留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

短波中波红外折反射式共口径光学系统设计

马洪涛 韩冰 许洪刚 李旭 张明亮

马洪涛, 韩冰, 许洪刚, 李旭, 张明亮. 短波中波红外折反射式共口径光学系统设计[J]. 188bet网站真的吗 . doi: 10.37188/CO.2024-0154
引用本文: 马洪涛, 韩冰, 许洪刚, 李旭, 张明亮. 短波中波红外折反射式共口径光学系统设计[J]. 188bet网站真的吗 . doi: 10.37188/CO.2024-0154
MA Hong-tao, HAN Bing, XU Hong-gang, LI Xu, ZHANG Ming-liang. Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0154
Citation: MA Hong-tao, HAN Bing, XU Hong-gang, LI Xu, ZHANG Ming-liang. Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0154

短波中波红外折反射式共口径光学系统设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0154
基金项目: 吉林省科技发展计划重点科技研发项目(No. E11802U3Z0);可见光、中波及长波红外MTF测试仪(No. E35231X3ZZ)
详细信息
    作者简介:

    马洪涛(1980—),男,吉林长春人,硕士,副研究员,硕士生导师,2006年于哈尔滨工业大学航天学院获得工学硕士学位,主要从事航天光机系统设计、检测、装调方面的研究。E-mail:mhtgjs@163.com

    韩 冰(1981—),男,吉林长春人,博士研究生,正高级工程师,2004年于吉林大学物理学院获得理学学士学位,2024年于长春理工大学光电工程学院攻读博士学位,主要从事光学检测技术研究与检测设备研发工作。E-mail:hanbing@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: O435

Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system

Funds: Supported by Jilin Province science and technology development plan key research and development project (No. E11802U3Z0); Visible, medium and long wave infrared MTF tester (No. E35231X3ZZ)
More Information
  • 摘要:

    为了实现高精度、高可靠性的动态场景模拟,设计了一套短波中波多波段折反射式共口径光学系统。该系统结合了反射、折射和共口径光路的优势,分为主光学系统、短波光学系统和中波光学系统独立设计,根据理论计算得到光学系统的初始结构,再通过光学设计软件对光学参数进一步细化,最后,按照光瞳匹配原则,组合各分系统,并对系统的成像质量作进一步优化设计,通过调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)和畸变等指标的仿真验证了系统设计的合理性。所设计的短波光学系统视场角为±0.107°、焦距2500 mm、入瞳尺寸300 mm,MTF达到衍射极限,畸变小于0.3%;中波光学系统的视场角为±0.65°、焦距750 mm、入瞳尺寸300 mm,MTF接近衍射极限,畸变小于1%。该系统成像质量好,体积小,实用性强,在光电跟瞄和空间探测等领域具有较大应用潜力。

     

  • 图 1  光学系统设计流程图

    Figure 1.  Optical system design flow chart

    图 2  主系统离轴两镜光学设计图

    Figure 2.  Main system off-axis two-mirror optical design

    图 3  主光学系统MTF曲线

    Figure 3.  Main optical system MTF curve

    图 4  中波主系统的光路形式

    Figure 4.  The optical path form of the mid-wave main system

    图 5  中波主光学系统MTF曲线

    Figure 5.  Mid-wave main optical system MTF curve

    图 6  短波后端光学系统设计图

    Figure 6.  Short-wave back-end optical system design

    图 7  短波后端光学系统MTF曲线

    Figure 7.  Short-wave back-end optical system MTF curve

    图 8  短波后端光学系统畸变曲线

    Figure 8.  Short-wave back-end optical system distortion curve

    图 9  中波后端系统光学设计图

    Figure 9.  Mid-wave back-end optical system design

    图 10  中波后端光学系统MTF曲线

    Figure 10.  Mid-wave back-end optical system MTF curve

    图 11  中波后端光学系统畸变曲线

    Figure 11.  Mid-wave back-end optical system distortion curve

    图 12  目标与背景模拟光学系统设计图

    Figure 12.  Optical system design for target and background simulation

    图 13  五路系统的MTF曲线

    Figure 13.  MTF curve of a five-way system curve

    图 14  五路系统的畸变曲线

    Figure 14.  Distortion curve of five-way system

    图 15  光线追迹渐晕分析

    Figure 15.  Ray tracing vignetting analysis

    表  1  折反射式共口径光学系统主要参数

    Table  1.   Main parameters of catadioptric common-aperture optical system

    Num.SpecificationShort-wave systemMid-wave system
    1Wave band/ μm1.0-1.73.7-4.8
    2Channels13.7-4.0,4.1-4.35,
    4.35-4.6,4.55-4.8
    3FOV/ω±0.107°±0.65°
    4Focus/mm2500750
    5Entrance PD/mm300300
    6Exit PD/mm13001300
    7Image size/The same size/4
    8Distortion≤0.3%≤1%
    注:Entrance PD= Entrance Pupil Diameter,入瞳尺寸;Exit PD=Exit Pupil diameter,出瞳距离。
    下载: 导出CSV

