离轴折反射式中波红外连续变焦光学系统研究

论文摘要

随着当今世界探测技术的飞速发展，对光学探测技术提出了新的要求，尤其是对大口径、长焦距等方面的连续变焦光学系统的需求更加的迫切。但是现有的设计型式不能完全满足新的设计要求，所以解决大口径、长焦距红外连续变焦系统的设计问题成为目前连续变焦系统设计的关键。针对红外连续变焦系统新的设计需求，本文提出了离轴折反射式的设计方法，并着重研究了红外连续变焦系统的被动无热化设计，分析了杂散辐射对信噪比的影响。主要的具体研究内容如下：1、分析现有各种红外连续变焦系统的设计型式，对比各种型式优缺点，提出了离轴折反射式的设计思路。将红外连续变焦系统分为离轴反射式无焦系统和后组透射式连续变焦系统两部分设计，根据光瞳匹配和冷光阑匹配将两分系统组合起来进行统一优化。设计出了大口径、长焦距、无遮拦且满足100%冷光阑效率的离轴折反射红外连续变焦系统。2、针对红外光学系统对温度变化敏感，系统成像质量随温度变化较大的问题，提出了对连续变焦系统进行折衍混合消热差设计。根据连续变焦系统的光焦度分配公式和折衍混合系统消热差公式，推导出了连续变焦系统的无热化设计理论公式。并以此为基础，对后组透射式连续变焦系统在-30℃～+50℃温度范围内进行无热设计，使系统各个焦距位置在此温度范围内具有良好的成像质量，以满足红外连续变焦系统在温度变化较大的恶劣环境中的使用要求。3、分析了杂散辐射的来源及其辐射特性，研究了分析抑制杂散辐射的方法和步骤，并根据本文所设计连续变焦系统研究了杂散辐射抑制技术。建立了杂散辐射分析抑制模型和杂散辐射对光学系统信噪比与传递函数的影响模型。得出太阳、天空背景、系统自身热辐射等杂散辐射的等效光子数形式，将各种来源的杂散辐射等效为到达像面的光子数，从而得出等效光子信噪比。4、建立了鬼像对成像影响的模型，分析了扩展源目标中的亮点源在像面上的照度与主像的照度之比。对红外系统的冷反射现象进行分析，推导得出冷反射等效温度差异系数。并以此分析了本文所设计系统的鬼像和冷反射现象，得出结果为鬼像照度为主像照度的万分之一量级，系统各个表面冷反射等效温度差异小于探测器最小可探测温差。最终研究结果表明：本文所设计的大口径长焦距中波红外连续变焦系统成像质量良好，机械结构简单，杂散辐射对成像信噪比影响较小，满足设计指标要求。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 红外连续变焦系统相关技术发展概况
• 1.2.1 红外连续变焦系统设计发展现状
• 1.2.2 红外系统光学被动无热化设计概况
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 论文工作的主要内容
• 1.3.2 论文的结构安排
• 参考文献
• 第二章 离轴折反式连续变焦系统设计原理
• 2.1 引言
• 2.2 离轴两镜系统设计原理
• 2.2.1 离轴反射系统
• 2.2.2 离轴无光焦度两镜系统设计原理
• 2.3 连续变焦系统设计原理
• 2.3.1 变焦系统的高斯光学
• 2.3.2 用P，W法求解变焦系统的初始结构
• 2.4 离轴折反式连续变焦系统设计原理
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 红外连续变焦系统被动无热化设计
• 3.1 引言
• 3.2 均匀温度变化对光学系统的影响
• 3.3 衍射光学透镜设计
• 3.3.1 二元光学涉及的领域
• 3.3.2 衍射光学元件的几何光线追迹
• 3.3.3 衍射透镜参数计算
• 3.4 光学系统被动无热化设计原理
• 3.4.1 光学系统的热差及消热差条件
• 3.4.2 HOS（折/衍混合）消热差设计
• 3.5 连续变焦系统无热方程
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 红外连续变焦系统杂散辐射分析与抑制
• 4.1 红外探测系统杂散辐射特性分析
• 4.1.1 太阳杂散辐射
• 4.1.2 天空背景杂散辐射
• 4.1.3 红外光学系统内部杂散辐射
• 4.1.4 大气传输特性对红外辐射的影响
• 4.2 红外探测系统杂散辐射数理模型
• 4.2.1 几何杂散辐射分析的基本概念
• 4.2.2 杂散辐射分析分析计算的方法和步骤
• 4.3 杂散辐射对红外探测系统成像质量影响分析
• 4.3.1 杂散辐射对系统信噪比的影响
• 4.3.2 杂散辐射对系统调制传递函数的影响
• 4.3.3 鬼像分析
• 4.4 红外探测系统杂散辐射抑制技术研究
• 4.4.1 无焦系统遮光罩的设计和计算
• 4.4.2 挡光环的设计和计算
• 4.4.3 光阑的设计
• 4.4.4 红外系统表面涂层
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 离轴折反式中波红外连续变焦系统设计实例
• 5.1 光学系统设计参数的确定
• 5.1.1 系统性能要求
• 5.1.2 系统设计参数的计算
• 5.2 光学系统设计结果及像质评价
• 5.2.1 系统初始结构选择
• 5.2.2 系统设计结果
• 5.2.3 系统像质评价
• 5.2.4 公差分析
• 5.3 红外变焦系统被动无热设计
• 5.4 红外变焦系统杂散辐射抑制
• 5.4.1 仿真模型的建立
• 5.4.2 仿真结果
• 5.4.3 杂散辐射对探测能力的影响
• 5.5 鬼像分析
• 5.6 红外变焦系统冷反射分析
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 创新点说明
• 6.3 研究展望
• 作者简介及攻读博士期间发表的学术论文