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制冷型被动式消热差红外光学系统设计

李康 周峰 王保华 宫辉 郑国宪

李康, 周峰, 王保华, 宫辉, 郑国宪. 制冷型被动式消热差红外光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 853-860. doi: 10.37188/CO.2022-0205
引用本文: 李康, 周峰, 王保华, 宫辉, 郑国宪. 制冷型被动式消热差红外光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 853-860. doi: 10.37188/CO.2022-0205
LI Kang, ZHOU Feng, WANG Bao-hua, GONG Hui, ZHENG Guo-xian. Passive athermalization design of a cooled infrared optical system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 853-860. doi: 10.37188/CO.2022-0205
Citation: LI Kang, ZHOU Feng, WANG Bao-hua, GONG Hui, ZHENG Guo-xian. Passive athermalization design of a cooled infrared optical system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 853-860. doi: 10.37188/CO.2022-0205

制冷型被动式消热差红外光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2022-0205
基金项目: 高分辨率对地观测系统重大专项(民用部分)
详细信息
    作者简介:

    李 康(1992—),男,山西晋城人,工程师,中国空间技术研究院博士研究生,2018年于中国空间技术研究院获得硕士学位,主要从事光学遥感总体设计方面的研究。E-mail:349364250@qq.com

    周 峰(1974—),男,湖南隆回人,研究员,博士生导师,2006年于中国空间技术研究院获得博士学位,主要从事光学遥感总体设计方面的研究。E-mail:zfsimon@163.com

  • 中图分类号: TN216

Passive athermalization design of a cooled infrared optical system

Funds: Supported by Major Projects for High Resolution Earth Observation System (Civilian Part)
More Information
  • 摘要:

    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。

     

  • 图 1  光学系统初始结构图

    Figure 1.  Initial structure diagram of the optical system

    图 2  系统外形结构示意图

    Figure 2.  System outline structure diagram

    图 3  系统成像性能

    Figure 3.  System’s imaging performance

    图 4  光学系统实际出瞳光斑图

    Figure 4.  The actual exit pupil spot diagram of the optical system

    图 5  光学系统倒置示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of the inverted optical system

    图 6  各表面NITD贡献量

    Figure 6.  NITD contribution of each surface

    图 7  (0,0)视场MTF测试结果和测试现场

    Figure 7.  (0,0) Field of view MTF test results and the test site

    图 8  外景成像图

    Figure 8.  location image

    表  1  光学设计参数

    Table  1.   Optical design parameters

    工作谱段3.7 μm~4.8 μm
    视场14.36°×10.87°
    焦距62.5 mm
    F#2.5
    探测器640×512(25 μm)
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    表  2  光学系统消热差能力分析

    Table  2.   Analysis of athermal aberration capability of the optical system

    温度
    ( °C)
    MTF离焦量
    (mm)
    −550.684−0.0096
    −400.685−0.0099
    −200.686−0.0083
    00.684−0.0055
    200.681−0.0013
    400.6760.0025
    700.6660.0098
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    表  3  各表面的YNI和I/Ibar值

    Table  3.   YNI and I/Ibar values for each surface

    表面YNII/Ibar
    S21.05650.7164
    S31.05930.7218
    S41.14980.7164
    S51.17800.7218
    S61.29120.7164
    S71.31930.7218
    S8−1.33741.6435
    S9−5.53554.2410
    S10−5.73693.9166
    S112.30250.9078
    S123.08940.9951
    S13−6.42272.8058
    S141.09060.4333
    S15−2.66508.6885
    S16−0.10740.2176
    S171.970321.3971
    S182.25168.7762
    S19−3.46590.9250
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    表  4  MTF测试值(测试波长:λ=3.39 μm)

    Table  4.   MTF test value (test wavelength λ=3.39 μm)

    视场(°)MTF
    子午弧矢平均
    (0,0)0.680.680.68
    (0,7.18)0.50.480.49
    (0,−7.18)0.470.450.46
    (5.435,0)0.600.610.6
    (−5.435,0)0.580.610.59
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-28
  • 修回日期:  2022-11-02
  • 网络出版日期:  2023-02-06

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