红外与激光工程
2024, 53(1): 20230358
1 昆明物理研究所,云南昆明 650223
2 空装成都局驻昆明地区军代表室,云南昆明 650223
红外热成像折转光学系统在复杂环境条件下,光轴容易因为光学元件的偏心或倾斜而发生漂移,影响系统对目标的指示精度。在红外热成像系统设计之初对光学系统开展光轴静态敏感度分析,能够识别出光学系统的敏感点,为满足光轴稳定性的结构优化设计提供约束条件。通过基于旋转矩阵的坐标变换,建立了光学元件旋转过程量和倾斜状态量的转换关系,从而实现了光学元件在任意方向倾斜的空间姿态模拟,确保了光轴敏感度公差分析中的蒙特卡罗采样与结构设计的约束条件相对应,并在此基础上搭建了对红外折转光学系统光轴静态敏感度分析的流程,编制了程序。用所编程序对某典型红外热成像折转光学系统进行实例分析,根据光轴稳定性的指标要求,依次对光学系统中各光学件的偏心量和倾斜量进行了光轴的灵敏度和反灵敏度分析,得出了初始公差限,再针对初始公差限数据进行了任意方向采样的蒙特卡罗分析,最终得出了各光学元件能够满足光轴稳定性指标的偏心和倾斜公差限数据,通过建立多重坐标系的方法验证了所得数据的准确性,为指导光机热优化设计奠定了基础。
红外折转光学系统 光轴漂移 静态敏感度 公差分析 蒙特卡罗采样 infrared folding optical system, optical axis shif
光机热仿真分析是预测光学系统光学性能及结构优化的有效手段,本文提出了一种基于有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics,耦合固体传热学、固体力学以及几何光学的多物理场耦合建模方法,实现了离轴四反光学系统的光机热一体化仿真,避免了传统的光机热仿真分析在不同软件间信息传递和转换的过程,提高了仿真的集成性。本文针对离轴四反光学系统构建其多物理场耦合仿真分析模型,分析了光学系统在不同温度条件下的结构变形和光学镜面变形,并通过光线追迹和点列图判断光学性能变化,为后续开展光学系统的优化提供了一种有效手段。
离轴四反光学系统 多物理场 光机热仿真 光学性能 off-axis four-mirror optical system, multi-physics COMSOL
红外与激光工程
2023, 52(1): 20220330
评估短波红外相机的综合性能对相机迭代和实际使用效果极为关键,本文提出了一种基于最小可分辨对比度(minimum resolvable contrast,MRC)测试的短波性能评估方法,由积分球辐射多个固定对比度的靶标,并对辐射源强度、目标混叠、观察模式等进行合理控制从而将噪声、目标背景对比度、观察者易变性等影响因子涵盖在评估模型中,综合评估短波相机性能。采用本方法对某型号短波相机进行了 MRC测试和外场测试,取得了较为相符的测试结果,其测试不确定度仅为 2.11%,可很好地对短波相机进行性能评估和预估。
短波红外 对比度测试 靶标 short-wave IR, minimum resolvable contrast, contra MRC
昆明物理研究所夜视技术研究院, 云南 昆明 650223
非制冷红外探测器产生的杂散光会在焦平面形成非均匀的图像,而在探测器窗口附近使用光阑,并对其开孔形状进行优化设计,是抑制杂散光的关键。利用区域法建立了杂散光在焦平面上的照度分布计算模型,并建立了变量模型和目标函数模型,以区间穷举法作为极值搜寻方法,完成了优化光阑开孔的程序编制。针对某款存在杂散光问题的非制冷红外探测器,利用所提数学方法优化设计了光阑的开孔形状,极大地削弱了由杂散光引起的“锅盖效应”,从而验证了光阑开孔形状优化设计方法的正确性与实用性。
成像系统 红外成像 杂散光 光阑 优化设计 非制冷红外探测器
基于中波制冷型640 pixel×512 pixel(15 ?滋m)凝视焦平面探测器, 设计了远距离探测/识别的高清晰大变倍比连续变焦热像仪。该热像仪变倍比为35, 长焦处瞬时视场(IFOV)为 0.027 mrad/pixel, 在标准大气环境中观察视场角为35°×28°, 能够对4 m×3 m×2.3 m尺寸的车辆进行55 km处探测、15 km处识别(识别概率为50%), 满足现代光电**系统的远距离作战需要。热像仪采用平滑的变倍-补偿曲线光学系统设计、单导轨/双滑块变焦结构技术、自适应伺服控制技术以及红外图像增强技术, 获得了在整个大变倍比的连续变焦过程中图像始终清晰并且无间断点。在奈奎斯特频率处(18 cyc/mrad)进行最小可分辨温差(MRTD)测试, 测试结果表明该热像仪性能优良, 证明该热像仪的各项关键技术实现了从理论设计到整机系统的工程化研究。
连续变焦 识别/探测 自适应伺服控制 红外图像增强 continuous zoom detection/identification adaptive servo control infrared image enhancement MRTD MRTD 红外与激光工程
2018, 47(4): 0404004
一次成像的简化式红外光学系统冷屏与出瞳不能匹配,致使系统受到杂散光干扰。在此情况下,对冷屏的开孔形状进行合理优化设计对杂散光的抑制十分必要。利用数学中的最优化计算来解决冷屏形状的优化问题,建立了优化变量和优化目标函数的数学模型,提出了全局优化和局部优化相结合的方法,分别用区间穷举法和阻尼最小二乘法完成,以得到较优的冷屏开孔形状。利用本方法,对一个现有的简化式热像光学系统设计了冷屏开孔形状,解决了该系统中由冷屏与出瞳不匹配造成的杂散光干扰的问题,从而验证了提出的冷屏优化设计方法的正确性与实用性。
光学设计 红外光学 杂散光 优化设计 冷屏 目标函数
1 昆明物理研究所,云南 昆明650223
2 总装备部防化驻昆明地区军事代表室, 云南 昆明650221
针对制冷式640×512元凝视焦平面阵列探测器,设计了结构紧凑的高性能机械补偿30倍连续变焦光学系统.该系统采用新颖的三组元变倍形式和三次成像方法设计.工作波段为3.7 ~ 4.8 μm,F/# =4,变焦范围750 ~25 mm.首先利用光学设计软件给出了系统的光学外形结构图; 然后,进行了像质评价分析,变焦曲线分析,温度环境适应性分析和冷反射分析; 最后,介绍了该系统应用微扫描成像技术提高分辨率的方法.结果表明,该光学系统在空间频率30 lp/mm处的光学传递函数 ( MTF) 值均接近衍射极限, 弥散斑直径的均方根 ( RMS) 值均小于15 μm.变焦曲线平滑,且移动组最大行程小于71 mm.移动组透镜的轴向移动可完成系统调焦及温度补偿.光学系统满足100 %冷光阑效率,在-40 ~60 ℃温度范围内均有良好的像质.同时,满足新一代机载前视红外( FLIR)系统的要求.
红外连续变焦 三组元变焦 三次成像 infrared continuous zoom three-group zoom thrice imaging
在红外系统中,冷屏的开孔形状直接影响着它对杂散光的抑制效能。利用光度无效性来评价冷屏形状抑制红外系统杂光的能力,提出了利用叠加积分精确计算任意形状冷屏的光度无效性的新思路和算法,建立了数学模型,通过对一个典型288×4热像系统的实例计算,与光线统计法的运算结果进行比较,结果相一致,且与光线统计法精度相同的情况下,具有运算速度快的优势。
光计算 红外光学 光度无效性 叠加积分法 冷屏 立体角