器接收方位和顶视的红外信息。
从设计结果的各类像差曲线、点列图和传函中分析出,系统在整个视场范围内成像质量良好,传函在171p/mm时接近衍射极限。
通过分析红外系统现有的几种温度补偿方法,采用光学被动式消热差,利用不同材料相互匹配和合理分配光焦度对红外系统在-40°C～60°C温度范围内进行消热差设计。
设计结果表明,在给定温度范围内成像质量满足设计要求,同时像面稳定。
采用离焦方式对系... 更多还原【Abstract】 With the continuous development of infraredtechnology and panoramic imaging technology, infrared panoramic optical system replace the single field vision systemand become hot in every country. Compared with the single field vision system, infrared panoramic system has unparalleled advantages:it overcomes the disadvantage of inefficient, poor real-time in continuous new target capturing, slow update and so on. It improves target perception and rate of track search to ensure the accuracy of targ... 更多还原【关键词】红外全景系统；光学被动式；消热差设计；全景拼接；图像配准；Harris算法；【Key words】infrared panoramic system；optical passive method；athermalisation；panorama stitching；image registration；Harris algorith；【索购论文全文】138113721 139938848 即付即发目录摘要3-4Abstract 4-51 绪论8-171.1 课题背景与意义8-91.2 全景成像技术的实现方法9-121.2.1 旋转扫描式全景图像拼接式法91.2.2 折反射全景成像法9-101.2.3 特殊结构形式实现全景成像10-121.3 红外全景成像系统的发展现状12-141.3.1 国外红外全景成像的发展状况13-141.3.2 国内红外全景成像的发展状况141.4 本文研究的主要内容和组织结构14-161.4.1 本文研究的主要内容14-151.4.2 本文的组织结构15-161.5 本章小结16-172 红外全景系统总体设计17-272.1 总体设计路线17-182.2 设计要求18-192.3 工作原理19-202.4 红外光学材料20-222.4.1 红外光学材料的主要性能20-212.4.2 红外光学材料的种类21-222.4.3 常见的红外光学材料222.5 热差理论22-252.5.1 引言22-232.5.2 温度效应23-252.6 无热化设计方法25-262.7 本章小结26-273 红外全景系统设计27-543.1 引言273.2 红外全景光学系统设计27-463.2.1 设计规格要求273.2.2 红外物镜设计27-373.2.3 无热化设计37-463.2.4 全景系统设计463.3 系统公差分析46-503.4 转像规律分析50-513.5 像移分析51-533.6 小结53-544 红外镜头性能分析与作用距离估算54-604.1 红外全景系统中光能损失分析54-554.1.1 光学元件内部的光能损失544.1.2 光学元件表面的反射损失54-554.2 镀膜55-564.3 红外全景成像探测距离估算56-594.3.1 盲区估算56-574.3.2 探测距离估算57-594.5 小结59-605 红外图像拼接60-675.1 图像拼接概述605.2 图像拼接流程60-615.3 图像配准方法61-625.4 基于Harris算法的图像配准62-665.4.1 Harris算法原理62-655.4.2 全景图像配准仿真与分析65-665.5 本章小结66-676 结论与展望67-706.1 本论文工作的总结67-686.2 未来工作的展望68-70参考文献。
宽谱段消像散Czerny-Turner光谱仪光学系统设计
宽谱段消像散Czerny-Turner光谱仪光学系统设计赵意意1,2，杨建峰1，薛彬 1，闫兴涛1,2【摘要】摘要：针对光谱仪小型化、高分辨率的发展趋势，设计了一种结构简单、宽谱段、消像散的小型光谱仪。
具体分析了折叠光路Czerny-Turner光谱仪各种像差的原理和校正方法。
推导了柱透镜宽谱段消像散的理论方程。
作为实例，设计了一款谱段为300～900 nm、物方数值孔径0.08的小型光谱仪。
该光谱仪采用折叠光路结构以减小尺寸，添加柱透镜以消除整个谱段的像散。
结果表明：该光谱仪结构简单紧凑，体积小，实现了宽谱段的消像散，全谱段光谱分辨率优于0.5 nm。
【期刊名称】红外与激光工程【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6【关键词】光谱仪；光学设计；柱透镜；宽谱段；消像散0 引言小型化是光谱仪发展的一个重要趋势。
小型光谱仪具有结构紧凑、体积小、质量轻、探测速度快、使用方便、耗能耗材少、性能稳定、寿命长、可集成化、可批量生产以及成本低廉等优点。
