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中波红外大相对孔径非制冷热像仪光学系统的研究

作　者: 刘琳
导　师: 薛鸣球
学　校: 苏州大学
专　业: 光学工程
关键词: 中波红外大相对口径消热差非制冷探测器空间成像光学设计
分类号: TN214
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

非制冷热成像技术是当前红外热成像技术的重要发展方向之一。基于非制冷探测器发展低成本、用于高温事件探测的中波红外热成像系统具有广泛的应用前景。非制冷探测器具有重量轻、体积小、功耗低、稳定性好等优点,但其辐射响应率低。针对中波红外非制冷探测器辐射响应率低的不足,本文开展大相对孔径中波红外光学系统的研究。研制出的大相对孔径光学系统具有成像质量好、适用环境温度范围宽、尺寸小、重量轻、结构紧凑的优点,适于作为微小卫星平台上的空间成像系统。本文首先提出论文所要研究的问题,介绍国内外非制冷红外成像系统的研究现状,指出开展本课题研究的意义和应用价值。第二章从探测地球表面高温事件的使用要求出发,结合当前中波红外非制冷探测器的性能,计算确定光学系统的焦距、相对孔径和视场角。进一步从光学系统基本参数出发,比较分析现有光学系统类型和结构型式,确定使用折射或折/衍混合匹兹伐物镜结构型式。第三章详细分析环境温度变化对红外光学系统成像质量的影响,指出在空间环境温度变化条件下,热离焦量远远超出了焦深范围,必须消除热差的影响。通过比较各种消热差的方法,选择了重量轻、无功耗、可靠性好的光学被动消热差方法,给出实现光学被动消热差需满足的一般关系式。第四章介绍消热差折射光学系统的设计。根据光学被动消热差和消色差条件,利用热差图选择折射光学系统材料和分配光焦度。指出在本课题系统参数的条件下,匹兹伐结构至少需要四块透镜才能得到满足消热差、消色差和光焦度要求的解。运用初级像差理论求解折射系统的初始结构,挑选高级球差较小的解作为初始结构并进行优化设计。第五章详细论述了消热差折/衍混合光学系统的设计。阐述衍射元件的热差和色差特性,表明衍射元件具有的特殊热差和色差性能,相当于一种特殊的红外材料。使用衍射元件几乎不增加系统的重量,在匹兹伐物镜的前组引入衍射元件能够减少一片大尺寸的折射透镜,减轻系统的总重。通过热差图确定折/衍混合系统的材料和光焦度分配。介绍了衍射元件的单色像差特性,运用初级像差理论求出折/衍混合系统的初始结构。对折/衍混合系统和折射系统的优化设计结果进行比较,折/衍混合系统具有总重量轻的突出优势。随后对折/衍混合结构系统的加工和装调公差进行优化分配,获得易于实现的设计结果。第六章介绍了金刚石单点车削技术加工光学非球面和衍射面的方法,成功完成了前表面为非球面、后表面为衍射面的锗的折/衍混合透镜的加工。设计了光机结构和装调方案,给出了研制结果。最后对整个光学系统的MTF进行了测试,测试结果表明系统不仅在常温状态下成像质量良好,并且在一定的温度变化范围内保持较稳定的成像质量。最后,对论文主要内容和创新点进行总结,指出下一步需要开展的工作。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章前言  12-23
  1.1 问题的提出  12-15
    1.1.1 发展新一代红外成像技术的需要  12-13
    1.1.2 对地球表面高温事件探测的需要  13-15
  1.2 国内外非制冷成像系统的研究状况  15-18
    1.2.1 国外研究现状  15-17
    1.2.2 国内研究现状  17-18
  1.3 开展本论文工作的主要意义  18-19
  1.4 论文的主要内容  19-21
  参考文献  21-23
第二章光学系统基本参数和结构选型  23-44
  2.1 系统性能指标确定  23-24
  2.2 红外非制冷探测器  24-27
    2.2.1 非制冷探测器分类和选用  25
    2.2.2 微测辐热计型非制冷探测器的性能  25-27
  2.3 光学系统基本参数计算  27-35
    2.3.1 工作波段的选取  27-28
    2.3.2 焦距和视场角的确定  28-29
    2.3.3 通光口径的确定  29-35
  2.4 光学系统结构选型  35-40
    2.4.1 光学系统类型选择  36-37
    2.4.2 光学结构型式选择  37-40
  2.5 本章小结  40-41
  参考文献  41-44
第三章温度变化对光学系统的影响  44-59
  3.1 红外光学材料特性  44-45
  3.2 温度变化对折射系统的影响  45-52
    3.2.1 初级位置热像差  46-47
    3.2.2 初级倍率热像差  47-50
    3.2.3 薄透镜系统的热像差  50-52
  3.3 消除热离焦量的必要性  52-55
  3.4 消热差方法  55-56
  3.5 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第四章消热差折射系统光学设计  59-84
  4.1 折射系统的消色差  59-60
  4.2 热差图法确定折射系统的材料  60-67
    4.2.1 热差图的表示和求解原理  60-63
    4.2.2 热差图确定折射系统的材料  63-67
  4.3 折射系统初始结构计算  67-77
    4.3.1 折射系统的外部参数  68-69
    4.3.2 薄透镜系统的初级像差公式  69-70
    4.3.3 像差参量P、W 与结构参数的关系  70-72
    4.3.4 像差分析与初始结构的求解  72-77
  4.4 折射系统的优化设计及其结果  77-82
  4.5 本章小结  82-83
  参考文献  83-84
第五章消热差折/衍混合光学系统设计  84-112
  5.1 衍射元件的成像特性  84-91
    5.1.1 衍射元件工作原理  84-86
    5.1.2 衍射元件的热差和色差特性  86-89
    5.1.3 衍射元件的单色像差特性  89-91
  5.2 折/衍混合系统的光学材料  91-92
  5.3 折/衍混合系统的初始结构计算  92-98
  5.4 折/衍混合系统的优化设计  98-103
  5.5 两种光学设计结果比较  103-105
  5.6 公差计算  105-108
    5.6.1 公差计算的方法  105-106
    5.6.2 公差分析过程及其结果  106-108
  5.7 本章小结  108-110
  参考文献  110-112
第六章光学系统的研制与性能测试  112-132
  6.1 非球面的加工和检测  112-113
  6.2 衍射面的加工  113-119
  6.3 光学系统的机械机构  119-123
  6.4 系统性能测试  123-130
    6.4.1 透过率测试  123-124
    6.4.2 MTF 测试  124-128
      6.4.2.1 MTF 的测试条件  125-126
      6.4.2.2 MTF 的测试结果  126-128
    6.4.3 热成像实验  128-130
  6.5 本章小结  130-131
  参考文献  131-132
第七章总结与展望  132-134
攻读博士学位期间参加的学术会议  134
攻读博士学位期间发表的论文  134
攻读博士学位期间参加的科研项目  134-135
致谢  135-136

中波红外大相对孔径非制冷热像仪光学系统的研究

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