    表  2  主系统光学设计数据

    Table  2.   Main system optical design data

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Off-axis
    /mm
    1 1500 −900 170 300
    2 300 40 −58
    下载: 导出CSV

    表  3  中波主系统光学设计数据

    Table  3.   Mid-wave main system optical design data

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Off-axis
    /mm
    1 1500.00 −900 170.00 300
    2 300.00 40.00 −58
    3 207.93 19 33.33 KBR
    4 −128.33 0.50 33.10
    5 −754.76 10 32.36 SILICON
    6 776.51 0.50 32.13
    7 234.00 20 32.19 KBR
    8 −89.34 0 31.84
    9 −89.34 17.20 31.84 GAAS
    10 −148.50 200 35.36
    下载: 导出CSV

    表  4  短波后端系统的光学参数

    Table  4.   Optical parameters of short-wave back-end system

    Num.SpecificationShort-wave system
    1Wave band/ μm1.0-1.7
    2FOV/ω(°)±0.54
    3Focus/mm500
    4Entrance PD/mm60
    5Image size/
    6Distortion≤0.3%
    下载: 导出CSV

    表  5  短波后端光学系统设计参数

    Table  5.   Short-wave back-end optical system design parameters

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Materials
    1 229.09 20 50.61 H-LAF55
    2 −192.78 4.31 49.90
    3 −177.10 12 48.22 H-LAF50B
    4 1950.66 6.70 46.73
    5 −533.78 11 45.87 H-ZF88GT
    6 476.42 35.99 45.19
    7 4768.94 10 45.16 H-LAF55
    8 −329.67 436.70 45.19
    下载: 导出CSV

    表  6  中波后端系统的光学参数

    Table  6.   Optical parameters of mid-wave back-end system

    Num.SpecificationMid-wave system
    1Wave band/ μm3.7-4.8
    2FOV/ω±3.23°
    3Focus/mm150
    4Entrance PD60
    5Image sizeThe same size/4
    6Distortion≤1%
    下载: 导出CSV

    表  7  中波后端光学系统设计参数

    Table  7.   Mid-wave back-end optical system design parameters

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Materials
    1 168.31 29.02 47.50 SILICON
    2 229.17 9.64 42.54
    3 6736.72 15.00 41.43 GERMANIUM
    4 773.91 102.20 40.61
    5 820.84 26.25 35.63 SILICON
    6 −330.43 7.58 34.56
    7 −214.63 18.00 31.30 GERMANIUM
    8 −446.58 0.10 31.49
    9 79.49 22.50 30.22 SILICON
    10 69.43 230.28 23.24
    下载: 导出CSV

    表  8  加工与装调公差

    Table  8.   Machining and fitting tolerances

    Num.Tolerance classificationTolerance value
    1Aperture2
    2Thickness (spacing)/mm0.02
    3Refractive index0.0003
    4Dispersion coefficient0.005
    5Local aperture0.2
    6Single-mirror tilt/(′)1
    下载: 导出CSV
    Baidu
  • [1] 顾航硕, 王凌云, 李光茜. 红外双波段景象模拟器光学系统设计[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2022,45(3):41-47.

    GU H SH, WANG L Y, LI G X. Optical design of MW/LW infrared dual-bands scene simulation system[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2022, 45(3): 41-47. (in Chinese).
    [2] 李卓, 高彦泽, 张金英. 多谱段复杂红外场景模拟技术[J]. 光学学报,2023,43(15):1511002. doi: 10.3788/AOS230756

    LI ZH, GAO Y Z, ZHANG J Y. Multi-spectral complex infrared scene projection technology[J]. Acta Optica Sinica, 2023, 43(15): 1511002. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS230756
    [3] 李卓, 叶宗民, 孙保杰, 等. 3.7~4.8 μm红外二次成像折反射式光学系统设计[J]. 红外技术,2021,43(12):1193-1196.

    LI ZH, YE Z M, SUN B J, et al. Design of a 3.7~4.8 μm catadioptric secondary imaging MWIR optical system[J]. Infrared Technology, 2021, 43(12): 1193-1196. (in Chinese).
    [4] 王超, 曲贺盟, 管海军, 等. 高数值孔径宽谱段折反射式物镜设计[J]. 光学学报,2023,43(19):1922002. doi: 10.3788/AOS230689

    WANG CH, QU H M, GUAN H J, et al. Design of catadioptric objective lens with hyper numerical aperture and wide spectral band[J]. Acta Optica Sinica, 2023, 43(19): 1922002. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS230689
    [5] FOADI R F, AHMED A K. Designing Cassegrain telescope system with best obscuration ratio of secondary mirror[J]. Iraqi Journal of Science, 2023, 64(12): 6638-6647.
    [6] 李艳杰, 金光, 钟兴, 等. 将成像光学系统用于金宝搏188软件怎么用 发射的设计与分析[J]. 红外与金宝搏188软件怎么用 工程,2015,44(11):3373-3378.