此外它还具有二次开发性能,可以利用微小光谱仪来进一步制造其他分析仪器[1-2]。
Czerny-Turner结构是小型光谱仪最常采用的结构，因为这种结构仅由两块球面镜和一块平面光栅组成，具有结构简单、成本低廉等特点[3]。
19世纪，Czerny、Turner和Shafer等人针对Czerny-Turner结构提出了比较完善的消除球差和彗差的理论[4-5]。
在20世纪以前，人们很少去消除Czerny-Turner结构的像散，因为像散是子午像面和弧矢像面二者沿光轴方向的偏离距离，它对光谱仪仅关注的一维分辨率即光谱维的分辨率影响较小。
有时像散所造成的谱线展宽超出了探测器的宽度，为了获得谱线强度沿高度分布均匀的线段则有意识地放大像散[6]。
但随着光谱仪小型化、高速化的发展，像散成为了影响光谱仪性能的主要因素之一。
象散的存在降低了光谱仪的能量收集效率，增加了积分时间。
长波红外制冷型光学系统超宽温消热差设计
红 外 技 术
Ｉ ｒ ｒ ｄＴｅ ｈｎ ｏｇ ｎｆａ ｅ ｃ ｏｌ ｙ
、０ ＿３ Ｎ Ｏ．０ ，ｌ３ １ Ｏ ｃ． ２０ｌ ｔ １
＜ 系统 与 设 计 ＞
长 波 红 外 制 冷 型 光 学 系 统 超 宽温 消 热 差 设 计
ｍｅ ｈａ ｓ ． ｔ ｔ ｅ ｍ ａ ａ ｂｉ ｔ ｓｉ ｒ ｖ ｄ． ｃ ｎｉｍ Ｓｏ ｉｓａ ｈ ｒ ｌｃ ｐａ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｉ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ｉ ｒ ｒ ｄ， ｃ ｄ—ｈｉｌ ｍａ ｃ ｄｓ ｎｆａ ｅ ｏｌ ｓ ｅｄ． ｔｈ， ｏ ｉ ａ ｓ ｉ ｅ ｍｏ ｅ， ａｈ ｒ ａ ｅ ｉ ｎ ｐｔｃ ｌ ｐａ ｓｖ ｄ ｔ ｅ ｍ ｌｄ ｓｇ
ｔ ｅ ＦＯＶ ｓ ９２。 ｈ ｉ ． ．Ｔｈｉ ｙ ｔ ｍ ｓａ １ ０％ ｃ ｄ ｓ ｅｄ— ａ ｃ ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｌ ｈｏ ｓｔ ａ ｈ ｍ ａ ｅ ｑ ｌ ｙ ｏ ｓｓ ｓｅ ｈａ ０ ｏｌ —ｈｉ ｌ ｍ ｔ ｈ ｅ ｕ ｔｓ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｉ ｇ ｕａ ｉ ｆｔ ｔ ｈｅ
引言
随着 红 外成像 系 统在 各个 领域 的应 用 不断 深入 ， 对 红 外成 像 系 统 的成 像 质 量 以及 环 境 适 应 性 提 出 了
越来 越 高的要 求 。特 殊应 用大 。如果 不采 取有 效 的无
于 洋 ，金 亚 平 ，潘 兆鑫 ，蹇 毅 ， 汤 心 溢
（ 中科 院上 海 技 术 物 理研 究 所 ， 上 海 ２ ０ ８ ） ０ ０ ３
摘要 ：采用 光 学被 动 式无 热化设 计 方法 ，给 出 了针 对长 波 红外 制冷 型光 学 系统 的一个 设 计实例 。该 系
双波段透射式红外无热化光学系统设计
河南科技Henan Science and Technology 电气与信息工程总第812期第18期2023年9月双波段透射式红外无热化光学系统设计黄辰旭（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000）摘要：【目的】随着光电探测技术的发展，双波段探测技术在识别伪装、消除干扰等方面的优势越来越明显。
双波段共光路无热化红外光学系统设计成为机载光电领域发展的关键。
【方法】该系统采用锗、硫化锌、IG4和硒化锌这4种材料，并搭配合适的正负光焦度，利用不同材料与铝的热膨胀系数存在的差异来实现消热差。
【结果】该系统的焦距为320mm、F数为2、工作波段为3~5µm和8~12µm，在-55～70℃的宽温范围内，该系统的MTF大于0.4（21lp/mm）。
【结论】该系统为实现双波段红外光学系统的小型化、轻量化提供了参考，并在机载光电探测设备中得到广泛应用。
关键词：红外光学系统；消热差设计；双波段；共光路中图分类号：TG333文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）18-0009-05 DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.18.002Design of Dual-Band Transmission Infrared Non-Thermal OpticalSystemHUANG Chenxu（Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang471000,China）Abstract:[Purposes]With the development of photoelectric detection technology,the advantages of dual-band detection technology in identifying camouflage and eliminating interference are becoming more and more obvious.The design of dual-band common-path athermal infrared optical system has be⁃come the key to the development of airborne optoelectronics.