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制冷型长波红外光学系统设计

单秋莎 谢梅林 刘朝晖 陈荣利 段晶 刘凯 姜凯 周亮 闫佩佩

单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 陈荣利, 段晶, 刘凯, 姜凯, 周亮, 闫佩佩. 制冷型长波红外光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0116
引用本文: 单秋莎, 谢梅林, 刘朝晖, 陈荣利, 段晶, 刘凯, 姜凯, 周亮, 闫佩佩. 制冷型长波红外光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0116
SHAN Qiu-sha, XIE Mei-lin, LIU zhao-hui, CHEN Rong-li, DUAN Jing, LIU Kai, JIANG Kai, ZHOU Liang, YAN Pei-pei. Design of cooled long-wavelength infrared imaging optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0116
Citation: SHAN Qiu-sha, XIE Mei-lin, LIU zhao-hui, CHEN Rong-li, DUAN Jing, LIU Kai, JIANG Kai, ZHOU Liang, YAN Pei-pei. Design of cooled long-wavelength infrared imaging optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0116

制冷型长波红外光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2021-0116
基金项目: 国家自然科学基金(No. 61805275),和中国科学院"西部之光"人才培养引进计划(No. XAB2017B27)资助
详细信息
    作者简介:

    单秋莎(1986—),女,中国科学院大学在读博士,2012年于长春理工大学获得硕士学位,主要研究方向为光学系统设计和超分辨成像,Email:shqsh.2007@163.com

    刘朝晖(1965—),男,研究员二级,博士生导师. 1987年于浙江大学获得学士学位. 主要从事靶场光电跟踪技术和空间精密跟踪测量领域的研究工作,先后主持十余项国家重点项目,先后获得国家科技进步奖、军队科技进步二等奖、军队科技进步三等奖各一项. 带领的航天光电跟踪研究团队获得西安光机所"国家重大任务贡献奖"和2013年度重大创新奖

  • 中图分类号: o435.1

Design of cooled long-wavelength infrared imaging optical system

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61805275); CAS “Light of West China” Program (No. XAB2017B27)
  • 摘要:   目的  针对640×512长波红外制冷型探测器,设计了一种制冷型长波红外光学系统,用于对目标的红外跟踪探测。  方法  该光学系统采用二次成像结构型式以满足100%冷光阑效率,采用锗和硫化锌玻璃材料组合,实现了像差校正和消色差设计,通过引入高次非球面很好地校正了系统的高级像差,简化系统结构。光学系统由6个镜片构成,焦距为400 mm,工作波段为7.7 μm~9.3 μm,视场角为1.37°×1.10°,F数为2。系统采用二次成像型式将系统出瞳后置于冷屏处,满足100%冷光阑效率,并引入高次非球面优化平衡系统像差。  结果  设计结果表明:在空间频率33 lp/mm处,轴外视场MTF>0.24,接近衍射极限,具有高的成像品质。  结论  在?35 ℃~+55 ℃工作温度范围内,通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量,可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。
  • 图  1  二次成像系统示意图

    Figure  1.  The diagram of the secondary imaging system

    图  2  长波红外光学系统图

    Figure  2.  The diagram of long-wavelength infrared optical system

    图  3  长波光学系统MTF曲线图

    Figure  3.  The MTF curve diagram of the long-wavelength optical system

    图  4  长波光学系统点列图

    Figure  4.  The spot diagram of the long-wavelength optical system

    图  5  长波光学系统球差、场曲和畸变曲线图

    Figure  5.  The sphere, curve and distortion diagram of long-wavelength optical system

    图  6  高温、低温环境下经调焦后系统的MTF曲线图

    Figure  6.  The MTF curve diagram of the system after focusing in high- and low-temperature environments

    图  8  冷像强度较大的冷反射光线追迹图

    Figure  8.  The cold reflection ray trace of cold images with high intensity

    表  1  光学设计参数

    Table  1.   Optical design parameters

    项目 参数
    波段范围/μm 7.7~9.3
    中心波段/μm 8.5
    焦距focal length/mm 400
    F数 2
    视场角/° 1.37×1.10
    靶面大小/mm 12.29
    温度范围/℃ ?35~+55
    像元大小/μm 15×15
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    表  2  冷反射分析结果

    Table  2.   Analysis results of the narcissus effect

    反射面 光瞳切趾 YNI I/Ibar 冷像立体角 冷像强度比
    1 7(R) 32.3971 ?21.550 0.012372 0.00072
    2 7(R) ?14.1678 ?4.933 0.028289 0.00377
    3 7(R) 8.9698 7.885 0.044679 0.00942
    4 7(R) 2.3184 1.592 0.172476 0.13999
    5 7(R) ?9.9085 ?6.533 0.040447 0.00772
    6 7(R) ?1.0371 ?0.676 0.381728 0.67911
    8 20(R) 1.5979 ?10.228 0.423244 0.83253
    9 20(R) ?1.6151 ?0.509 0.166312 0.13018
    10 20(R) ?3.5843 ?0.801 0.108109 0.05508
    11 20(R) ?2.6479 ?0.762 0.147997 0.10314
    12 20(R) 1.1223 1.353 0.505261 1.17892
    13 20(R) ?2.7761 ?0.861 0.163054 0.12515
    下载: 导出CSV
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  • 网络出版日期:  2021-08-17

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