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  • 卡塞格林光学系统结构简单、像质优良,广泛应用于空间光学领域中。从对研制完成的谱段位于500~800 nm的泛卡塞格林光学镜头的调制传递函数(MTF)的测量结果出发,结合泛卡塞格林光学系统的结构特点,分析表明光学...
  • 卡塞格林光学成像系统

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    卡塞格林光学系统 文章来源:改进型卡塞格林望远光学系统的优化设计

                                           卡塞格林光学成像系统

     

    文章来源:改进型卡塞格林望远光学系统的优化设计

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  • 设计了一个2 m焦距的改进型卡塞格林光学系统。为了弥补系统成像质量的损失,运用调制传递函数补偿(MTFC)技术,通过倾斜刃边法提取卡塞格林系统所拍摄图像的点扩展函数(PSF),对退化图像进行复原,并利用多种客观...
  • 介绍了一种含三个非球面的卡塞格林系统的设计思想,给出了一个设计结果。焦距2.8m,F5.6,视场3.2°,主镜、次镜均为6次方非球面,场镜含一4次方非球面,成像质量接近衍射极限,畸变也得到了校正。
  • 卡塞格林光学系统的结构严重限制了视场,通常需添加辅助光学元件来扩大视场,但将导致系统结构复杂,不利于光学系统的小型化、轻量化。提出一种计算成像设计方法,首先优化系统结构参数,控制像差;然后构建系统的点扩展...
  • 传统的卡式结构激光通信光学天线由于次镜的遮拦大大降低了发射效率,因此在设计中采用了偏瞳的卡塞格林光学天线,且收发共用,有效地提高了通信终端的发射效率和接收性能。对光学天线的增益、成像质量和传输效率等...
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  • 介绍了卡塞格林系统的焦距为6000 mm, 系统的相对口径为1/10,主镜的口径为600 mm,主镜相对口径为1/1.2,主镜的材料是微晶玻璃,背面打有盲孔,质量为原来的50%。由于主镜的相对口径比较大,而且经过轻量化,因此加工难度...
  • ZEMAX卡塞格林透镜组结构设计——光学设计学习笔记2

    ZEMAX卡塞格林透镜组结构设计——光学设计学习笔记2


    1.设计目标

    工作波长:可见光;
    焦距100mm、相对孔径D/f’=1/5、视场角2°;

    2.设计步骤

    (1)设置孔径(D=1/5*f=20mm)、视场(0、0.707、1)和波长(F,d,C可见光)
    (2)建立初始结构
    (3)设置变量
    (4)优化
    (5)样板分析
    (6)公差分析


    3.优化之后:

    3D layout

    在这里插入图片描述

    光学结构参数及光学特性参数

    找到zemax"analysis"中的“reports”选项,选择“prescription data”,可以得到详细的系统结构参数以及光学特性参数,通过在设置中可以选择自己想要看到的各种参数。
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    各表面的曲率半径、厚度、口径以及之间的距离:
    在这里插入图片描述

    初步的象质评价

    a.Wavefront Map(此图为零度视场)

    (可以查看PV值和RMS均方根值,一般要求PV值小于四分之一波长,RMS值小于十四分之一波长)
    在这里插入图片描述

    b.MTF

    (横坐标为空间频率,单位是每毫米线对数,截止空间频率就是该系统的分辨极限;曲线与坐标轴所围成的面积表示该系统对比度的大小)
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    c.点列图

    (可查看每个视场的均方根半径和几何半径大小,通过设置可以和艾里斑(黑色圈)作比较;可以根据点列图看每个视场存在的像差)
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    d.特性曲线图

    (表现系统的综合误差)
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    4.样板测试

    a.套样板的步骤

    在选择玻璃库为CDGM(成都光明)的前提下,首先将半径、厚度、镜面之间间隔设置为变量(注意并不一定需要将全部都设置,需要考虑某些面为平面等因素);然后选择“template fitting”选项,选择“best to worst”方法进行样板匹配,得到样板匹配结果和样板列表。
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    样板匹配结果:在这里插入图片描述

    b.套样板之后的结构参数

    在这里插入图片描述

    c.套样板之后的象质评价

    与套样板之前相比,成像质量没有明显下降
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    5.公差分析