[Methods]The system uses four materials of germanium,zinc sulfide,IG4and zinc selenide,and matches the appropriate positive and negative light intensity,and uses the difference in the thermal expansion coefficient of different materials and alu⁃minum to achieve athermalization.[Findings]The focal length of the system is320mm,and its F num⁃ber is2,and the working bands are3~5µm and8~12µm.The MTF of the system is greater than 0.4(21lp/mm)in a wide temperature range of-55~70℃.[Conclusions]The system provides a refer⁃ence for the miniaturization and lightweight of dual-band infrared optical system,and is widely used in airborne photoelectric detection equipment.Keywords:infrared optical system;athermalization design;dual-ban;common aperture0引言目前，常采取长波波段对空迎头进行探测，而飞机发动机等高温目标的主要辐射波长为3～5µm，且在湿度较大的环境中，长波透过率低，无法满足高湿热环境中的使用要求。
基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计
〈系统与设计〉基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计李升辉1，李欣2，李虹静1（1. 华中科技大学工程实训中心，湖北武汉 430074；2. 昆明物理研究所，云南昆明 650233）摘要：设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。
此光学系统的工作波段为3～5μm及8～12μm，焦距为45mm，F/#为2，双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。
谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题，解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。
该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差，使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像，使用较少光学元件，校正了双波段红外光学系统的像差和热差。
基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。
随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展，双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。
关键词：红外双波段；消热差；谐衍射；共口径中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2020)01-0019-06Design of Infrared Dual-Band Common Aperture Thermal EliminationOptical System Based on Harmonic DiffractionLI Shenghui1，LI Xin2，LI Hongjing1(1. Engineering Training Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)Abstract：We proposed an infrared dual-band common aperture optical system, without thermalization, based on harmonic diffraction in this study. The optical system has two working bands of 3-5μm and 8-12μm, a focal length of 45mm, a value of F/# of 2, and a resolution ratio of the frigorific double-color detector of 320×256 with a 30μm pixel size. The harmonic diffractive optical element improves the large dispersion problem of the diffractive optical element over a wide wavelength band and solves the severe dispersion problem of the diffractive