针对传统变焦光学系统在环境温度变化的情况下,变焦全程无法一致清晰成像以及需频繁调焦的问题,提出了一种光学被动半无热化变焦系统设计方法,并设计了一种光学被动半无热化变焦系统。变焦系统的焦距为30~1000 mm,工作波段为486~656 nm,光圈为F_4.4~F₈,短焦采用光学被动无热化设计。变焦系统的成像质量良好,结构非常紧凑,在工作温度范围为-40~+60 ℃的情况下,只需长焦位置调焦一次,即可保证从长焦到短焦的变焦全程一致清晰成像,中间过程无需再调焦,且温度调焦量仅为-0.56~+0.82 mm,这验证了设计方法的正确性。采用本方法设计的变焦系统既克服了传统变焦系统在不同温度下需频繁调焦的问题,也极大减小了系统的温度调焦量,有利于快速调焦。

为了提升产品的可靠性,设计了一款工作在8～14 m波段的光学被动式无热化红外镜头。该镜头无需调焦即可在宽温度范围内清晰成像。系统选用可压型加工、适合大批量生产的新型硫系玻璃。本文中的光学镜头选用三片式结构,基于折/衍射原理设计而成,是一款光学被动式无热化镜头。该镜头的焦距为42 mm,F数为0.9,可匹配像元大小为14 m、像元数为640×512的非制冷长波红外探测器。这种镜头在-40 ℃～50 ℃温度范围内以及在全视场范围内均能清晰成像,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)在工作温度和全视场范围内均大于0.38@36 lp/mm,接近衍射极限。

设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度, 将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜, 主反射镜采用金属抛物面, 优化目镜组透镜尺寸, 避免光路内部遮挡, 利用反射式系统一次像面, 配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计; 在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片, 提高系统分光效率和透过率。设计结果表明: 红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF＞0.2, 激光线性区为2°, 满足系统指标要求。

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计, 研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法, 设计了一个焦距30～150mm, 长波红外工作波段在8～12μm, 相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统, 并进行光学被动消热差设计, 使系统在-30℃～60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理, 成像质量满足要求, 通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。

对于工作环境温度在-40～60 ℃之间的长波红外折射光学系统来说，由于红外光学材料受温度变化影响非常大，光学系统必须进行无热化设计。在介绍了无热化系统的种类，分析了温度变化对红外光学系统的影响基础之上，基于非制冷型焦平面探测器，设计了工作在长波红外8～12 μm，F#为2，视场角为6.8°的摄远型物镜系统。采用添加棱镜的方法，使系统在不添加特殊面型的情况下达到无热化的目的，同时使系统结构紧凑，摄远比达到0.69。透镜面型均为标准球面，利于加工、装调、检测。设计结果表明，光学系统的调制传递函数在每个规定温度下均能接近衍射极限,满足了设计要求。

针对324×256非制冷探测器，设计了一个工作波段为8~12 μm，有效焦距为9 mm，F数为1.3，视场角为33.26°×26.28°的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片，结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片，通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点，仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能，且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。

通过对光无源器件的分析和测试, 掌握其的基本理论和性能参数。结合各种器件性能参数的测试方法和计算公式, 为光无源器件在生产工艺和光纤通信传输系统中的广泛应用提供参考。

提出了一种基于LabVIEW的无源器件光谱测试方案.通过LabVIEW编程控制可调谐激光器、可编程光滤波器、光功率计和数据采集平台，获得了具有不同传递函数的光谱特性.实验中激光器的扫描速度为10 nm/s，扫描范围为10 nm，数据采集卡的采样速率为1 MS/s，结果表明：单个器件的光谱测试可以在1 s内完成，光谱分辨率可达1 pm；与利用宽带光源和光谱分析仪的传统光谱测试方法相比，所提方案的测试性能可达到传统方案水平，且能显示更精细的光谱细节.该方案能应用于有高分辨率、快速和高效要求的光谱测试中.

论述了无热化设计的种类和光学被动式无热化设计的基本原理。使用光学被动式无热化设计方案, 设计了一款工作波段为 8～12 μm、焦距 f′＝16.5 mm、F#＝0.8、视场为 36.5°×27.8°的大孔径、大视场辅助驾驶无热化红外镜头。此镜头体积小、重量轻、结构简单, 适用于辅助驾驶系统。此红外镜头在－40℃～60℃的工作温度范围内, 无需调焦, 能自动消除热差影响, 始终保证成像清晰。经过寒区(低温)试验, 满足无热化设计的需要。

对比了典型消热差方法的优劣，探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上，根据系统要求的温度范围-60℃～90℃，在常温初始结构的基础上，利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构，运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡，最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑，实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝，光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间分辨率17 lp/mm处，光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74，接近衍射极限，点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。