    公差分析包括敏感度分析、蒙特卡洛分析、反敏感度分析。在ZEMAX中选择“tolerance data editor”选项,设置公差函数,也可以选择’tolerance wizard"选择默认的公差函数,然后点击“tolerancing”,对弹出的对话框进行设置。
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    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    下图分别为敏感度分析准则和分析结果,以均方根(RMS)半径为标准:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    下图为蒙特卡洛分析结果,蒙特卡洛循环数取1000,注意这里的大于符号并不表示大于,不需要纠结这个,在50%处,表示RMS不低于0.003的良品率略低于50%,注意最终的RMS值并不一定要比名义值小,需要根据实际的设计要求:
    在这里插入图片描述

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  • 为了提高卡塞格林望远镜像斑耦合多模光纤的效率,采用一种在光纤前端放置锥形导管的方法,利用光线在锥形导管中经过多次内全反射耦合进多模光纤中,通过几何光学理论及数值方法分析卡塞格林零视场光束像点的最大耦合...
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  • 典型光学系统 1、眼睛 2、放大镜 3、显微镜 4、投影和放映的系统 考虑设计方面的问题:1、高斯光学计算(理想模型) 2、像差概念(实际光学系统成像的不完善) 3、光学设计 本章可能出现的问题:光学系统各有特点,...

    典型光学系统

    1、眼睛 2、放大镜 3、显微镜 4、投影和放映的系统
    考虑设计方面的问题:1、高斯光学计算(理想模型) 2、像差概念(实际光学系统成像的不完善) 3、光学设计
    本章可能出现的问题:光学系统各有特点,要考虑的问题不尽相同
    学习要注意的:不要嫌麻烦,逐步抛开理想假定以后,实际工程都比较麻烦

    7-1 眼睛及其光学特性

    在这里插入图片描述
    感光:锥状细胞和杆状细胞
    黄斑:对光感应最灵敏处,中央有中心凹,仅有锥状细胞
    视轴:节点与中心凹的连线
    盲斑:视神经入口,无感光细胞
    怎样验证盲斑的存在?用一张白纸,画两个点,捂住一只眼睛。

    二、标准眼和简约眼

    1、标准眼:大量测试的结果,定出眼睛的各项光学参数。满足这些光学数值的眼睛称为标准眼。
    2、简约眼:为近似计算方便,将眼睛简化为一个折射球面。
    在这里插入图片描述

    三、眼睛的调节

    相当于折射球面r的改变
    远点:肌肉完全放松的时候,眼睛所能看清的最远点
    近点:肌肉最紧张的时候,眼睛所能看清的最近点
    远点距r:远点到眼睛物方主点的距离
    近点距p:近点到眼睛物方主点的距离
    屈光度: R = 1 r , P = 1 p R=\frac{1}{r},P=\frac{1}{p} R=r1,P=p1
    1、眼睛的调节范围:A=R-P
    明视距离:250mm
    2、正常眼和非正常眼
    正常眼:正常年龄内 r = inf ⁡ , R = 0 r=\inf,R=0 r=inf,R=0,F’在视网膜上。
    非正常眼:正常年龄内 R ≠ 0 R≠0 R=0,F’不在视网膜上。
    ①近视眼:F’在视网膜前,眼球偏长,远点在眼前有限远处。矫正:加负透镜。
    ②远视眼:F’在网膜之后,眼球偏短,远点在眼后有限远处。矫正:加正透镜。
    ③散光:一个方向能会聚,另一个方向不能会聚。矫正:加柱面透镜
    ④斜视:加光楔。
    在这里插入图片描述

    四、眼睛的适应

    对各种光亮环境的适应能力,亮度比可达10^12:1
    亮适应:暗处到明处,过程较快,只需要几分钟
    暗适应:明处到暗处,过程较慢,极限60分钟,
    锥状细胞:感受强光,对555nm最敏感。
    杆状细胞:感受微光,对510nm最灵敏,单分辨细节的能力差。
    波捏金效应:黄昏视觉下,光谱灵敏度曲线向短波方向偏移。
    在这里插入图片描述
    为什么在暗环境下能做饭但不能绣花?杆状细胞分辨能力差