optical element over a wide wavelength band and low diffraction efficiency. The optical system uses harmonic diffractive optical elements to widen the chromatic aberration of the band and temperature range, so that the mid and long-wave infrared diffracted at different diffraction orders, to achieve resonant confocal imaging, and the dual-band infrared optical system are corrected using fewer optical components. This optical system also reflects the incomparable advantages of traditional optical systems with respect to improving image quality, reducing volumetric weight, and wide-band a thermalization. With the further investigation of the research and development (R&D) and manufacturing technology of dual-band detector harmonic diffractive lenses, this dual-band optical system could be widely used in military systems such as target tracking, identification, and precision strikes.Key words：infrared double band, athermalization, harmonic diffraction, common aperture19200 引言红外光学系统大部分是中波或长波单波段系统，在获取信息方面有很大局限性，获取信息少，并且由于目标移动或其他变化使辐射波段改变等原因，从而使探测器探测不到目标，甚至探测到虚假目标。
光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计
光学被动消热差的长波红外双视场光学系统
设计
光学被动消热差的长波红外双视场光学系统是一种用于热成像应
用的专门设计的光学系统。
该系统通过精确设计和优化，可以有效地
减少和消除温度变化引起的影响，从而提高成像质量和准确度。
其主要设计思路是利用两个对称的接收视场，各自对应一个视图，通过同时捕捉两个不同的图像来消除热成像过程中的温度影响。
其中，一个视场通常用于观察热源，另一个视场则用于观察周围环境，这样
就可以同时获得热源和环境的信息。
该系统利用红外光学原理进行设计，在光学系统中采用双视场设计，可以通过对两个视场的不同观察视角进行综合分析和处理，有效
地减少热成像时的温度波动引起的误差，提高成像质量和准确性。
在实际应用中，该系统可以广泛应用于工业控制、安防监控、医
学诊断等领域，对于提高成像结果的准确性和可靠性都具有非常重要
的作用。
宽谱段红外消热差光学系统设计
宽谱段红外消热差光学系统设计付跃刚;黄蕴涵;刘智颖【摘要】The infrared multi-band optical system can track the band information stretching from mid-wave infrared to long-waveinfrared ,which can greatly improve the information ac-quisition capability .A infrared multi-band optical system composed of 4 spherical lenses was designed based on the compact principle .It could image clearly at 4 .4μm~8 .8μm continuous-ly ,the F# was 2 .68 which strictly matched with the cold light bar so that the cold light bar effect reached 100% .T he system used the passive athermalization method to get rid of tem-perature compensation problem and finally realized athermalization for continuous bands through selection of lens materials and formula derivation .The tube was made of titanium al-loy ,the lens was made of ZnSe ,Germanium and ZnS materials .The modulation transfer funtion (MTF) at 40 ℃ to 60 ℃ was given ,as well as the distortion over every wavebands .The result show s that the design of the system structure is relatively simple ,w hich satisfies the require-ments of a standard infrared thermal imager .%宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。
