红外光学系统无热化设计研究

第40卷第1期红外与激光工程2011年1月Vol.40No.1Infrared and Laser Engineering Jan.2011波前编码应用于红外光学系统无热化的研究冯俐铜，孟军合，顿雄，陶玉（天津津航技术物理研究所，天津300192）摘要：波前编码技术是通过在光学系统的光阑位置放置位相板，对波前进行调制，使得光学系统对离焦类像差不敏感，从而增大了焦深，通过对中间模糊图像的数字滤波处理，可以获得清晰图像。

焦深延拓的特点使该技术在红外光学系统无热化方面具有很好的应用前景。

设计了一个有效焦距f′为100mm，F数为1.2，工作波段为7.5～13.5μm，工作距离为2km的非制冷型红外光学系统，在光阑处放置一块三次位相板，通过CODEV模拟光学系统在-40～60℃温度范围内的性能变化，得到的波前编码光学系统的MTF维持不变。

使用MATLAB模拟波前编码系统的中间成像及其滤波结果，结果表明：波前编码技术可使红外光学系统在大温差环境下获得清晰图像。

关键词：波前编码；红外光学系统；无热化；数字滤波中图分类号：TN2文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)01-0083-04Wavefront coding for athermalization of infraredimaging systemFeng Litong,Meng Junhe,Dun Xiong,Tao Yu(Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin300192,China)Abstract:By inserting a phase mask close to the pupil plane of an optical system so as to modulate the wavefront,the optical system is insensible to defocus aberrations and the depth of field is extended consequently which can be applied in athermalization of infrared imaging systems.Moreover,the intermediate image which is ambiguous can be turned into a sharp image by digital filtering.In this paper,an uncooled infrared optical system with effective focal as100mm,F number as1.2,operating wavelength varying from7.5μm to13.5μm and an operating distance from the object as2km was designed.A cubic phase mask was used,and the MTF curve was invariable as an ambient temperature varying from-40℃to60℃in the simulation with CODEV.The imaging process of a wavefront coding system and the output of digital filtering were simulated with MATLAB.The results show that the sharp images can be obtained within a large range of varying temperature.Key words:wavefront coding;infrared optical system;athernalization;digital filtering收稿日期：2010-04-11；修订日期：2010-05-10作者简介：冯俐铜(1987-)，男，硕士生，主要从事光学系统设计方面的研究。

红外折衍混合摄远光学系统无热化设计张婉怡【摘要】为了提高远距离红外目标的探测能力,针对640 pixel×512 pixel红外CCD探测器,分析温度变化对光学系统的影响,设计出一种波长范围为8 μm~12 μm红外摄远物镜.系统采用折衍混合结构形式,焦距为200 mm,相对孔径为1:2.2,视场角为7°,具有体积小,结构紧凑的优点.仅使用硫化锌、硒化锌和锗3种材料以及4片透镜实现了无热化设计.应用Zemax对设计结果进行像质评价,在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内,截止频率为17 lp/mm时各视场调制传递函数值超过0.4,达到衍射极限,像面稳定,80%的能量集中在1个像元内,满足光学系统的设计要求.%In order to improve target detection ability of IR images in long range effectively, an infrared telephoto objective for 8 μm~12 μm wave-band is designed for 640 pixel×512 pixel infrared CCD det ector.Effects of surrounding environmental temperature are analyzed and refractive diffractive hybrid thermal compensation is discussed.Focal length of the system is 200 mm, relative aperture is 1:2.2 and field of view is 7°.Infrared telephoto system with small volume and compact structure is designed in a large range of temperature.The system is composed of four lenses with only three materials of zinc sulfide, zinc selenide and germanium to compensate for the temperature.Image quality of the system is evaluated by ZEMAX optical design software.Results show that modulation transfer function (MTF) for each field of view at cut-off frequency of 17 lp/mm is greater than 0.4 which approaches diffraction limit.Root mean square radius of spot diagram for each field of view is close to Airy diskradius.Telephoto objective has favorable performance at working temperature of-40 ℃~+60 ℃.The system meets the requirements of technical specification.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P12-18)【关键词】红外摄远物镜;光学设计;折衍混合;无热化;目标探测【作者】张婉怡【作者单位】长春理工大学光电信息学院,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】TN219近年来红外成像技术已成为目标探测技术发展的方向之一，低成本的非制冷热成像技术也随着红外热成像技术发展起来。

