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双波段红外变焦光学系统设计

作　者: 张淼
导　师: 龙夫年
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 双波段红外变焦系统机械补偿折/衍混合系统
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来随着红外热成像技术的迅速发展与红外探测器性能的提高，双波段红外变焦系统已经成为各国红外技术发展、应用的一个重要方向。与传统的定焦镜头相比，双波段红外变焦距系统具有不可比拟的优势：一方面它可以实现大视场搜索，小视场仔细观察目标，另一方面双波段系统能够同时获取目标的长波红外和中波红外的信息，所获得的信息量是单一波段的一倍以上。本文首先总结了双波段红外变焦系统的设计理论，基于初级像差理论，利用CODE V设计了两种不同的成像系统，分别为传统的折射式双波段红外变焦系统与折/衍混合变焦系统，并对折射式系统进行了公差分配。首先，对双波段系统的成像特点进行了总结与比较，选择了合适的成像方式及双波段成像探测器；并且根据所选探测器的指标参数，结合工程光学理论，计算了系统的各项指标参数；进而基于辐射传输理论计算了系统的探测信噪比，论证了在规定的探测距离内，系统获取的辐射能量是否满足信号提取要求。其次，对比分析了变焦系统不同补偿方式的特点，选择了合适的变焦补偿方式；并且基于高斯光学理论建立了正组机械补偿变焦系统的变焦方程，并详细论述了方程解的特点，为计算变焦系统的初始结构做了理论准备。再次，对适用于各波段的红外材料进行了特性分析，选择了设计材料；基于初级像差理论，利用CODE V，设计了一个焦距范围为45~300mm，波段范围分别为3.7~4.8μm/7.7~10.3μm，F#等于2的正组机械补偿双波段红外变焦光学系统。并通过查看系统的传递函数、点列图及光线像差曲线等方式对系统的成像质量进行了评价，长波处的传递函数在空间截止频率20lp/mm处达到0.4以上，中波达到0.5以上，并且各波长结构的点列图直径均小于探测器的尺寸，进一步分析各波段的垂轴色差，得出系统的色差在0.2μm以下。最后根据实际加工使用要求，利用反转灵敏度分析法对光学系统进行了公差分配，最终给出了一套较宽松的公差容限。最后，总结了二元光学元件与传统的折射元件在光学特性上的差异，在传统方式设计的镜头中加入了衍射面进行进一步的优化设计，然后对折/衍混合系统的成像质量与传统透镜的成像进行了对比分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题来源及研究目的和意义  9-10
  1.2 国内外双波段红外变焦光学系统的研究现状  10-17
    1.2.1 国外双波段红外变焦光学系统的研究状况  10-14
    1.2.2 国内双波段红外变焦光系统的研究状况  14-17
  1.3 双波段红外探测的发展现状  17-20
  1.4 本文的主要研究内容  20-21
第2章双波段红外变焦光学系统技术参数与指标论证  21-28
  2.1 双波段红外探测器选取  21-22
  2.2 光学系统的指标论证  22-23
  2.3 探测信噪比计算  23-26
  2.4 本章小结  26-28
第3章变焦光学系统初始结构计算理论  28-33
  3.1 变焦系统补偿方式选取  28-29
  3.2 机械补偿变焦系统的高斯解分析  29-32
    3.2.1 正组补偿变焦系统计算公式推导  30-31
    3.2.2 正组补偿变焦系统高斯解范围确定  31-32
  3.3 本章小结  32-33
第4章双波段红外变焦系统设计  33-59
  4.1 光学系统材料的选取  33-35
  4.2 双波段红外变焦光学系统初始结构选取  35-41
  4.3 双波段红外变焦系统的优化设计  41
  4.4 优化后的双波段红外变焦系统  41-44
  4.5 系统成像质量评价  44-53
    4.5.1 长波在各焦点处的像质评价  45-49
    4.5.2 中波在各焦点处的像质评价  49-53
  4.6 双波段红外变焦光学系统公差分析  53-58
  4.7 本章小结  58-59
第5章利用衍射元件设计双波段红外变焦光学系统  59-73
  5.1 折/衍混合透镜消像差理论  59-61
  5.2 折/衍混合透镜设计结果与像质分析  61-69
  5.3 衍射透镜的面型特性分析  69-72
  5.4 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-78
攻读学位期间发表的学术论文  78-80
致谢  80

双波段红外变焦光学系统设计

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