光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计
光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计在军事与航空航天领域，光学被动消热差长波红外双视场光学系统是一项重要的技术，可以帮助目标探测、跟踪与识别。
设计这样的系统需要考虑许多因素，包括光学系统的结构、材料选择、光学元件的组合与定位、图像处理算法等。
下面是一些相关参考内容，用于光学被动消热差长波红外双视场光学系统设计。
1. 系统结构与光学布局：- Lehmann, N. et al. "Dual-Band Optics for Longwave and Midwave Infrared and Their Applications", Proceedings of SPIE, 2019.- Brown, P. et al. "Optical Design Considerations for Wide Field of View Multifunctional Imaging Systems", Optical Engineering, 2017.这些文献提供了有关光学系统的结构设计和光学布局的基本原理和实例。
2. 材料选择与涂层技术：- Deutsch, E.A. et al. "Optical Thin Film Coating Technology", Proceedings of SPIE, 2018.- Shepard, M. "Materials for Infrared Optics: Comprehensive Guide to Materials", CRC Press, 2017.这些文献提供了关于红外光学材料及其涂层技术的详细介绍和选择指南。
3. 光学元件的组合与定位：- Kingslake, R. "Optical System Design", CRC Press, 2015.- Smith, W.J. "Modern Optical Engineering", McGraw-Hill Education, 2007.这些参考文献为光学系统设计者提供了在光学元件（如透镜、反射镜等）的组合与定位方面的指导原则和技术。
消热差光学系统设计
*国家科委863高科技项目。
收稿日期:1999-02-10;收到修改稿日期:1999-05-25第20卷 第10期2000年10月光 学 学 报ACT A OPT ICA SINICA Vol.20,No.10Oct ober ,2000消热差光学系统设计*胡玉禧 周绍祥(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,合肥230026)相里斌 杨建峰(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘 要 引入光学材料的规化热差系数T 和规化色差系数C ,得到对无热差光学系统设计的材料选择具有指导作用的T -C 图。
提出基于热差互补原理的无热差光学系统设计方法,建立了一组既消热差又消色差的方程组。
给出了应用这种设计方法设计的密接三片和三分离两种结构型式的无热差系统在不同温度时的像面位移、垂轴像差和各色传递函数曲线。
关键词 光学系统无热化, 空间光学, 红外光学系统。
1 引 言对空间光学系统来说,仪器要经受非常大的环境温度变化,如搭载在低轨道飞行器上的光学仪器要承受-20℃到+60℃温度变化范围。
空间光学系统(特别是红外光学系统)的焦面会随温度产生轴向位移,成像质量恶化。
因此,空间光学系统的设计应考虑温度变化对光学质量带来的影响,使光学系统能承受大范围温度变化,保持光学性能的稳定。
一个理想的无热化光学系统应在工作环境温度变化范围内具有稳定的像面位置和稳定的像质。
无热化光学系统作为一个整体,应从光学和机械结构两个方面考虑。
最初,消除温度对光学系统的影响的方法是被动的机械补偿技术,利用选择对温度敏感的机械材料或记忆合金,使透镜产生轴向位移来补偿温度变化引起的像面位移。
随后,又出现了主动机电无热补偿技术,利用热传感器自动探测温度变化,由处理器实时计算出温度变化引起的像面位移,并借助电机驱动透镜产生轴向位移。
被动机械式和主动机电式无热技术已在某些红外光学系统中有所应用[1,2]。
但是,机械式补偿技术使系统体积变大,重量增加。
一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统[发明专利]
![一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/605bea036294dd88d1d26b75.png)
专利名称：一种用于红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统
专利类型：发明专利
发明人：李建华,薛莲,张力,刘佳琪,刘洪艳,李志峰,杜润乐,薛峰,赵茜,牛振红
