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机载大口径长焦距折衍混合非球面红外光学系统设计

熊衍建  
【摘要】:本课题在分析红外光学系统现状以及国内外发展趋势的基础上,根据机载红外光学系统的特殊要求(宽温度范围、口径大等),研究了大口径红外光学系统的理论方法,包括:红外光学材料的确定,光学非球面和二元光学元件的表示方法,像差理论,设计中应注意的问题,以及加工检验技术。 提出了机载红外光学系统的设计方法,包括:光学系统基本参数的选择,初始参数的求解和像质的评价方法。具体设计了一个250mm口径、1000mm焦距的折衍混合非球面红外光学系统。该系统在传统折衍混合系统的基础上加上了非球面,视场角为±0.3o,工作温度范围为-40~60℃。通过光学设计软件Zemax优化之后,在工作温度范围内的成像质量变化较小。在空间频率10(lp/mm)处,MTF保持在0.4以上,几何点直径控制在20μm以内。与传统的红外光学系统相比,该系统具有适装性好、工作温度范围较宽、MTF变化较小、接近衍射极限、易于加工装调等优点。 对共轴三反结构、匹兹伐结构与折衍混合非球面结构的大口径红外光学系统进行设计比较。共轴三反结构能够得到良好像质,而且系统体积小,但是存在中心遮拦的问题,装调比较困难。匹兹伐结构优化之后像质能够满足要求,但是系统长度长、质量大,而且透镜材料受温度影响严重。而折衍混合非球面结构在满足像质的条件下,系统体积小、质量轻,更适合于机载工作环境条件下工作。 设计结果表明,该机载折衍混合非球面红外光学系统可以达到所提出的技术指标的要求,其设计方法可用于空中恶劣环境条件下红外光学系统设计。该课题对于高性能机载红外系统的发展具有重要作用和意义。


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