中波红外成像无热化光学系统设计白瑜;邢廷文;林妩媚;谢伟民【摘要】介绍了温度变化对红外光学系统的影响和红外光学系统无热化设计的常用方法.应用CODE-V光学设计软件设计了一个工作于中红外光谱波段的折射式全球面镜无热化光学系统,采用锗、硅和硒化锌3种光学材料,系统镜间材料为铝合金.设计结果表明:在-40℃～+65℃温度范围内,光学系统的成像质量接近衍射极限,且光学系统的出瞳与光栏重合,具有结构简单、体积小、质量轻、成本低等优点,可应用于空间红外光学系统.%The effect of temperature variation on infrared optical system and athermalization technique were introduced. An athermal middle infrared refractive optical system was designed by CODE-V optical design software ,which used Ge, Al and ZnSe material. The image quality of the system approached diffraction limit in the temperature range of -40℃~65℃. The exit pupil and stop of the optical system was coincided. The optical system has many advantages, such as simple structure,small volume,light weight and low cost. It can be applied to space infrared optical system.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】5页(P181-185)【关键词】红外光学系统;热效应;无热化设计【作者】白瑜;邢廷文;林妩媚;谢伟民【作者单位】中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209;中国科学院光电技术研究所,四川成都610209【正文语种】中文【中图分类】TN216;TH703引言空间红外相机的工作环境温度变化范围比较大，通常要求在－40℃～＋65℃温度范围内有稳定的光学性能。

大相对孔径非制冷红外光学系统无热化设计林琳;门克内木乐;解晓蓬;郭晶【摘要】To meet the needs of the current military infrared imaging instrument,we designed a lens for 8~12 μm wave band with uncooled optical passive method.The specific parameter,F is 1,focus is 40 mm,field of view is 16.8°.The design results are achieved within the scope of the -40~65 ℃,as close to the diffraction limitation.The system does not need focus.The athermalization performance is good.%针对当前军工红外成像仪器小型化及宽温度适应性的需要，采用光学被动式无热化方法对8～12μm 波段设计了一款镜头。

该镜头 F 数为1、焦距为40 mm、视场为16．8°、温度适应范围为－40～65℃。

设计结果显示，在要求的温度范围内，系统无需调焦，像质接近衍射极限，达到无热化的性能要求。

【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P319-323)【关键词】红外光学系统;无热化;大相对孔径【作者】林琳;门克内木乐;解晓蓬;郭晶【作者单位】内蒙古大学物理科学与技术学院，内蒙古呼和浩特 010021;内蒙古大学鄂尔多斯学院，内蒙古鄂尔多斯 017000;内蒙古大学物理科学与技术学院，内蒙古呼和浩特 010021;内蒙古大学物理科学与技术学院，内蒙古呼和浩特010021【正文语种】中文【中图分类】TN202引言随着红外成像技术的发展，对于红外成像系统在复杂环境中的适应性提出了越来越高的要求。

河南科技Henan Science and Technology 电气与信息工程总第812期第18期2023年9月双波段透射式红外无热化光学系统设计黄辰旭（中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳471000）摘要：【目的】随着光电探测技术的发展，双波段探测技术在识别伪装、消除干扰等方面的优势越来越明显。

