可见光、中/长波三波段连续变焦光学系统设计

摘要

三波段连续变焦光学系统结合三波段、连续变焦系统两者优势于一身，既能够昼夜探索，准确全面地获取目标信息，同时具有探测范围大、快速搜索、连续观测目标的优势。目前国内外通常是对可见与红外波段光学系统分开独立设计，然后组合成为多波段变焦光学系统，这就导致系统一般体积庞大。同时当物体被掩蔽、伪装、烟雾滋扰、日夜更替，而进行光路和波段转换时，需要重新开始切换焦距、探索并观察目标，这就导致耗时长、系统反应慢，可能会丢失快速运动的目标。另外，对于不同焦距范围的光学系统，当由一路光向另一路光转换后，很可能超出了观测距离而不能精确地跟踪和测量目标。
　　针对上述问题，本文设计了一款可见光、中/长波三波段共口径连续变焦光学系统，实现了在同一光路中可见光、中/长波三波段同步连续变焦，大大减小了系统的复杂性，有利于实现系统结构简单、轻巧的目的。分析了系统在变焦过程中，三个波段之间焦距与变倍比的差异，根据变焦理论研究了一种补偿精度高的直接变倍比差补偿方法，使三个波段在任意同一变焦位置处焦距及变倍比相同。系统变倍比达到7∶1，可见光波段在奈奎施特频率为80lp/mm时传函值高于0.47，中红外波段在奈奎施特频率为20lp/mm时传函值高于0.36，长红外波段在奈奎施特频率为20lp/mm时传函值高于0.32，系统整体成像质量良好，实现了系统在温度范围内（-40℃～+60℃）消热差，并拟合出系统的变焦运动曲线，所得曲线平滑，没有拐点。可以实现在瞬息万变的复杂环境中无需转换光路就可以直接、快速、同步的对目标进行观测，达到三个波段同步观测、同步跟踪、同步测量的目的。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 系统创新点与优势

1．3 本文研究的组织结构

1．4 本章小结

2 变焦光学系统高斯理论分析

2．1 变焦系统的基本概念和补偿方法

2．2 变焦运动过程分析

2．2．1 变焦系统的几个规律

2．2．2 机械补偿系统及其变焦方程

2．3 机械正组补偿变焦系统的高斯解分析

2．4 本章小结

3 系统设计方案

3．1 系统结构设计要求

3．1．1 主要研究内容

3．1．2 系统结构设计

3．1．3 系统设计要求

3．1．4 变焦比差补偿光路设计

3．1．5 存在的主要问题

3．2 材料的选择

3．2．1 光学材料

3．2．2 透过可见光、中／长波的材料

3．3 探测器的选择

3．4 消热差

3．5 本章小结

4 光学系统设计

4．1 初始结构设计

4．2 设计参数要求

4．3 可见光、中／长红外波段初始结构设计及优化

4．3．1 变焦系统初始结构选型与设计理论

4．3．2 初始结构选择

4．3．3 初始结构分析及优化

4．3．4 系统优化结果

4．3．5 初始结构焦距及变焦比差分析

4．4 变焦比差补偿组设计

4．5 凸轮曲线的拟合计算

4．6 本章小结

5 系统像质评价及性能分析

5．1 光学系统像质评价

5．2 变焦比差补偿结果

5．3 能量分布

5．4 变焦曲线拟合

5．5 本章小结

6 系统消热差及公差分析

6．1 温度效应

6．2 无热化设计方法

6．3 消热差设计

6．4 系统公差分析

6．5 衍射光学元件面型分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 本论文工作的结论

7．2 未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

声明

附录