红外成像光学系统设计

论文摘要

近年来,随着科学技术的迅猛发展,特别是红外探测器技术的进步,新材料的出现及制作工艺的日益完善,红外成像系统越来越多地应用于军用和民用各个领域。红外光学系统是红外成像系统不可分割的重要组成部分,它用于收集来自目标和背景的红外辐射,并将其汇聚到红外探测器的光敏面上,以便形成目标和背景的图像。随着红外探测器器件的不断升级换代,以及各种应用对红外探测系统要求的不断提高,对红外光学系统的性能和优化设计也提出了更高的要求。在这种情况下,研究红外成像光学系统的设计无疑具有重要意义。本文对光学系统设计的工程光学的基本理论和设计方法进行了阐述,分析光学系统的光学特性和成像质量与系统的结构参数关系,进而讨论了如何减小系统的像差。针对红外成像光学系统的特点和设计原则,讨论了红外光学材料的选择原则并对其加工技术进行介绍,并以对红外材料的可加工性和经济性选择出红外材料;选择了红外成像的系统类型为双反射镜系统,推导了红外成像双反射镜系统物镜设计的关系式。当由红外装置所要求的焦点到主镜面距离和系统焦距确定后,根据红外成像消像差的要求,确定出双反射系统主镜和副镜的非球面类型。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性,并通过光学设计软件Zemax进行模拟与仿真,给出光学系统的3D Layout图,即光学系统的综合误差。同时Zemax软件也给出系统不同视场的传递函数图、中心点亮度图和点列图,从这些图中可以看到双反射镜系统的主镜和副镜为双曲面有良好的成像质量,满足红外成像系统的要求,能够达到预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 本课题的研究内容和主要任务
• 2 光学系统设计基础
• 2.1 几何光学的基本定律
• 2.2 理想光学系统
• 2.3 光学系统对光束的限制
• 2.3.1 光学系统的有效孔径和聚光能力
• 2.3.2 光学系统的视场
• 3 光学系统的像差理论
• 3.1 球差
• 3.1.1 球差定义
• 3.1.2 初级球差系数
• 3.2 慧差
• 3.3 像散与像面弯曲
• 3.4 畸变
• 3.5 色差
• 3.5.1 轴向色差——沿光轴度量的色差
• 3.5.2 垂轴色差——沿垂轴方向度量的色差
• 3.6 几何像差综述
• 3.6.1 初级像差表示式
• 3.6.2 结论
• 4 红外成像光学系统的像质评定
• 4.1 光学系统的传递函数
• 4.1.1 图像的分解和合成
• 4.1.2 光学传递函数
• 4.1.3 光学传递函数的计算
• 4.1.4 利用光学传递函数评价成像质量
• 4.2 传统像质评价方法
• 4.2.1 S.D.评价标准
• 4.2.2 瑞利λ/4 波像差判据
• 4.2.3 点列图
• 5 红外成像光学系统设计
• 5.1 红外成像光学系统的特点
• 5.2 红外成像光学系统的设计原则
• 5.3 红外光学系统的主要参数
• 5.3.1 F 数
• 5.3.2 视场
• 5.3.3 焦深和景深
• 5.3.4 最小弥散斑及其角直径
• 5.4 红外光学材料的选择
• 5.4.1 红外光学材料的主要性能
• 5.4.2 红外光学材料的种类
• 5.5 系统类型选择
• 5.5.1 反射系统的基本结构式
• 5.5.2 双反射镜系统的性能参数
• 5.6 红外成像双反射镜系统的物镜设计
• 5.6.1 双反射系统的结构设计及关系式推导
• 5.6.2 双反射镜系统初级像差与非球面面型的关系
• 5.6.3 双反射镜系统主次镜面型的确定
• 5.7 红外成像双反射镜系统的物镜设计实例
• 6 结束语
• 6.1 毕业论文中主要研究内容及完成工作
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录