申请号：CN201610921043.2
申请日：20161021
公开号：CN106405806A
公开日：
20170215
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于红外投影光学技术领域，具体地涉及一种用于中长波红外目标模拟器的超宽谱段消热差投影光学系统。
该光学系统采用了卡塞格林反射结构和兼容中长波的透射材料，可保证中长波同时共口径工作，避免了双波段系统的复杂以及存在的像素匹配问题。
采用反射结构还使得系统尺寸紧凑。
使用ZnS与Ge起到消色差和消热差的作用，保证系统的超宽光谱覆盖范围，较宽的温度适应范围。
申请人：北京航天长征飞行器研究所,中国运载火箭技术研究院
地址：100076 北京市丰台区北京9200信箱76分箱12号
国籍：CN
代理机构：核工业专利中心
代理人：张雅丁
更多信息请下载全文后查看。
红外双波段共光路消热差光学系统设计
·8·第8期为了验证切削力经验公式拟合的准确性，将切削力正交试验数据的实际切削力与经过切削力经验公式拟合计算出的切削力进行对比分析，结果如图3所示。
由图3可知，X 轴和Z 轴方向上（即主切削力和进给力）的误差很小，基本在1.2%以内，Y 轴方向上的误差稍大一点，大约在1.6%。
总切削力的拟合数值基本与实际值切合，虽出现上下波动现象，但平均误差基本在1.5%以内，所以拟合的切削力经验公式具有较高的准确性。
5结语本研究基于LABVIEW 与经验公式来搭建切削力监测及预测系统，使操作者能直观地查看切削力大小和参数，以及机床加工过程中各项数据的实时走势和数据大小，便于操作者及时更改设备参数，提高加工质量。
目前，该系统只针对车削加工，还可推广到钻削、磨削等领域。
参考文献：［1］罗家元，赵昌杰.金属切削过程中微观应力及宏观切削力演变规律研究［J ］.工具技术，2022（11）：70-75.［2］常建涛，刘尧，孔宪光，等.融合工件几何特征的变工况切削力预测方法［J ］.西安电子科技大学学报，2022（5）：154-165.［3］周超，姜增辉，张莹，等.切削参数对34CrNi3Mo 高强度钢插铣加工切削力的影响［J ］.工具技术，2022（8）：111-114.［4］尹航，姜增辉，张闻捷.刀具角度对316H 不锈钢切削温度影响的仿真研究［J ］.工具技术，2022（11）：119-122.［5］周超，姜增辉，张莹，等.切削参数对34CrNi3Mo 高强度钢插铣加工切削力的影响［J ］.工具技术，2022（8）：111-114.［6］吴艳英，邹中妃，吴锦行.微槽车刀切削304不锈钢切削力及切削能分析［J ］.组合机床与自动化加工技术，2022（11）：131-134.杨雪.基于LABVIEW 与经验公式的切削力监测及预测系统的设计与实现（a ）主切削力正交试验数据及拟合数据对比（b ）背向力正交试验数据及拟合数据对比试验次数/次试验次数/次试验次数/次试验次数/次（c ）进给力正交试验数据及拟合数据对比（d ）总切削力正交试验数据及拟合数据对比图3切削力正交试验数据及拟合数据对比F /NF x /N F y /NF z /N 02468103002502001501005002468103002502001501005024681050040030020010000246810600500400300200100Fx 实际值Fy 拟合值Fz 实际值Fz 拟合值F 实际值F 拟合值Fy 实际值Fy 拟合值河南科技Henan Science and Technology电气与信息工程总第802期第8期2023年4月收稿日期：2022-12-01作者简介：王少白（1985—），男，博士，高级工程师，研究方向：红外探测技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第３５卷第３期２０１４年５月应 用 光 学Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．３Ｍａｙ ２０１４文章编号：１００２－２０８２（２０１４）０３－０５１０－０５收稿日期：２０１３－１０－１２； 修回日期：２０１３－１１－２８基金项目：国家自然科学基金（６１１０８０４４），吉林省自然科学基金（２０１２１５１３１）作者简介：付跃刚（１９７２－），男，吉林人，教授，博士生导师，主要从事光学设计及检测技术方面的研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：Ｆｕｙｇ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ宽谱段红外消热差光学系统设计付跃刚，黄蕴涵，刘智颖（长春理工大学测控分析中心，吉林长春１３００２２）摘 要：宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。
从红外光学系统的简洁性出发，对红外光学系统进行设计，系统仅由４片球面透镜组成，实现了４．４μｍ～８．８μｍ波段清晰成像，Ｆ＃为２．６８，达到了１００％的冷光阑效应。
采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差，镜筒材料为钛合金，透镜采用硒化锌（ＺｎＳｅ），锗（Ｇｅ）及硫化锌（ＺｎＳ）材料，给出２０ｌｐ／ｍｍ处系统在各个波段在－４０℃～６０℃的工作温度下的调制传递函数（ＭＴＦ），以及各个波段下的光学系统畸变值。
实验结果表明：设计的宽谱段红外光学系统结构简单，满足设计要求。
