基于坦克车载红外双视场光学系统的设计与研究
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摘要
红外热成像技术广泛地应用在军事和民用领域。红外双视场光学系统不仅结构简单、透过率高、成本低廉,而且能够实现视场的转换,因此在红外光学系统中占有重要的地位。
根据设计要求、探测器的参数、以及对红外光学系统的基本特性和变焦理论的研究,确定了红外双视场光学系统的基本参数(焦距、视场、通光孔径等)。
通过对国内外双档变焦系统专利的分析,确定了双视场光学系统的初始结构。利用COVEV光学设计软件进行优化设计,完成了轴向移动式、切入式双档变焦光学系统和双像双视场光学系统的设计。为了满足制冷型探测器100%冷光阑效率,三种光学系统均采用了二次成像结构。轴向移动式和切入式变焦系统分别通过镜片的轴向移动和切入切出完成了视场的转换,双像双视场光学系统利用分光原理将两个视场的图像呈现在一个像面上,两个视场无需切换。本次设计的光学系统都适用于320×256中波制冷型探测器,两个视场的传递函数在161p/m处都大于0.6,接近衍射极限,具有良好的成像质量。
本文还分析了制冷型探测器的冷反射的产生原因及其特征量的意义,阐述了消除冷反射的几种途径,针对设计的两种双档变焦光学系统,提出了消除冷反射的方案。此外,对两种双档变焦光学系统进行了无热化设计,使其在-40℃—60℃的温度范围内仍然具有良好的成像质量。
Infrared thermal imaging technology has been applied widely in the military and civil fields. Infrared dual field-of-view optical system not only has high transmittance simple structure and low cost,but also can complete the field conversion,so it has an important position in the infrared optical systems.
According to the design requirement and parameters of the detector, after studying the basic characteristics of infrared optical system and the zoom theory,we identify the parameters(focus length,fields and apture.etc) of the infrared dual field-of-view optical system.
Through analysising patent of the domestic and foreign dual field-of-view optical systems,we identify the initial structure of the dual field-of-view optical system.Using the CODEV optical design software to optimize,we complete the axisal movement type,cut-in type dual zoom optical systems and dual field-of-view and dual-image optical system design.In order to satisfy the 100% cold stop efficiency of cooling detector,three kinds of optical systems use the secondary imaging structure.The first tow of systems convert the fields by axisal moving and cutting-in-out the lens. Using the splitting prinple dual field-of-view and dual-image optical system make two images in an image plane without converting fields.These designs are applied to 320x256 MWcooling detector,have the good image quality and their MTF at 161p/mm in two focus positions are over 0.6.
This paper also analysises the cause of narcissus and the significance of properties,and elaborates the ways of eliminating the Narcissus for the two dual zoom optical systems.In addition,we make the athermalization design for two dual zoom optical systems,so that they still have good image quality in the temperature range of-40℃—60℃.
根据设计要求、探测器的参数、以及对红外光学系统的基本特性和变焦理论的研究,确定了红外双视场光学系统的基本参数(焦距、视场、通光孔径等)。
通过对国内外双档变焦系统专利的分析,确定了双视场光学系统的初始结构。利用COVEV光学设计软件进行优化设计,完成了轴向移动式、切入式双档变焦光学系统和双像双视场光学系统的设计。为了满足制冷型探测器100%冷光阑效率,三种光学系统均采用了二次成像结构。轴向移动式和切入式变焦系统分别通过镜片的轴向移动和切入切出完成了视场的转换,双像双视场光学系统利用分光原理将两个视场的图像呈现在一个像面上,两个视场无需切换。本次设计的光学系统都适用于320×256中波制冷型探测器,两个视场的传递函数在161p/m处都大于0.6,接近衍射极限,具有良好的成像质量。
本文还分析了制冷型探测器的冷反射的产生原因及其特征量的意义,阐述了消除冷反射的几种途径,针对设计的两种双档变焦光学系统,提出了消除冷反射的方案。此外,对两种双档变焦光学系统进行了无热化设计,使其在-40℃—60℃的温度范围内仍然具有良好的成像质量。
Infrared thermal imaging technology has been applied widely in the military and civil fields. Infrared dual field-of-view optical system not only has high transmittance simple structure and low cost,but also can complete the field conversion,so it has an important position in the infrared optical systems.
