折/衍混合红外双视场光学系统设计

论文摘要

红外成像系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强,以及能在一定程度上识别伪装目标等优点,其在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等方面。对于红外系统的需求日益增加,要求也不断提高,客观上促进了红外变焦系统发展。红外变焦光学系统按变焦过程中焦距是否连续变化分为连续变焦、两档变焦、三档变焦等。红外两档变倍光学系统相对连续变焦系统具有径向尺寸小、切换速度快、成像质量好、装配简单等特点,具备大视场搜索目标,小视场仔细观察目标的功能。另一方面,由于红外材料价格昂贵,同时系统透镜片数过多,会导致系统透射比下降,在这种情况下,衍射光学元件所具有的消色差、简化系统结构等优点,使得在传统红外多视场光学系统中引入衍射元件成为解决上述问题的有效途径。故而研究成像质量好、轻量化、折/衍混合的红外双视场系统设计具有重要的意义。本文介绍了衍射混合红外变焦系统的国内外发展情况,分析了中波红外系统的设计关键并在此基础上提出折/衍混合和二次成像的光学结构,并从衍射元件衍射效率出发,分析了加工公差对系统成像质量的影响,以此作为设计中使用衍射面的依据。同时阐述了变焦系统高斯理论运算,以此获得双视场光学系统的初始结构参数,然后根据设计要求,设计出了轻量化的折/衍混合的中波红外双视场系统,简述了设计过程,评价了系统的像质,并分析了系统冷反射强度和测温精度,估算出了红外系统的作用距离。最后研究了红外光学系统无热化技术中的三种温度补偿方式,分析了三种温度补偿方法的优缺点,并结合设计要求选取主动温度补偿方式,给出了系统温度补偿曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1 章绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外制冷型红外双视场变倍光学系统研究进展
• 1.2.1 国内制冷型红外双视场变倍光学系统发展现状
• 1.2.2 国外制冷型红外双视场变倍光学系统发展现状
• 1.3 国内外衍射元件应用研究进展
• 1.4 研究内容
• 第2 章衍射光学元件的光学特性
• 2.1 衍射光学元件的色散特性
• 2.2 球面基底的衍射光学元件的初级像差
• 2.3 衍射光学元件的衍射效率
• 2.4 衍射元件加工公差
• 2.4.1 环带深度公差
• 2.4.2 环带间隔公差
• 2.4.3 表面不规则性公差
• 2.5 本章小结
• 第3 章变焦系统的理论分析
• 3.1 两类基本的变焦系统
• 3.2 其他变焦系统
• 3.3 两档变倍光学系统
• 3.3.1 两档光学系统结构类型
• 3.3.2 双视场光学系统结构参数公式推导
• 3.4 本章小结
• 第4 章折衍混合红外双视场光学系统设计
• 4.1 红外双视场系统主要设计指标
• 4.2 光学设计思想
• 4.2.1 光学系统初始结构的分析与选择
• 4.2.2 透镜材料选择
• 4.2.3 探测器的选择
• 4.2.4 光学系统初始结构参数计算
• 4.3 双视场光学系统设计
• 4.3.1 七片透镜结构的优化结果
• 4.3.2 六片式红外双视场光学系统设计
• 4.4 光学系统性能分析
• 4.4.1 冷反射分析
• 4.4.2 作用距离估算
• 4.4.3 测温精度
• 4.5 本章小结
• 第5 章双视场光学系统温度补偿与调焦
• 5.1 红外光学材料特性分析
• 5.2 温度补偿方式
• 5.3 双视场光学系统温度补偿
• 5.4 物距调焦特性
• 5.5 本章小结
• 第6 章总结
• 6.1 论文具体的研究工作
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