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折/衍混合红外物镜的超宽温消热差研究

作　者: 邹百英
导　师: 龙夫年
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学工程
关键词: 红外光学系统 折/衍混合光学系统 消热差
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 102次
引　用: 2次
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 二元光学技术国内外研究概况  10-11
  1.3 消热差技术国内外研究概况  11-13
  1.4 本论文的研究意义和主要研究内容  13-15
第2章 温度对光学系统性能的影响及消热差方法  15-22
  2.1 无源和有源温度场中的温度分布  15-16
  2.2 温度变化对光学系统性能的影响  16-17
  2.3 光学系统的消热差方法  17-20
    2.3.1 机械主动式消热差  17-18
    2.3.2 机械被动式消热差  18-20
    2.3.3 光学被动式消热差  20
  2.4 本章小结  20-22
第3章 二元光学元件的成像理论及加工技术  22-35
  3.1 二元光学元件的成像理论  22-28
    3.1.1 二元光学透镜的初级单色像差  22-25
    3.1.2 二元光学元件的色散性质  25-27
    3.1.3 二元光学透镜的部分色散及二级光谱的校正  27-28
  3.2 环境温度对二元光学元件的影响  28-30
  3.3 二元光学元件的加工制作方法概述  30-34
    3.3.1 多台阶二元光学元件加工工艺  30-31
    3.3.2 连续位相二元光学元件加工工艺  31-34
  3.4 本章小结  34-35
第4章 红外消热差系统的设计  35-50
  4.1 消热差系统设计理论  35-41
    4.1.1 实现消热差的一般条件  35-38
    4.1.2 消热差的误差容限  38
    4.1.3 折射和衍射光学元件的热差系数和色差系数  38-41
  4.2 传统折射式系统的设计  41-43
  4.3 折/衍混合红外消热差光学系统的设计  43-49
    4.3.1 材料的选择和初始结构的确定  43-45
    4.3.2 优化设计步骤  45
    4.3.3 设计结果及像质评价  45-49
  4.4 本章小结  49-50
第5章 折/衍混合红外消热差系统性能分析  50-57
  5.1 采用二元光学元件的系统优越性分析  50-52
  5.2 二元面加工工艺分析  52-56
    5.2.1 二元面工艺参数的确立  52-55
    5.2.2 衍射效率分析  55-56
    5.2.3 加工工艺的确定  56
  5.3 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器
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