双波段共光路无热化红外光学系统设计成为机载光电领域发展的关键。

【方法】该系统采用锗、硫化锌、IG4和硒化锌这4种材料，并搭配合适的正负光焦度，利用不同材料与铝的热膨胀系数存在的差异来实现消热差。

【结果】该系统的焦距为320mm、F数为2、工作波段为3~5µm和8~12µm，在-55～70℃的宽温范围内，该系统的MTF大于0.4（21lp/mm）。

【结论】该系统为实现双波段红外光学系统的小型化、轻量化提供了参考，并在机载光电探测设备中得到广泛应用。

关键词：红外光学系统；消热差设计；双波段；共光路中图分类号：TG333文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）18-0009-05 DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.18.002Design of Dual-Band Transmission Infrared Non-Thermal OpticalSystemHUANG Chenxu（Luoyang Institute of Electro-Optical Equipment,AVIC,Luoyang471000,China）Abstract:[Purposes]With the development of photoelectric detection technology,the advantages of dual-band detection technology in identifying camouflage and eliminating interference are becoming more and more obvious.The design of dual-band common-path athermal infrared optical system has be⁃come the key to the development of airborne optoelectronics.[Methods]The system uses four materials of germanium,zinc sulfide,IG4and zinc selenide,and matches the appropriate positive and negative light intensity,and uses the difference in the thermal expansion coefficient of different materials and alu⁃minum to achieve athermalization.[Findings]The focal length of the system is320mm,and its F num⁃ber is2,and the working bands are3~5µm and8~12µm.The MTF of the system is greater than 0.4(21lp/mm)in a wide temperature range of-55~70℃.[Conclusions]The system provides a refer⁃ence for the miniaturization and lightweight of dual-band infrared optical system,and is widely used in airborne photoelectric detection equipment.Keywords:infrared optical system;athermalization design;dual-ban;common aperture0引言目前，常采取长波波段对空迎头进行探测，而飞机发动机等高温目标的主要辐射波长为3～5µm，且在湿度较大的环境中，长波透过率低，无法满足高湿热环境中的使用要求。

红外镜头无热化性能评估系统研究红外镜头因受温度的影响较大，需进行无热化设计，而国内对于无热化效果的评估研究并不多。

文章将光电检测技术与无热化技术相结合，提出了一种在现有MTF传函仪的基础上增加红外镜头无热化测试组件，来测试红外镜头在不同温度下的MTF值，通过对得到的不同MTF值进行定量分析，实现对红外镜头无热化效果的评估。

针对其关键的中继镜头分析了三种可能的设计方法，最终选定了最可行的设计方案。

系统分析合理，可行性高。

标签：红外镜头；无热化评估；MTF1 概述随着红外光学技术的快速发展，红外镜头越来越多地应用在民用、工业、军事等领域。

由于温度的变化会对红外镜头的光学元件的面型，光学元件的折射率，透镜的焦移等产生影响，导致镜头的成像质量变差，图像模糊不清和对比度下降。

因此红外镜头的设计过程中进行无热化设计是必不可少的环节之一。

近几十年来国际上都在大力研究红外镜头的无热化方法，但是对于红外镜头的无热化检测方法的研究还非常少，无热化评估作为一种评价镜头好坏的条件是非常重要的。

本文提出了利用现有的传函仪，设计一组中继镜头，使普通的MTF测试仪可以测试红外高低温镜头下的MTF，重点分析了三种中继镜头的设计方案，最终得到有效可行的设计方案[1][2]。

2 无热化检测技术无热化检测技术是用来检测红外镜头的无热化设计的质量的，目前大多数的无热化检测方法是主观判断图像质量。

光学传递函数被认为是光学镜头成像质量评价的有效、客观、全面的一种检测方法，因为光学传递函数不仅与光学系统的像差，还与光学系统的衍射效果有关，同时，它还是一种定量，易做到数字化和快速测量的方法。

本文提出的无热化检测方法是通过无热化技术与光电检测技术相结合来实现检测目的的，随着红外技术的不断发展，无热化检测技术将逐渐成为一种用于评价红外镜头无热化效果好坏的重要红外计量技术[3][4]。

目前主要的无热化检测技术分为两种，一种是将被测的红外热成像仪整体放入高低温箱内部，通过高低温箱的窗口观察处在高低温箱外部的目标源，改变高低温实验箱内的温度热像仪会输出一系列的图像，根据热像仪输出图像的清晰度来判断红外热成像仪的无热化性能。