    LI Y J, JIN G, ZHONG X, et al. Design and analysis of using imaging optical system as laser transmitting antenna[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(11): 3373-3378. (in Chinese).
    [7] 杨曼曼. 可见/红外多波段共口径变焦光学系统设计[D]. 西安: 西安工业大学, 2021.

    YANG M M. Visible/infrared multi-band co-aperture zoom system design[D]. Xi’an: Xi’an Technological University, 2021. (in Chinese).
    [8] 金光, 李艳杰, 钟兴, 等. 空间成像与金宝搏188软件怎么用 通信共口径光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2014,22(8):2067-2074. doi: 10.3788/OPE.20142208.2067

    JIN G, LI Y J, ZHONG X, et al. Design of co-aperture optical system for space imaging and laser communication[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(8): 2067-2074. (in Chinese). doi: 10.3788/OPE.20142208.2067
    [9] 秦子长, 任成明, 戚允升, 等. 小型高分辨率空间相机光学系统低误差敏感度设计[J]. 红外与金宝搏188软件怎么用 工程,2022,51(10):20220365. doi: 10.3788/IRLA20220365

    QIN Z CH, REN CH M, QI Y SH, et al. Low error-sensitive design of small-sized high-resolution space camera optical system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(10): 20220365. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA20220365
    [10] 郭占利. 可见/红外共口径变焦光学系统的研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2018.

    GUO ZH L. Study of visible/infrared common aperture zoom optical system[D]. Xi’an: Xi’an Institute of Optics & Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2018. (in Chinese).
    [11] 魏锦洋, 李旭阳, 谭龙玉, 等. 基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计[J]. 光子学报,2024,53(1):0122001. doi: 10.3788/gzxb20245301.0122001

    WEI J Y, LI X Y, TAN L Y, et al. Design of an integrated optical system for detection and imaging of large aperture and long focal length based on continuous zoom[J]. Acta Photonica Sinica, 2024, 53(1): 0122001. (in Chinese). doi: 10.3788/gzxb20245301.0122001
    [12] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 4版. 北京: 机械工业出版社, 2016.

    YU D Y, TAN H Y. Engineering Optics[M]. 4th ed. Beijing: China Machine Press, 2016. (in Chinese).
    [13] 崔宏滨, 李永平, 康学亮. 光学[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 2015. (查阅网上资料, 未找到对应的英文翻译, 请确认并补充) .
    [14] 吕博, 冯睿, 寇伟, 等. 折反射式空间相机光学系统设计与杂散光抑制[J]. 中国光学,2020,13(4):822-831. doi: 10.37188/CO.2019-0036

    LÜ B, FENG R, KOU W, et al. Optical system design and stray light suppression of catadioptric space camera[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 822-831. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2019-0036
    [15] 郭永祥, 李英才, 梁天梅, 等. 一种大视场离轴三反射光学系统研究[J]. 光学学报,2010,30(9):2680-2683. doi: 10.3788/AOS20103009.2680

    GUO Y X, LI Y C, LIANG T M, et al. Optical design of the uncoaxial three-mirror system with wide field of view[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(9): 2680-2683. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS20103009.2680
    [16] 王健. 基于矢量像差理论的离轴反射式宽波段红外目标模拟器研究[D]. 长春: 中国科学院大学(长春光学精密机械与物理研究所), 2012.

    WANG J. Study on off-axis reflective broadband IR simulator based on the theory of vector aberrations[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2012. (in Chinese).
    [17] FUERSCHBACH K, ROLLAND J P, THOMPSON K P. Theory of aberration fields for general optical systems with freeform surfaces[J]. Optics Express, 2014, 22(22): 26585-26606. doi: 10.1364/OE.22.026585
    [18] 梁士通, 杨建峰, 薛彬, 等. 四反射镜光学系统像差分析与设计[J]. 光学学报,2010,30(11):3300-3305. doi: 10.3788/AOS20103011.3300

    LIANG SH T, YANG J F, XUE B, et al. Aberration analysis and design of four-mirror reflective optical system[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(11): 3300-3305. (in Chinese). doi: 10.3788/AOS20103011.3300
  • 加载中
图(15) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  83
  • HTML全文浏览量:  42
  • PDF下载量:  18
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 网络出版日期:  2024-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回
    Baidu
    map