车载光学仪器原位检测及衍射光学元件应用研究

论文摘要

现代高科技战争中武器装备的技术保障任务越来越繁重,维修检测难度越来越大,其技术系统也越来越复杂,故障率和战损率大大增加。面对这些高科技武器系统,传统的凭修理专家的感觉和经验来判断其作战性能指标的方法早已失效,而过去简单的故障检测设备也存在着检测精度低、检测项目单一、测试手段落后等问题,有的甚至根本无法对装备的一些关键战技指标进行测试。因此,设计和研制一套体积小,功能全,适于不同项目、对被检对象进行原位检测的综合性不解体检测设备具有重要的军事意义。然而,采用传统光学设计思想设计出的检测系统体积大,结构复杂,无法满足随车原位检测的需求。由于二元光学元件具有高衍射效率、特殊的光学变换功能等独特的优点,现已广泛应用于光传感器、光通信、光计算、光盘读写、激光应用系统等许多领域,显示出其广阔的应用前景。本文将衍射光学理论成功地应用到光学系统设计中,实现了高精度检测的要求。本文根据衍射透镜特点首先进行了单色像差校正和复消色差校正,采用折/衍混合式设计思想,设计研制出大孔径、复消色差平行光管。该系统设计结构紧凑,片数少,透射比更高,具有良好的消像差特性,为平行光管光学设计提供了基于衍射元件的全新思想。这种设计方案成像质量高,具有重要的实用价值和开创性意义,实现了军用装备对轻、巧、小的设计要求。为验证本文提出的创新性设计思想,与传统光学设计系统从调制传递函数（MTF）、点列图、畸变曲线及像差曲线等方面进行了比较。从调制传递函数曲线上可以看出,长焦物镜光学系统传统镜头设计在501p/mm空间频率处,系统的平均MTF值约为0.43,而折射/衍射混合系统在501p/mm空间频率处,系统的平均MTF值约为0.5,高于传统设计方案;对于广角物镜光学系统,传统镜头设计在101p/mm空间频率处,系统的平均MTF值约为0.35,而折射/衍射混合系统在101p/mm空间频率处,系统的平均MTF值最约为0.89,接近于衍射极限。从点列图曲线中可以看出,长焦物镜光学系统传统镜头的最大点斑的均方根直径为80μm,折射/衍射混合系统最大点斑的均方根直径为38.8μm;广角物镜光学系统传统镜头的最大点斑的均方根直径为210μm,而折射/衍射混合系统最大点斑的均方根半径为40μm。分析畸变曲线时,长焦物镜光学系统传统设计时的畸变为0.6%,而折射/衍射混合系统的畸变为0.1%;广角物镜光学系统传统设计时的畸变为-4%,而折射/衍射混合系统的畸变为-2.5%。长焦物镜光学系统传统设计时的像差为0.054mm,而折射/衍射混合系统中像差仅有0.013mm;广角物镜光学系统传统设计时的像差为0.20mm,而折射/衍射混合系统中像差为0.05mm。可见,折/衍混合型光学系统设计的各项参数指标均优于传统光学系统设计。本文还对磁吸式机械系统进行了设计。磁吸式机械系统将平行光管定位在被测车辆的相应位置上,满足光学测量调整的需求,保证了平行光管对多种车型的被测光学仪器进行准确、快速、可靠地测量。本文提出了将衍射元件应用于大孔径平行光管,并给出了具体的理论分析和设计公式,将衍射理论思想应用于长焦物镜设计,与传统长焦物镜系统设计方法进行了比较,实现了光学系统的优化设计。在成像光学系统设计中,提出了将DOE应用于广角物镜系统的研究,详细论述了具体的设计实例,推导出理论设计结果。本文还对成像光学系统中CCD器件的非线性问题进行了分析,找出了引起CCD产生非线性的原因,给出了校正非线性问题的方法,保证了测量结果的准确性。为保证采用衍射光学技术设计的平行光管系统可用于作为检测军用光学仪器的标准设备,在中科院长春光学精密机械与物理研究所质检中心采用焦距为1600mm,口径160mm,分辨率为8×10-3mrad的标准平行光管对本文设计的平行光管进行了标定。标定结果表明,设计平行光管的实际焦距为500.40mm,角分辨率为1.72″。本文还对平行光管调校误差、CCD测量误差和非测量信号对测量结果的影响进行了分析,在平行光管标定和系统误差分析的基础上,实装进行了光学仪器的各项指标不解体原位数字化检测。测试结果表明,该检测系统能快速、准确测定装甲装备光学仪器的各项战技指标,首次实现了装甲装备光学仪器的综合性不解体原位检测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 衍射光学元件成像技术
