长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力，减少信标光捕获时间和难度，基于星地激光通信链路和设计方案，结合自适应光学（AO）技术，设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式，包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构，结合折射镜组构成开普勒望远结构，兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统，解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统，构建两者共轭关系，降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计，提高系统温度适应性。最终实验结果表明：在10 ℃~30 ℃范围内，各单元波像差均优于1/10λ（λ=632.8 nm），满足设计要求，具有一定借鉴价值和工程意义。
星地激光通信 库德光路 消热差 双远心光路 自适应光学 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706021
根据连续变焦理论模型, 编制连续变焦计算程序, 求得变焦系统初始解, 建立理想光学模型, 通过选材选型及迭代优化, 实现仅由 4片红外透镜及两片平面反射镜组成的中波红外连续变焦光学系统。该系统 F#为 4、工作波段为 3.7～4.8 .m、视场变化范围为 20°×16°～2.0°×1.6°、光学零件最大口径为 71 mm、零件总重 64 g, 系统包络为 172 mm×108 mm, 系统采用两个二元衍射面用于消色差, 通过材料合理配置及主动补偿实现系统消热差设计。该中波红外连续变焦光学系统重量轻、总长短、包络小, 在－40℃～＋60℃温度范围全视场成像质量良好。
光学设计 中波红外 连续变焦 消热差 optical design, MWIR, continuous zoom, athermaliza
福建师范大学 光电与信息工程学院 医学光电科学与技术教育部重点实验室 福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
为了满足信息化时代对高清鱼眼镜头的应用需求，利用CODE V和Zemax光学软件设计了一款匹配16 mm（1英寸）CCD的大孔径玻塑混合鱼眼镜头。该系统可在光谱为486 nm～656 nm以及850 nm范围内清晰成像，视场角为210°，F数2.0，焦距为4.1 mm，F-Theta畸变小于7%，边缘照度大于68%。常温下，该系统在奈奎斯特频率91 lp/mm处0.707视场MTF大于0.5，全视场MTF大于0.35。?40 ℃～+75 ℃状态下0.707视场MTF大于0.3，全视场MTF大于0.2，满足高低温环境下的使用要求。系统采用7片式玻塑混合的结构形式，具备大视场角、大靶面、大光圈等特征，可广泛应用于高清摄像、安防监控、工业生产等领域。
光学设计 鱼眼镜头 大靶面 消热差 optical design fish eye lens large target surface heat dissipation difference
1 北京空间机电研究所, 北京 100076
2 北京邮电大学，北京100876
在大温差条件下，由于温度剧烈变化导致红外光学系统成像质量变差。用于机载林火监测的大视场中波红外相机工作环境变化剧烈，对杂散辐射要求较高。为保证光学系统在要求的大视场和大温差条件下具有稳定的性能和良好的成像质量，通过基于消热差的设计方法和基于噪声等效温差的杂散辐射综合评价方法，设计了一套制冷型中波红外光学系统。该光学系统由6片透镜和1片滤光片组成，工作波段为3.7~4.8 μm，F数为2.5，焦距为62.5 mm，视场为14.36°×10.87°，探测器采用640×512 阵列中波制冷型探测器，通过采用硅、锗材料组合，合理分配光焦度，实现了消色差和消热差设计，通过冷反射优化和冷光阑匹配设计，较好地抑制了系统的杂散辐射噪声，通过引入少量非球面优化，在满足指标要求的情况下，对高阶像差进行了校正。结果表明，光学系统在−55~+70 °C温度范围内，成像质量稳定良好。
中波红外 制冷型探测器 消热差 冷反射 medium wave infrared cooled detector athermalization cold reflection
1 华中科技大学 人工智能与自动化学院，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学 多谱信息处理技术国家级重点实验室，湖北 武汉 430074
3 华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430223
全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支，在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景，是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势，针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求，对光学系统工作波长的选取进行了分析，利用消色差和消热差设计，实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统，并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9~1.7 μm, F/#为1.4，焦距为70 mm，视场为18°，结构总长为105 mm。试验结果表明，该光学系统具有良好的像质，能够满足大视场星敏感器白天测星要求。
光学设计 星敏感器 消热差 短波红外 optical design star sensor athermal SWIR 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220583
针对非制冷热成像系统成像质量高、相对孔径大、质量轻、温度适应性广的要求，在对轻量化光学系统结构分析的基础上，根据光学被动补偿原理求解系统初始光焦度分配，利用二元衍射面异于红外材料的特性，设计了一种轻量化长波红外消热差光学系统。所设计系统焦距为50 mm，F数为1，适配长波（8~12 μm）红外非制冷探测器，其分辨率为640×512，像元大小为12 μm。光学系统包含3片透镜，总质量仅为67 g，在-40 ℃~60 ℃温度范围内，各视场调制传递函数（MTF）均接近衍射极限。环境温度实验结果表明，所设计系统消热差效果良好。
光学设计 二元衍射面 红外光学系统 消热差 轻量化 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1022001
1 北京空间机电研究所, 北京 100076
2 先进光学遥感技术北京市重点实验室, 北京 100076
3 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
为避免透射式系统存在的色差问题, 采用离轴反射式光学系统, 在三镜后加分色片, 分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上, 实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由 3个离轴反射镜和一个分色片构成, 为校正系统像差, 三镜采用 XY多项式曲面。采用二次成像结构形式, 具有 100%冷光阑效率。系统 F数为 2.67, 视场角 11.4°×1.8°, 工作波段为中波 3.55～3.93.m, 长波 10.3～12.5.m。中波红外系统 MTF平均值大于 0.5@25 lp/mm, 长波红外系统 MTF平均值大于 0.4@12.5 lp/mm, 采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿, 温度适应范围为－40℃～＋60℃。
制冷型光学系统 红外双波段 离轴全反射式系统 被动式消热差 cooled optical system infrared dual-band off-axis total reflection system passive athermalization
红外变焦监视镜头的 F数与焦深相对较小，因此温度变化极易导致离焦现象，导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在－40℃50℃范围内成像清晰的技术要求，采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量，将刚体位移导入至 Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量，分析结果表明焦距值变量在－0.16＋0.4 mm之间，调焦量为 0.1080.188。针对上述情况，采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动，实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核，实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于 30 lp/mm，变焦过程成像质量基本清晰。
火情监察 光机集成分析 红外变焦镜头 主动消热差 burning monitoring, opto-mechanical integration an
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安710032
2 西北工业大学自动化学院信息融合技术教育部重点实验室, 陕西 西安 710072
3 解放军31697部队, 辽宁 大连 116103
消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)的表达式。在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20 ℃)、-40 ℃和+60 ℃下的成像质量。分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40~+60 ℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求。加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计。
几何光学 红外光学系统 波前编码 消热差 调制传递函数 相位版 激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2208001
华中光电技术研究所— 武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
温度变化会导致红外镜头成像质量恶化，为消除温度变化的影响，提出了基于杠杆放大原理的红外消热差机构方案。利用杠杆原理，将不同金属线胀量的差值放大后再推动消热透镜对红外光学系统进行补偿，从而保持光学性能的稳定。介绍了这种消热差机构的设计方案、关键设计及某导引头的红外实例应用。在-45 ~ +60 ℃变化范围内，该实例在消热差之前像面漂移量为0.717，消热差之后像面漂移量为0。这种机构为红外消热差技术增加了一个新的途径。
红外光学系统 温度变化 杠杆原理 消热差 机构设计 infrared optical system temperature change lever principle athermalization mechanism design
