長焦距寬光譜紅外雙波段消熱差探測成像光學系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著現代科學技術和探測器工藝水平的不斷發(fā)展進步，共孔徑紅外雙波段消熱差熱成像技術在空間領域和國防工業(yè)中的應用越來越廣泛。共孔徑紅外雙波段消熱差光學技術考慮了對目標探測雙波段的需求和對環(huán)境溫度變化消熱差的需求，應用不同波長的紅外波段復合探測目標，可以提高系統(tǒng)的識別能力和識別速度，同時可以在惡劣環(huán)境溫度下工作，此外在保證準確獲取目標信息提高目標跟蹤識別能力的同時，還可以降低光電探測設備的成本，減小設備的整機尺寸，減輕設備的重量，這對于空間光

2、學儀器有著重要的意義。
　　針對長焦距寬光譜紅外雙波段消熱差探測成像系統(tǒng)，本文提出了三種基于共孔徑結構形式的光學方案，推導了初始結構計算公式給出了設計實例，最后考慮工程可實現性采用折反式共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)結構形式，研制了滿足性能指標的折反式共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)，論文主要的研究內容和貢獻綜述如下：
　　(1)本文介紹了紅外雙波段消熱差熱成像技術的研究背景和意義，分析了溫度變化對紅外光學系統(tǒng)的影響，從曲率半

3、徑、材料厚度、材料折射率、鏡片間隔、非球面參數、衍射面參數等方面系統(tǒng)分析了溫度變化對光學參數的影響，并建立了相應的數學模型，針對溫度變化對紅外光學系統(tǒng)的影響，給出了機電主動式、機械被動式、光學被動式三種消熱差方法，并從實現方法、性能、可靠性、重量、成本、環(huán)境穩(wěn)定性和可維修性等方面對三種消熱差設計方法進行了對比分析。
　　(2)本文分析了現代紅外消熱差光學系統(tǒng)的特點，確定了紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)的幾種選型方式，提出了一種反射式長焦

4、距寬光譜共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)方案，推導了基于四個同軸反射鏡系統(tǒng)的初始結構計算公式，給出了設計實例。針對像質要求較高的設計要求，又提出了一種共孔徑部分為反射鏡和透鏡相結合的長焦距寬光譜共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)方案，推導了其初始結構計算公式，基于系統(tǒng)中出現的非球面拐點問題，提出了一種通過求解不同半徑處矢高對半徑的一階導數和二階導數來判斷非球面是否有拐點的方法，并在設計的長焦距寬光譜共孔徑折反射式紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)中進行

5、了實例應用，取得了很好的效果。
　　(3)本文分析了衍射光學元件的初級像差特性，探索了衍射光學元件的衍射效率，研究了衍射光學元件特殊的色散特性和溫度特性，基于衍射光學元件可對波面進行任意整形的特點，針對分光鏡在折射光路中引入的像差，提出了利用衍射光學元件來校正這些像差的思路，進行了實例驗證，并和球面光學元件和非球面光學元件的校正結果進行了對照分析，驗證了衍射光學元件校正這些像差的優(yōu)越性?；谠搩?yōu)點并利用衍射光學元件特殊的色散和溫度

6、特性，設計了一種反射/折射/衍射混合式長焦距寬光譜共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)，取得了較好的結果。
　　(4)本文分析了鬼像對光學系統(tǒng)成像的影響，提出了一種快速分析光學系統(tǒng)鬼像的方法，作為分析實例對折反射式長焦距寬光譜共孔徑紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)進行了鬼像分析。
　　(5)本文對上述三種光學方案進行了對比分析，考慮工程可實現性確定采用共孔徑紅外雙波段折反射式方案，并研制了長焦距寬光譜共孔徑折反射式紅外雙波段消熱差光學系統(tǒng)