    五、分辨本领

    能区分二个最靠近点的能力
    极限分辨角:最靠近二点对人眼(物方节点)的张角 ϕ \phi ϕ
    理想光学系统: ϕ = 1.22 λ D \phi=\frac{1.22\lambda}{D} ϕ=D1.22λ,D为入瞳直径。
    一般眼睛的极限分辨角为1’。
    眼睛分辨本领与哪些因素有关:
    ①物体的亮度和对比度:照度≥50lx时, ϕ \phi ϕ达到极限。对比度大时分辨率高。
    ②照明光谱成分:单色光分辨率高(眼睛有色差)。
    ③网膜上成像的位置:黄斑处分辨率最高
    对眼睛张角小的应当借助望远镜或者显微镜等,仪器应当由适当的放大率,使得能够被仪器分辨的也能够被眼睛分辨。

    六、眼睛的瞄准精度(测量的时候需要考虑)

    在这里插入图片描述

    七、双眼视觉,体视

    估计物体距离,辨别相对远近
    1、单眼视觉产生体视
    熟悉物:较近物体(<5m):眼球肌肉收缩
    较远物体(>5m):根据物对眼睛张角大小
    不熟悉物:通过与熟悉物对比
    2、双眼视觉:成像于双眼中心凹的同侧对应点时产生单像,否则产生双像。
    在这里插入图片描述
    3、体视
    估计距离:眼睛的调节,视线转向被观察物时肌肉用力,眼球转动最小能察觉7’。
    辨别相对远近——利用两眼视线的夹角(视差 θ \theta θ)
    在这里插入图片描述

    立体视差角: θ A = b L A , θ D = b L D \theta_A=\frac{b}{L_A},\theta_D=\frac{b}{L_D} θA=LAb,θD=LDb
    立体视差: Δ θ = θ A − , θ D \Delta \theta=\theta_A-,\theta_D Δθ=θA,θD
    体视锐度:人眼能够觉察的最小立体视差,一般 Δ θ + 0 = 3 0 ′ ′   6 0 ′ ′ \Delta \theta+0=30''~60'' Δθ+0=30 60,经过训练可以小到10’’.
    体视圈半径:存在立体视觉的范围,令 L A = inf ⁡ L_A=\inf LA=inf,则能够分辨的最远的 L D L_D LD就是体视圈半径,大于 L D L_D LD的范围人眼就不能和无穷远区分。
    L m = b Δ θ 0 = 0.065 1 0 ′ ′ × 206265 ≈ 1350 m L_m=\frac{b}{\Delta \theta_0}=\frac{0.065}{10''}×206265≈1350m Lm=Δθ0b=100.065×2062651350m
    体视阈值:能够分辨不同远近二点之间的最小的距离。
    Δ θ = b L 2 Δ L \Delta \theta=\frac{b}{L^2}\Delta L Δθ=L2bΔL Δ L 0 = L 2 b Δ θ 0 = 7.46 × 1 0 − 4 L 2 \Delta L_0=\frac{L^2}{b} \Delta \theta_0 = 7.46\times 10^{-4} L^2 ΔL0=bL2Δθ0=7.46×104L2
    讨论:增大体视圈半径,要求基线b长,体视锐度值小。减小体视阈值,要求基线b长,体视锐度值小,体视圈半径大。
    应用:双筒望远镜
    在这里插入图片描述

    7-2 放大镜

    一、放大镜的放大率M:视觉放大率——物体经放大镜所成像对人眼张角的正切和人眼直接看物体时物对人眼张角的正切之比 M = tan ⁡ W ′ tan ⁡ W M=\frac{\tan W'}{\tan W} M=tanWtanW
    在这里插入图片描述
    M ≈ 250 f ′ M≈\frac{250}{f'} Mf250

    7-3 显微镜及照明系统

    一、概述

    1、成像原理
    zoom:80%
    2、显微镜的放大率
    M o = − x o ′ f o ′ = − Δ f o ′ M_o=-\frac{x_o'}{f_o'}=-\frac{\Delta}{f_o'} Mo=foxo=foΔ M e = 250 f e ′ M_e=\frac{250}{f_e'} Me=fe250
    3、显微镜的机构
    齐焦条件:调换物镜后,不需再调焦就能看到像
    a.物镜的共轭距不变 b.物镜像面即目镜前焦面不动 c.机械筒长(上下端面之间的距离)有的可调
    4、显微镜与放大镜的比较
    都是对于小的物体进行放大的。
    显微镜①具有更大的放大率,物镜进行第一次放大,目镜再进行一次放大
    ②人眼离物面比较远,使用方便
    ③物镜和目镜可以调换,组合之后可以得到多种放大率
    ④具有中间实像面,可放置分划板,用于测量(构成测微目镜)
    ⑤当中间实像A’位于 F e F_e Fe之前,A’'为实像,可以投影到屏上
    列文虎克

