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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

刘琳  
【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。


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