关键词：宽谱段；红外；消热差；光学设计中图分类号：ＴＮ２０２；ＴＨ７０３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１４３５．０３０６００１Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｔｈｅｒｍａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍＦＵ Ｙｕｅ－ｇａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｙｕｎ－ｈａｎ，ＬＩＵ Ｚｈｉ－ｙｉｎｇ（Ｔｅｓｔ，Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｂａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｆｒｏｍ ｍｉｄ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｏ ｌｏｎｇ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃ－ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ａ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ４ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｅｎｓｅｓ ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｍａｇｅ ｃｌｅａｒｌｙ ａｔ ４．４μｍ～８．８μｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－ｌｙ，ｔｈｅ Ｆ＃ｗａｓ ２．６８ｗｈｉｃｈ ｓｔｒｉｃｔｌｙ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｌｉｇｈｔ ｂａｒ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｌｄ ｌｉｇｈｔ ｂａｒｅｆｆｅｃｔ ｒｅａｃｈｅｄ １００％．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｇｅｔ ｒｉｄ ｏｆ ｔｅｍ－ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂａｎｄｓｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｎｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａ ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌ－ｌｏｙ，ｔｈｅ ｌｅｎｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ＺｎＳｅ，Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ａｎｄ ＺｎＳ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｔｉｏｎ（ＭＴＦ）ａｔ ４０℃ｔｏ ６０℃ｗａｓ ｇｉｖｅｎ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｅｖｅｒｙ ｗａｖｅｂａｎｄｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｉｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ－ｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅ ｂａｎｄ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ引言红外光学系统在现代目标识别与探索领域具有不可替代的作用。
跨越连续红外波段探测器的出现，扩大了对不同类型目标的探测能力，这样可以在不同探测环境下使用同一光学系统对不同目标进行探测、识别。
本文设计的宽谱段红外消热差光学系统在红外成像领域具有很大应用前景。
设计的中长波红外消热差光学系统采用法国应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，等：宽谱段红外消热差光学系统设计Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司研制的面阵规格为３８４×２８８，像元间距为２μｍ的双色量子阱探测器作为接收器，工作波段为４．４μｍ～８．８μｍ，视场为３°×２．２５°，Ｆ＃与制冷探测器冷阑匹配为２．６８，焦距为１８３ｍｍ。
为了实现可加工性，所有面型皆为球面，通过对透镜形式的合理选择，透镜之间的合理搭配，最终设计的光学系统成像质量良好，环境适应性强。
１ 设计思路一般来说，红外光学系统的波段跨度为μｍ级别，因此，在跨波段范围内玻璃的折射率将会发生相对较大的改变，通常由于折射率的改变会带来像面的改变，而像面要保证成像质量好，必须随之变换。
同时，在温度变化下，由于热膨胀的影响，材料的形状将会发生改变，进而光线的偏折发生影响，像面像质都会受到影响。
因此如何在温度变化以及波段变化的条件下均保证像面稳定且像质良好，是本设计的一个难点。
