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红外变焦距光学系统设计

作　者: 孙宏宇
导　师: 龙夫年
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 红外变焦系统机械补偿消温差光学设计
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

伴随着红外技术的发展,研究并设计红外变焦距光学系统以代替传统的定焦距红外系统已经成为红外技术发展、应用的一个重要方向。相比于定焦距系统,变焦距系统具有不可比拟的优势:它既可以在大视场范围内以小倍率的方式探测、搜索目标,又可以在小视场范围内以大倍率的方式对目标详细观察,这都是定焦距系统无法实现的。本文在总结国内外红外变焦系统的发展趋势,分析红外系统的相关特性,讨论变焦系统的变焦方法和补偿方式后,设计一个焦距范围为25~100mm,波段范围为8~12μm,F/1的机械负组补偿红外连续变焦距光学系统,从设计结果的点列图和传函图可分析出,该系统在整个变焦范围内,像质良好,像面稳定,系统传函在20lp/mm时接近衍射极限。大多数军用仪器应用于野外,其工作环境温度范围较大,温度的变化势必会影响光学系统性能,由于红外光学材料的折射率温度系数较大,环境温度对红外系统的影响显得尤为明显,特别是系统会产生离焦现象,因此在设计红外光学系统时必须要考虑加入温度补偿来消除像面的离焦。通过分析红外系统温度补偿的几种方法后,采用机械主动温度补偿方法,利用变焦系统内部变倍组和补偿组的附加移动对红外变焦系统在-10~40℃的温度范围内进行消温差设计,最终结果显示,在-10~40℃的温度范围内,系统在变焦的过程中,传函在20lp/mm时接近衍射极限,像面稳定,像质良好。为满足设计的应用,对此红外变焦系统进行误差分析和公差分配,利用ZEMAX软件的反转灵敏度分析功能,给出一套满足加工工艺要求比较低的系统公差。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-13
  1.1 课题研究意义与背景  7-8
  1.2 红外变焦系统发展现状  8-11
    1.2.1 红外变焦系统在国外的发展状况  8-11
    1.2.2 红外变焦系统在国内的发展状况  11
  1.3 研究主要内容  11-13
第2章红外光学系统特性  13-18
  2.1 红外光学系统目标辐射特性计算  13-14
  2.2 红外光学系统大气透过率计算  14-15
  2.3 红外光学系统探测距离计算  15
  2.4 红外光学系统温度特性  15-16
  2.5 本章小结  16-18
第3章变焦光学系统的设计理论  18-36
  3.1 变焦光学系统补偿方法  18-19
  3.2 变焦系统及变焦方程  19-31
    3.2.1 变焦系统的几个规律  19-23
    3.2.2 机械补偿系统及其变焦方程  23-28
    3.2.3 其它变焦系统及其变焦方程  28-31
  3.3 机械补偿变焦系统的高斯解分析  31-35
    3.3.1 正组补偿变焦系统高斯解分析  31-32
    3.3.2 负组补偿变焦系统高斯解分析  32-33
    3.3.3 两种补偿系统的比较  33-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章红外变焦距光学系统设计  36-54
  4.1 光学自动优化概述  36-38
    4.1.1 自动优化设计概述  36-37
    4.1.2 自动优化设计过程  37-38
  4.2 红外变焦系统设计  38-52
    4.2.1 系统设计目的  38-39
    4.2.2 系统参数的确定  39-41
    4.2.3 系统设计过程  41-50
    4.2.4 系统成像质量评价  50-52
  4.3 变焦曲线模拟  52-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章系统消温差与公差分析  54-66
  5.1 消温差设计  54-61
    5.1.1 消温差前系统像质分析  54-57
    5.1.2 消温差设计  57-58
    5.1.3 消温差后系统像质分析  58-61
  5.2 变焦系统公差分析  61-65
    5.2.1 系统公差分配  62-63
    5.2.2 系统短焦公差分析  63-64
    5.2.3 系统长焦公差分析  64-65
  5.3 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
致谢  71

红外变焦距光学系统设计

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