According to the design requirement and parameters of the detector, after studying the basic characteristics of infrared optical system and the zoom theory,we identify the parameters(focus length,fields and apture.etc) of the infrared dual field-of-view optical system.
Through analysising patent of the domestic and foreign dual field-of-view optical systems,we identify the initial structure of the dual field-of-view optical system.Using the CODEV optical design software to optimize,we complete the axisal movement type,cut-in type dual zoom optical systems and dual field-of-view and dual-image optical system design.In order to satisfy the 100% cold stop efficiency of cooling detector,three kinds of optical systems use the secondary imaging structure.The first tow of systems convert the fields by axisal moving and cutting-in-out the lens. Using the splitting prinple dual field-of-view and dual-image optical system make two images in an image plane without converting fields.These designs are applied to 320x256 MWcooling detector,have the good image quality and their MTF at 161p/mm in two focus positions are over 0.6.
This paper also analysises the cause of narcissus and the significance of properties,and elaborates the ways of eliminating the Narcissus for the two dual zoom optical systems.In addition,we make the athermalization design for two dual zoom optical systems,so that they still have good image quality in the temperature range of-40℃—60℃.
引文
[1]张建奇,方小平.红外物理.西安电子科技大学出版社.西安,2004.
[2]陈胜哲,陈彪.红外技术在军事上的应用.光学技术.2006.Supp1.32：581-583.
[3]刘朝华,潘兆鑫.用于红外焦平面成像的变焦距光学.红外月刊.2004,(8)：10-16.
[4]蔡毅,潘顺臣.红外技术在未来军事技术中的地位与作用.红外技术.1995：1-7.
[5]张幼文.红外光学工程.上海科学技术出版社.1982.
[6]CHANG J,WEND Z C,WANG Y T,et al. Design of infrared afocal zoom system.SPIE,2006,6034:1-5.
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[8]黄士科.空空导弹多光谱红外成像制导技术研究.红外与激光工程.2006.35(2)：16-20.
[9]Hyum Sook Kim,Chang Woo Kim,Seok Min Hong Compact Mid-wavelength infrared zoom camera with 20:1 zoom range and automatic athermalization.OpticalEngineering.2002,41(7):1661-1667.
[10]蔡毅,汤锦亚.对红外热成像技术发展的几点看法.红外技术.2000.3：2
[11]常本康,蔡毅.红外成像阵列与系统.科学出版社.2006.4.
[12]Muhammad Nadccm Akram.A step-zoom dual field-of-view IR telescope.SPIE.2002, 4832:328-333.
[13]Muhammad Nadeem Akram.Design of a Dual Field-of-View Optical System for Infra-Red Focal-Plane Arrays.SPIE.2002.
[14]Tao xiong, Chang cheng Yang. Long wavelength infrared dual field-of-view optical system.SPIE.2007,6722.
[15]I.V.Kerget, V L.Korneychik, A.A.Kudryashov.Infrared dual-magnification telescope using diffraction optics. SPIE.2000,4340
[16]韩莹,王肇沂,吴环宝等.紧凑型8-12μm波段折/衍混合双位置两档变焦光学系统.光子学报.2007,36(5)：886-889.
[17]白瑜,杨建峰等.长波红外两档5倍变焦光学系统设计.红外技术.2008：439-441.
[18]郜洪云,熊涛.中波红外两档变焦光学系统.光学精密工程.2008.(10)：1891-1892.
[19]杨迪.红外变焦光学系统的研究与设计.哈尔滨工业大学,2005,06.
[20]刘其涛,李金萍.用NETD表达的热像仪作用距离方程.生命科学仪器.2005,3(2)：41-42.
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[35]耿亚光,张明谦.红外成像导引头双视场光学系统小型化技术.红外与激光工程.2007,36(6)：887-890.
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[38]MM067-XX-V3 integrated detector dewar cooler assembly with microcooler type technical specification
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