宽光谱大靶面机载光学系统无热化设计

导读

随着无人机技术的快速发展，机载光学系统在军事侦察、消防救援、环境监测等领域的应用需求日益增长。传统机载光学系统存在以下技术瓶颈：波段限制，单波段成像系统难以适应复杂环境（如夜间、雾霾、强光等），且无法兼顾细节分辨与全天候探测需求；热敏感缺陷，极端温度导致光学元件热胀冷缩，引发像面偏移和像质退化；靶面小，限制视场范围，难以满足远距离高分辨率成像需求。

针对上述问题，华中科技大学光学与电子信息学院马冬林团队提出了一种宽光谱、大靶面、被动无热化的机载光学系统设计方案，实现了多波段融合探测与极端温度环境自适应能力，为下一代无人机光电载荷提供了创新解决方案。该研究成果发表在《红外与激光工程》（第54卷第3期，2025.3）。

1核心技术

宽光谱融合成像技术

工作波段覆盖0.4μm~1.7μm（可见光+近红外+短波红外），突破传统单波段限制。

可见光（0.4μm~0.75μm）提供高分辨率纹理细节（MTF@50lp/mm>0.51）；近红外（0.75μm~1.0μm）增强低照度环境成像能力（MTF@50lp/mm>0.59）；短波红外（1.0μm~1.7μm）穿透烟雾/薄雾，实现全天候探测（MTF@50lp/mm>0.41）。通过三波段图像融合，综合提升目标识别率与抗干扰能力。

光学被动式无热化设计

针对高空极端温变环境，团队采用光学被动式无热化技术消除镜头热效应。通过精密的光机材料匹配，选用6061-T6铝合金镜筒（热膨胀系数23.6×10-6/℃）与环保光学玻璃的组合，构建出具有温度自补偿特性的7组10片式光学结构。通过多重结构优化（12组温度/波段组合），确保全温域MTF值稳定经严格测试，该系统在-40℃～60℃范围内焦点漂移量小于5μm，各波段50lp/mm处MTF值始终高于0.4，成功突破传统系统温漂导致的"热模糊"技术瓶颈。

大靶面高分辨光学设计

采用折射式共焦设计攻克大靶面光学校正难题，将探测器靶面扩大至20.48mm×20.48mm，较同类产品提升4倍成像面积。配合10μm像元尺寸的2048×2048探测器，实现14°视场内0.61%的超低畸变，在千米级探测距离下目标识别精度提升至厘米级。实测数据显示，7°边缘视场的MTF值仍达0.536，系统同时实现了大视场与高分辨率。

2系统参数及性能

团队使用Tropics光学传递函数测量仪（ImageMaster Universal）测试光学系统的性能，并进行了实际成像测试，系统图像质量好，畸变低，充分体现了该光学系统在宽波段下的成像能力。