    二、显微镜的光束限制

    1、孔径光阑 低倍物镜——单组镜框本身
    高倍物镜——多组物镜的最后一组镜框,或者再F_o’处专设孔阑。
    2、出瞳位置
    x ′ = f e f e ′ x = f e ′ 2 Δ x'=\frac{f_ef_e'}{x}={f_e'^2}{\Delta} x=xfefe=fe2Δ
    3、出瞳的大小
    出瞳与整个系统的像方焦面重合。设像方孔径角为U’,则
    a ′ = x ′ t a n U ′ = x ′ s i n U ′ a'=x'tanU'=x'sinU' a=xtanU=xsinU满足正弦条件: n y s i n U = n ′ y ′ s u n U ′ nysinU=n'y'sunU' nysinU=nysunU,则 n s i n U = n ′ β s i n U ′ = n ′ x ′ f ′ s i n U ′ = n ′ a ′ f ′ nsinU=n'\beta sin U'=n'\frac{x'}{f'}sinU'=\frac{n'a'}{f'} nsinU=nβsinU=nfxsinU=fna,n’=1,则
    a ′ = f ′ A = 250 M A , A = n s i n U ( 数 值 孔 径 ) a'=f'A=\frac{250}{M}A,A=nsinU(数值孔径) a=fA=M250A,A=nsinU)
    4、视场光阑——在中间实像面上专设视场光阑
    无渐晕,视场有清晰边界。
    视场光阑直径(假设物面上线视场为2y), D F = 2 y β 0 D_F=2y\beta_0 DF=2yβ0
    理论上, D F D_F DF越大,则2y越大,实际上2y很小,因为仅当 2 y < 1 10 f o ′ 2y<\frac{1}{10}f_o' 2y<101fo才能给出满意的像质。
    放大镜的物方线视场如何计算

    三、显微镜的景深

    包括显微镜本身的景深和眼睛的调节
    1、显微镜本身的景深(不能用前面导出的景深公式)
    2 d x = 250 n ϵ M A 2dx=\frac{250n\epsilon}{MA} 2dx=MA250nϵ
    2、人眼的调节
    r’和p’是整个显微镜像方到出瞳的距离。
    r ′ = f f ′ r ′ = − n f ′ 2 r ′ , p = − n f ′ 2 p ′ r'=\frac{ff'}{r'}=-\frac{nf'^2}{r'},p=-\frac{nf'^2}{p'} r=rff=rnf2,p=pnf2
    眼睛可以调节的深度范围 r − p = − n f ′ 2 ( 1 / r ′ − 1 / p / ) r-p=-nf'^2(1/r'-1/p/) rp=nf2(1/r1/p/)
    四、显微镜的分辨率与有效放大率
    1、分辨率
    根据夫琅禾费圆孔衍射理论,考虑物镜出瞳到像面的衍射,有 ϕ = 1.22 λ D \phi=1.22\frac{\lambda}{D} ϕ=1.22Dλ
    像面上相距最近的能分辨的两点对出瞳的张角。
    在这里插入图片描述
    ϕ = σ ′ / P ′ A ′ \phi=\sigma'/P'A' ϕ=σ/PA
    σ ′ = ϕ P ′ A ′ = 0.61 λ t a n U ′ = 0.61 λ s i n U ′ \sigma'=\phi P'A'=\frac{0.61\lambda}{tan U'}=\frac{0.61\lambda}{sin U'} σ=ϕPA=tanU0.61λ=sinU0.61λ
    有效放大率:能被显微镜分辨也能被眼睛分辨
    不能被显微镜分辨导致眼睛不能分辨——无效放大
    显微镜能分辨而眼睛不能分辨——放大不足
    当物面被照明时,最小分辨距为 σ = 0.5 λ A \sigma=\frac{0.5\lambda}{A} σ=A0.5λ人眼最小分辨角取2’~4’,则眼睛最小分辨距应为(2’
    为什么眼睛最小分辨有下限也有上限?
    五、显微镜的物镜
    物镜的偏角的含义( δ \delta δ):
    在这里插入图片描述
    六、显微镜的目镜
    镜目距:按目镜最后一面到眼瞳(出瞳)的距离。
    工作距离:向场镜第一面到目镜前焦面(物镜像面)的距离。
    七、显微镜的照明系统(最重要的图!临界照明+柯拉照明)
    1、物面不发光,透明——透射光照明

