折/衍混合红外物镜的超宽温消热差研究

论文摘要

大多数军用和空间光学仪器的工作环境温度变化范围都较大,温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都将发生变化,同时元件基体材料的折射率和所在介质的折射率也将发生变化。由于红外光学材料的折射率温度系数dn/dT较大,环境温度对红外光学系统的影响显得尤为严重。因此在红外成像系统中不得不加入主动或被动补偿机构,以补偿温度变化造成像面移动所引起的系统性能的降低。补偿的方式有机械式、机电式和光学式三种。其中光学被动补偿方式由于具有结构相对简单、尺寸小、重量轻和系统可靠性高等特点而受到特别的重视。近年来,由于二元光学元件（BOE）在理论和加工工艺上取得了进展,采用二元光学元件的折/衍混合光学系统,凭借其具有更多的设计自由度和独特的温度特性,可以用更为简单的结构实现系统像面的自动温度补偿。本文首先介绍了环境温度对光学系统性能的影响及各种补偿方法,论述了二元光学元件的成像理论,分析了温度变化对二元光学元件衍射效率的影响,同时介绍了二元光学元件的加工方法。根据物面位于无限远时实现消热差的通用条件,设计了波段3.7～4.8μm,焦距140mm,F/#2,全视场角±2.5°,工作温度范围-40～60℃,空间频率17lp/mm的折/衍混合红外消热差系统和传统折射式系统。对二者进行比较,分析了二元面在校正系统像差、简化系统结构方面的作用,验证了二元光学元件在消热差和提高像质方面的特性。在-40～60℃的温度范围内系统成像质量接近衍射极限,得出了采用二元光学元件的折/衍混合红外系统具有良好的消热差能力的结论。通过分析二元光学面的加工工艺,从二元光学面的位相方程出发,得到其工艺参数,并对衍射效率进行估算,为工艺加工提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 二元光学技术国内外研究概况
• 1.3 消热差技术国内外研究概况
• 1.4 本论文的研究意义和主要研究内容
• 第2章 温度对光学系统性能的影响及消热差方法
• 2.1 无源和有源温度场中的温度分布
• 2.2 温度变化对光学系统性能的影响
• 2.3 光学系统的消热差方法
• 2.3.1 机械主动式消热差
• 2.3.2 机械被动式消热差
• 2.3.3 光学被动式消热差
• 2.4 本章小结
• 第3章 二元光学元件的成像理论及加工技术
• 3.1 二元光学元件的成像理论
• 3.1.1 二元光学透镜的初级单色像差
• 3.1.2 二元光学元件的色散性质
• 3.1.3 二元光学透镜的部分色散及二级光谱的校正
• 3.2 环境温度对二元光学元件的影响
• 3.3 二元光学元件的加工制作方法概述
• 3.3.1 多台阶二元光学元件加工工艺
• 3.3.2 连续位相二元光学元件加工工艺
• 3.4 本章小结
• 第4章 红外消热差系统的设计
• 4.1 消热差系统设计理论
• 4.1.1 实现消热差的一般条件
• 4.1.2 消热差的误差容限
• 4.1.3 折射和衍射光学元件的热差系数和色差系数
• 4.2 传统折射式系统的设计
• 4.3 折/衍混合红外消热差光学系统的设计
• 4.3.1 材料的选择和初始结构的确定
• 4.3.2 优化设计步骤
• 4.3.3 设计结果及像质评价
• 4.4 本章小结
• 第5章 折/衍混合红外消热差系统性能分析
• 5.1 采用二元光学元件的系统优越性分析
• 5.2 二元面加工工艺分析
• 5.2.1 二元面工艺参数的确立
• 5.2.2 衍射效率分析
• 5.2.3 加工工艺的确定
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