长波红外成像系统复消色差研究

论文摘要

目前,折射式光学系统的二级光谱校正还存在很大问题,特别是红外光学系统,红外材料本来就很少,又缺少特种材料。二元光学元件具有独特的色散特性,它可以相当于一种特殊的红外材料,为二级光谱的校正开辟了新的道路。本论文研究了折/衍混合物镜消二级光谱方法、步骤,推导了三片型光学系统消二级光谱的焦距分配公式。针对长波红外光学系统（焦距100mm,谱段范围812μm,相对孔径0.5,全视场角7o）,设计了复消色差系统。在折/衍混合光学系统的设计过程中采用ZEMAX与MATLAB软件相结合,避免使用传统的P-W法,成功的实现了折/衍混合系统二级光谱的校正,使系统的设计更简单,更方便。另外,本文通过设计分析不同焦距的系统,更全面的对传统光学系统和折/衍混合系统进行了对比分析。论文还从光学设计软件ZEMAX的二元光学面位相方程出发,分析和推导了二元光学的工艺参数,并用计算机模拟出二元光学面的面形,编制了适用于ZEMAX的二元光学工艺参数计算程序,为光学设计和加工提供了参考。分析了压力及温度变化对折/衍光学系统的影响,推导了压力变化对折/衍混合光学系统像面漂移的公式。温度变化时,衍射元件的热膨胀系数只是基体线性材料膨胀系数和像空间介质折射率及其对温度的导数的函数,与基体材料的折射率及其对温度的导数无关。并通过ZEMAX软件模拟,进行离焦分析。最后,本文介绍了二元光学元件制作的光刻技术和一些新的制作工艺,包括薄膜沉积法、激光束或电子束直接写入法和准分子激光加工法。分析了二元光学制作误差,包括线宽误差、对准误差和刻蚀深度误差对衍射效率的影响,并对本课题中的二元光学元件的衍射效率进行了估算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 二级光谱校正方法的研究现状及分析
• 1.2.2 折/衍混合消色差系统的发展现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 复消色差原理及衍射元件的色散特性
• 2.1 三片式消二级光谱的原理
• 2.2 二元光学元件的色散特性
• 2.2.1 二元光学透镜的初级像差特性
• 2.2.2 二元光学透镜的色散分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 复消色差光学系统设计及分析
• 3.1 系统的技术指标
• 3.2 传统光学系统的设计
• 3.2.1 三分离系统
• 3.2.2 两片式系统
• 3.3 折/衍混合复消色差系统的设计
• 3.4 折/衍射系统与传统系统的对比分析
• 3.4.1 结构的对比分析
• 3.4.2 色差的对比分析
• 3.5 二元光学工艺参数计算
• 3.5.1 二元光学设计参数
• 3.5.2 二元光学工艺参数的计算
• 3.5.3 具体参数计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 环境变化对折/衍混合光学系统的影响
• 4.1 环境气压对设计的影响
• 4.1.1 环境气压对衍/折光学系统的影响
• 4.1.2 压力对象面移动的影响
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 环境温度对设计的影响
• 4.2.1 温度对衍/折光学系统的影响
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 二元光学元件的制作及误差分析
• 5.1 二元光学元件的制作技术
• 5.1.1 光刻法
• 5.1.2 薄膜沉积法
• 5.1.3 激光直接写入法
• 5.1.4 准分子激光加工
• 5.2 二元光学元件的衍射效率
• 5.3 加工误差对衍射效率的影响
• 5.3.1 对准误差
• 5.3.2 线宽误差
• 5.3.3 相位深度误差
• 5.4 衍射效率的估算
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 相关程序
• 致谢