    7-4 望远镜及转像系统

    一、望远镜概述
    1、目镜+物镜 Δ = 0 \Delta=0 Δ=0
    在这里插入图片描述

    平行光进平行光出的一种光学系统。
    望远镜的放大率(视觉放大率)
    Γ = t a n W ′ t a n W = − f 1 ′ f 2 ′ = D D ′ ( 入 瞳 直 径 与 出 瞳 直 径 之 比 ) \Gamma=\frac{tan W'}{tan W}=-\frac{f_1'}{f_2'}=\frac{D}{D'}(入瞳直径与出瞳直径之比) Γ=tanWtanW=f2f1=DD不随物体位置而变。
    比较开普勒望远镜,伽利略望远镜。筒长长短,有无实像面,是否可以用于测量,光束限制有什么不同。
    2、关于视觉放大率的讨论
    放大率越大,若 W ′ W' W一定,则W越小。目镜焦距一定时,放大率越大,镜筒越长。出瞳和眼瞳匹配时,入瞳大。
    3、望远镜的分辨率与正常放大率
    光学仪器的最小分辨角 ϕ = 14 0 ′ ′ D \phi=\frac{140''}{D} ϕ=D140,要求 Γ ϕ ≥ 60 ‘ ’   70 ‘ ’ \Gamma\phi≥60‘’~70‘’ Γϕ60 70
    4、望远镜的瞄准精度
    α t = α e Γ \alpha_t=\frac{\alpha_e}{\Gamma} αt=Γαe
    瞄准用的望远镜放大率应当大一点。观察用的望远镜放大率应当小一点,视场大一点。
    二、望远镜的主观亮度
    三、望远镜的光束限制
    1、伽利略望远镜——物镜经目镜所成像不能与眼瞳重合,眼瞳为孔阑,此时物镜为渐晕光阑。
    可以导出,50%渐晕时成像的物方视场角为W,
    t a n W = D 2 Γ ( f 1 ′ + f 2 ′ + Γ l p ′ tanW=\frac{D}{2\Gamma(f_1'+f_2'+\Gamma l_p'} tanW=2Γ(f1+f2+ΓlpD
    Γ \Gamma Γ越大,视场角越小,因此,伽利略望远镜的放大率一般不超过6~8倍。
    2、开普勒望远镜
    目镜栏光,为渐晕光阑。
    在这里插入图片描述
    开普勒望远镜的中间实像面为视场光阑。
    KaTeX parse error: Undefined control sequence: \tanW at position 10: D_F=2f_1'\̲t̲a̲n̲W̲
    期中考试1~6章,期末考试侧重于后面部分。
    目镜直径由渐晕系数定。
    四、望远镜的物镜和目镜
    1、物镜:f’大,D/f’中等,2W小。
    折射式:①双胶合(D>60mm时不适于胶合)
    单透镜像差比较糟糕,双胶合透镜可以同时矫正像差和球差。
    ②双分离透镜。 d a i r ≈ 0 d_{air}≈0 dair0
    ③三片式
    ④内调焦
    反射式:D很大,对材料无严格要求,筒长较短,完全无色差,但对表面质量要求更高。且要用非球面。
    卡塞格林望远镜
    在这里插入图片描述
    抛物面镜(主镜)+双曲面镜(次镜)
    在这里插入图片描述
    在卡塞格林望远镜的基础上加上了用于矫正像差的折射元件。为了减少杂散光,主镜的开孔应当小一点。
    在这里插入图片描述
    2、目镜:f’小, D / f D/f D/f中等,2W大
    为能使非正常眼亦能观察,目镜应能作视度调节,设调节量为 Δ l \Delta_l Δl,则
    五、转像系统和物镜
    伽利略望远镜——成正向但 Γ \Gamma Γ小。
    开普勒望远镜——成倒像但 Γ \Gamma Γ大。
    1、棱镜转向系统
    偶数次反射成一致像。
    普罗Ⅱ型转向系统。
    在这里插入图片描述
    别汉棱镜转向系统。
    2、透镜转向系统
    ①单组透镜转像系统(本学期最重要的图之三!)
    在这里插入图片描述
    问题:轴外光在转像透镜上的入射高度增加①W时不能通过②轴外像差过大。
    六、光学系统外形尺寸计算
    光学系统设计时,首先从高斯光学角度出发,作外形尺寸计算。
    对棱镜计算
    玻璃棱镜–>玻璃平行平板–>空气平行平板
    等效空气板厚度
    d ˉ = d − Δ l ′ = d − ( 1 − 1 n ) d = 1 n d \bar{d}=d-\Delta l'=d-(1-\frac{1}{n})d=\frac{1}{n}d dˉ=dΔl=d(1n1)d=n1d$