• 2.1 DOE的位相分布
• 2.2 DOE的光焦度和色散性质
• 2.2.1 DOE的光焦度
• 2.2.2 DOE的色散性质
• 2.2.3 DOE的部分色散性质
• 2.3 DOE的热特性分析
• 2.3.1 普通折射元件的温度特性
• 2.3.2 衍射元件的温度特性
• 2.3.3 DOE同传统透镜的温度特性比较
• 2.3.4 系统被动消热差分析
• 2.4 DOE的初级像差理论
• 2.5 DOE的衍射效率
• 2.6 折射/衍射消色差系统
• 2.6.1 用 DOE实现消色差
• 2.6.2 混合复消色差系统
• 2.6.3 复消色差系统的初级像差方程
• 2.7 本章小结
• 第三章 平行光管设计
• 3.1 平行光管工作原理
• 3.1.1 平行光管的主要结构
• 3.1.2 平行光管的测量原理
• 3.2 传统平行光管的设计方案
• 3.2.1 长焦复消色差平行光管物镜的设计原理
• 3.2.2 长焦复消色差平行光管物镜的设计方法
• 3.2.3 长焦复消色差平行光管物镜的设计结果
• 3.3 折/衍混合式平行光管
• 3.3.1 混合式光学系统的设计思想
• 3.3.2 混合式光学系统的设计结果
• 3.3.3 衍射面的面型参数
• 3.3.4 对比分析
• 3.4 折/衍混合平行光管系统的被动热差校正系统设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 成像物镜系统设计
• 4.1 光学自动设计理论
• 4.1.1 光学设计中的PW方法
• 4.1.2 评价函数
• 4.1.3 常用的最优化方法
• 4.1.4 边界条件的处理
• 4.2 长焦物镜的技术指标及设计结果
• 4.2.1 物镜传统设计方案
• 4.2.2 折/衍混合式长焦物镜的设计
• 4.2.3 对比分析
• 4.2.4 折/衍混合式长焦物镜的DOE面形特征
• 4.3 广角物镜的技术指标及设计结果
• 4.3.1 广角物镜的传统设计方案
• 4.3.2 折射/衍射混合广角物镜的设计方案
• 4.3.3 对比分析
• 4.4 CCD图像采集与非线性的校正方法
• 4.4.1 CCD器件的工作原理
• 4.4.2 CCD器件产生非线性的原因
• 4.4.3 CCD器件非线性的校正
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁吸式机械定位与调整装置的设计
• 5.1 平行光管定位子系统设计
• 5.1.1 粗定位部分设计
• 5.1.2 微调部分设计
• 5.2 光轴定位子系统设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 标定与测试结果分析
• 6.1 平行光管的标定
• 6.2 实车测试分析
• 6.2.1 测试方法
• 6.2.2 控制软件图形界面
• 6.2.3 数据分析系统
• 6.2.4 测量结果显示
• 6.3 误差分析
• 6.3.1 平行光管调校误差
• 6.3.2 CCD测量误差
• 6.3.3 非测量信号对测量结果的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 具体研究工作
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 读博士期间的主要成绩
• 致谢
• 参考文献