中波紅外大相對孔徑非制冷熱像儀光學系統(tǒng)的研究.pdf

1、非制冷熱成像技術是當前紅外熱成像技術的重要發(fā)展方向之一。基于非制冷探測器發(fā)展低成本、用于高溫事件探測的中波紅外熱成像系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。非制冷探測器具有重量輕、體積小、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但其輻射響應率低。針對中波紅外非制冷探測器輻射響應率低的不足，本文開展大相對孔徑中波紅外光學系統(tǒng)的研究。研制出的大相對孔徑光學系統(tǒng)具有成像質量好、適用環(huán)境溫度范圍寬、尺寸小、重量輕、結構緊湊的優(yōu)點，適于作為微小衛(wèi)星平臺上的空間成像系統(tǒng)。

2、　　 本文首先提出論文所要研究的問題，介紹國內外非制冷紅外成像系統(tǒng)的研究現狀，指出開展本課題研究的意義和應用價值。第二章從探測地球表面高溫事件的使用要求出發(fā)，結合當前中波紅外非制冷探測器的性能，計算確定光學系統(tǒng)的焦距、相對孔徑和視場角。進一步從光學系統(tǒng)基本參數出發(fā)，比較分析現有光學系統(tǒng)類型和結構型式，確定使用折射或折/衍混合匹茲伐物鏡結構型式。
　　 第三章詳細分析環(huán)境溫度變化對紅外光學系統(tǒng)成像質量的影響，指出在空間環(huán)境溫度變

3、化條件下，熱離焦量遠遠超出了焦深范圍，必須消除熱差的影響。通過比較各種消熱差的方法，選擇了重量輕、無功耗、可靠性好的光學被動消熱差方法，給出實現光學被動消熱差需滿足的一般關系式。
　　 第四章介紹消熱差折射光學系統(tǒng)的設計。根據光學被動消熱差和消色差條件，利用熱差圖選擇折射光學系統(tǒng)材料和分配光焦度。指出在本課題系統(tǒng)參數的條件下，匹茲伐結構至少需要四塊透鏡才能得到滿足消熱差、消色差和光焦度要求的解。運用初級像差理論求解折射系統(tǒng)的初始

4、結構，挑選高級球差較小的解作為初始結構并進行優(yōu)化設計。
　　 第五章詳細論述了消熱差折/衍混合光學系統(tǒng)的設計。闡述衍射元件的熱差和色差特性，表明衍射元件具有的特殊熱差和色差性能，相當于一種特殊的紅外材料。使用衍射元件幾乎不增加系統(tǒng)的重量，在匹茲伐物鏡的前組引入衍射元件能夠減少一片大尺寸的折射透鏡，減輕系統(tǒng)的總重。通過熱差圖確定折/衍混合系統(tǒng)的材料和光焦度分配。介紹了衍射元件的單色像差特性，運用初級像差理論求出折/衍混合系統(tǒng)的初始

5、結構。對折/衍混合系統(tǒng)和折射系統(tǒng)的優(yōu)化設計結果進行比較，折/衍混合系統(tǒng)具有總重量輕的突出優(yōu)勢。隨后對折/衍混合結構系統(tǒng)的加工和裝調公差進行優(yōu)化分配，獲得易于實現的設計結果。
　　 第六章介紹了金剛石單點車削技術加工光學非球面和衍射面的方法，成功完成了前表面為非球面、后表面為衍射面的鍺的折/衍混合透鏡的加工。設計了光機結構和裝調方案，給出了研制結果。最后對整個光學系統(tǒng)的MTF進行了測試，測試結果表明系統(tǒng)不僅在常溫狀態(tài)下成像質量良好