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    本人不是做红外的,看到一篇综述就看看作为了解和知识储备。

    1、红外光学系统需解决主要问题

    红外辐射的波长比可见光的大一个数量级,容易发生衍射;红外光学材料的折射率大且种类较少,用不同材料组合进行光学像差校正的选择范围小。红外波段的辐射能量与可见光波段的辐射能量相差几个数量级,为获得足够多的红外辐射能量,红外/热成像系统需要采用大孔径成像光学系统;一般而言,红外/热成像系统需要观察远距离(例如 5000 m)的场景,因此需要采用长焦距(例如 200 mm)的光学系统;为控制红外辐射的衍射,红外成像光学系统的相对孔径需要取较大值(例如 F 数取值 1~4),典型可见光相机镜头的 F 数取值 1~22。

    以上这些要求都将增加红外成像光学系统的设计和加工难度。

    2、红外成像光学技术的发展

    第一代:基于光机扫描成像的红外光学系统,特别是产生了基于锗材料光学元件的长波红外光学系统。

    存在问题:1)红外成像光学系统需要定制,结构复杂,传递函数较低,光学元件数量多,系统装调要求高;
                      2)不能实现与红外探测器的有效集成,红外成像光学系统的尺寸、重量较大;
                      3)折射式红外成像光学系统的“水仙花效应”较为严重(当目标红外辐射通量密度低于红外成像光学系统自身红外辐                            射通量密度时,则红外成像光学系统产生的红外辐射作为主要背景杂散光被红外探测器接收)。

    第二代:为克服第一代问题,尤其是水仙花效应。

    发展内容:1)发展了无热化技术,改善光学系统因温度变化引起的离焦 。
                      2)发展了折射元件表面加工衍射面的混合光学元件和非球面光学元件,提高成像质量,简化光学系统。
                      3)面向长焦距、远距离红外/热成像系统应用,发展了轴向反射红外光学系统,通过折叠光路减小系统轴向尺寸,如                         卡塞格林光学系统。因轴向反射系统有较大遮挡,减小了有效入射辐射,又发展了无遮挡的离轴反射系统。

                      4)面向热瞄镜、单兵热像仪等轻量化、小型化非制冷热像仪的应用,发展了种类繁多的非制冷红外光学系统。

                      5)发展了标准化、通用化和系列化的可更换、固定焦距单视场红外光学系统,满足高品质、大规模、低成本
                      6)发展了光机电一体化的双视场、三视场和大变倍比连续变焦红外光学系统,满足高性能军事应用。
                      7)面向多样化的应用需求,发展了集成多种技术优势的轻量化、高性能和紧凑的光学系统。

    第三代:保持第二代优势,继续优化功能

    优化内容:1)在保持红外光学系统体积不变条件下,同时优化红外/热成像系统的作用距离和灵敏度。

                      2)在最小化透镜数量、最大化光学系统透过率的条件下,同时实现中波红外和长波红外波段的清晰成像以及双波段                            像素级融合成像。

                      3)降低红外/热成像系统的体积、重量、功耗和成本。

                      4)面向计算成像的红外光学系统,通过智能计算充分发挥光学系统的潜能。

    发展内容:1)发展变 F 数制冷红外成像光学系统

                      2)发展折反式红外成像光学系统

                      3)发展双波段“画中画”红外成像光学系统

                      4) 发展折反射周视红外成像光学系统

                      5) 发展自由曲面红外成像光学系统

                      6) 发展微型非制冷红外成像光学系统

                      7) 发展计算成像红外光学系统

    参考文献:王岭雪, 蔡毅. 红外成像光学系统进展与展望[J]. 红外技术, 2019, 41(01):5-16.