同时，由于采用了制冷探测器，光学系统光阑置于后方，这样会带来彗差等轴外像差的问题［１－２］，这对像差校正也带来一定的难度。
冷光阑示意图如图１所示。
红外光学系统采用制冷光阑作为探测器接受目标时，制冷探测器的冷阑将作为整个光学系统的孔径光阑，起到限制光束的作用［３］。
图１ 制冷探测器示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｏｌｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ采用制冷探测器的光学系统必须考虑冷光阑的匹配问题，如图２所示。
从图２可以看出，当光线像方Ｆ数小于冷光阑所对应的Ｆ数时，将会有杂散光进入到探测器的像面上，对成像像质造成负面影响。
所以，在使用制冷探测器时，光学系统的像方Ｆ数应严格与冷光阑所对应的Ｆ数相等［４］。
光学被动消热差是指在满足系统成像质量要求的同时，利用热膨胀系数之间的差异，合理地分配光焦度，并使光学系统像面产生的离焦，由镜筒材料产生的离焦相互补偿［５－８］，即：Φ１＋Φ２＋Φ３＋Φ４＝Φ（１）χ１Φ１＋χ２Φ２＋χ３Φ３＋χ４Φ４＝αＬＬ（２）Φ１ｖ１ Ｘ＋Φ２ｖ２ Ｘ＋Φ３ｖ３ Ｘ＋Φ４ｖ４ Ｘ＝０（３）Φ１ｖ１Ｙ＋Φ２ｖ２Ｙ＋Φ３ｖ３Ｙ＋Φ４ｖ４Ｙ＝０（４）Φ１ｖ１Ｚ＋Φ２ｖ２Ｚ＋Φ３ｖ３Ｚ＋Φ４ｖ４Ｚ＝０（５）图２ 冷光阑匹配Ｆｉｇ．２ Ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ （１）式中Φｉ（ｉ＝１～４）表示第ｉ块透镜所具备的光焦度大小，保证整体光焦度。
公式（２）中χｉ为各种玻璃材料的热膨胀系数，为保证温度变化下系统不产生离焦，玻璃透镜的热膨胀系数在红外连续波段内变化很小［９］，但色差系数变化很大［１０］。
所以，色差应该在各个波段内单独校正。
为保证光学系统在各个波段下消除色差，像质保持稳定，以下公式中ｖｉＸ，ｖｉＹ，ｖｉＺ（ｉ＝１～４）分别代表第ｉ块玻璃在４．４μｍ～５．４μｍ、５．４μｍ～６．４μｍ、６．４μｍ～８．８μｍ各个波段中的色差系数。
其表达式如下：ｖｉＸ＝ｎｉ（４．９）－１ｎｉ（４．４）－ｎｉ（５．４）（６）ｖｉＹ＝ｎｉ（５．９）－１ｎｉ（５．４）－ｎｉ（６．４）（７）ｖｉＺ＝ｎｉ（７．６）－１ｎｉ（６．４）－ｎｉ（８．８）（８）（６）式～（８）式中，ｎｉ（ｎｕｍｂｅｒ）（ｉ＝１～４）为第ｉ块·１１５·应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，等：宽谱段红外消热差光学系统设计玻璃在波段为ｎｕｍｂｅｒ处所具备的折射率。
根据（１）式～（７）式可以合理地选择玻璃材料，得到对应于每块透镜的初始光焦度，以及合理的光学设计初始结构［１１］。
１．１ 设计指标系统指标见表１所示。
表１ 设计指标Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ参数数值光谱范围／μｍ ４．４～８．８像面大小／ｍｍ ９．５ＦＯＶ／（°）３×２．２５有效焦距／ｍｍ １８３Ｆ＃２．６８光谱范围／μｍ ４．４～８．８工作温度／℃－４０～＋６０２ 设计结果及分析根据技术指标要求，以及计算所得的初始结构，结合ＺＥＭＡＸ光学软件对光学系统进行设计［１２－１４］，并分析不同温度下的像质。
宽谱段消热差红外透镜的最终设计结果如图３所示。
整个系统仅由４片透镜组成，镜筒材料为钛合金，透镜主要由硒化锌（ＺｎＳｅ），锗（Ｇｅ）及硫化锌（ＺｎＳ）材料组成，系统采用全球面，避免了非球图３ 光学系统设计结果Ｆｉｇ．３ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ面的使用，最大元件口径１３４ｍｍ，总长１９７．１２８ｍｍ。
工作时Ｆ数保持不变，时刻保证冷光阑匹配。
经过优化设计，系统在各个波段在－４０℃～＋６０℃温度下像面稳定，成像质量优良。
图４、图５、图６分别为各个波段下不同温度的光学调制函数曲线。
图４～图６中传递函数曲线为２０℃、－４０℃、－１０℃、６０℃的情况。
中波红外波段系统在２０ｌｐ／ｍｍ处轴上各温度下的传递函数为０．５５、０．５２、０．５６、０．５５，边缘处分别为０．４６、０．４４、０．４８、０．４７。
长波红外波段系统在２０ｌｐ／ｍｍ处轴上各温度下的传递函数为０．４１、０．３９、０．４２、０．４０，边缘处分别为０．３５、０．３４、０．３６、０．３７。
以上数值均满足环境适应性及像质要求。
表２为各个波段下的光学系统畸变情况，由表２可知，光学系统在各个波段的畸变差异极小，对系统成像质量影响不大。
图４ ＭＴＦｓ ｏｆ ４．４μｍ～５．４μｍＦｉｇ．４ ＭＴＦｓ ｏｆ ４．４μｍ～５．４μｍ·２１５·应用光学 ２０１４，３５（３） 付跃刚，等：宽谱段红外消热差光学系统设计图５ ＭＴＦｓ ｏｆ ５．４μｍ～６．４μｍＦｉｇ．５ ＭＴＦｓ ｏｆ ５．４μｍ～６．４μｍ图６ ＭＴＦｓ ｏｆ ６．４μｍ～８．８μｍＦｉｇ．６ ＭＴＦｓ ｏｆ ６．４μｍ～８．８μｍ表２ 畸变数值列表Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ波段／μｍ畸变数值／％４．４～５．４ ０．３３６５．４～６．４ ０．４２８６．４～８．８ ０．２１３３ 结论通过理论分析与推导，结合被动消热差理论，通过合理地选择透镜结构及透镜相对位置，最终设计出了一款针对Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司研制的双色量子阱红外焦平面探测器的红外宽谱段被动消热差光学系统。