     

    临时需要,抱佛脚,总结一下红外系统制冷和无热化知识(有些内容是几年前的文献,不一定适合现有技术):

    制冷:红外热成像制冷技术,是为使热成像系统正常工作,将其探测器元件冷却至低温或深低温的技术,又称低温恒温器技术。

    红外制冷系统需要考虑的指标:冷光阑。

    红外系统对热辐射敏感,制冷红外探测器本身有一个窗口,就是冷栏;光学设计时,要保证光学系统的出瞳和探测器的冷栏位置一致且口径大小相等,这时,系统是100%的冷栏效率;若出瞳口径比冷栏口径大,则把眼睛放在探测器靶面位置,则有一部分有用信息会被冷栏遮挡;所以使用制冷型红外探测器的光学系统设计,必须保证100%冷栏效率。

    无热化:所有光学材料的折射率、透镜厚度及表面面形均会随环境温度变化。与可见光材料相比,红外材料的热效应尤为明显,使得透镜的光焦度发生变化,导致光学系统产生离焦,从而造成系统成像质量下降。因此,为了保证小型无人机携带微型光电吊舱时在不同地域、不同环境温度条件下均能正常成像,需要对红外光学系统进行无热化设计。

    冷反射:

    制冷探测器的探测深度常常比非制冷探测器高出1-2个数量级,因此制冷热像仪的性能比一般非制冷热像仪要好得多。为了保证探测器能正常工作,需要将其置于温度极低的杜瓦瓶内冷却,一般为液氮级温度77k,而光学系统和被测目标一般都是处于室温条件下,约为300k,之间像差约220k,由于镜筒其他部分与低温腔之间温度差异明显,导致了一种成像缺陷-Narcissus效应,既冷反射现象,又称之为温差再生效应。

    冷反射是制冷热成像系统特有的现象,是指探测器自身发出的光线,经前面光学系统元件的反射又返回来到达像面为探测器所接收,相当于看到了自己的冷像,其表现形式为在屏幕中央或某个位置存在黑斑。

    无热化的几种方式:

    (1)机械主动无热化。采用温度传感器测出环境温度的变化量,然后计算由此温度变化产生的像面位移量,并利用电机驱动透镜沿光轴方向移动,从而实现温度补偿。

    (2)机械被动无热化。在光学系统的结构设计中,利用高膨胀系数材料与低膨胀系数材料的相互配合,调节两种材料的长度,通过不同膨胀系数材料的膨胀和收缩,使得红外光学系统中的一组或整组透镜沿光轴方向移动,从而实现温度补偿。

    (3)光学被动补偿法。利用不同光学材料所具有的热特性差异,通过多种不同特性光学材料及结构材料的配合,可以实现温度补偿。

    与制冷红外成像系统相比,非制冷(无热化)红外成像系统具有体积小、重量轻等特点,在微型光电吊舱系统中更具优势。

     

    小结与感想:

    从红外成像光学系统的发展来看,光学系统的发展主要集中在轻量化、小型化,这就使得光学系统需要使用多种技术或元件实现。比如,已经大量运用的非球面,目前运用火热的自由曲面,以及在处理个别问题有优势的衍射元件。而光学系统为了实现小型化,首要问题进行光路转折与镜片数量简化,即从折射式向反射发展,并且为实现无遮拦、高像质,离轴反射式也应用广泛。光学系统的进一步发展,可能就是从传统光学进入到以超表面、超构材料为代表的微纳光学,虽然现在并为有实质性的应用,但发展的趋势不会改变。

    另外,理论可行,但加工最为致命。

    就光学设计来说,掌握各个功能的使用是基础(自由曲面、衍射面。。。),实际上其最基本的原理部分才是最重要的,即几何光学和物理光学都应掌握,以及熟悉微纳加工工艺甚至相关理论。

    有时间再补充。。。

     

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