长焦距宽光谱红外双波段消热差探测成像光学系统研究

摘要

随着现代科学技术和探测器工艺水平的不断发展进步，共孔径红外双波段消热差热成像技术在空间领域和国防工业中的应用越来越广泛。共孔径红外双波段消热差光学技术考虑了对目标探测双波段的需求和对环境温度变化消热差的需求，应用不同波长的红外波段复合探测目标，可以提高系统的识别能力和识别速度，同时可以在恶劣环境温度下工作，此外在保证准确获取目标信息提高目标跟踪识别能力的同时，还可以降低光电探测设备的成本，减小设备的整机尺寸，减轻设备的重量，这对于空间光学仪器有着重要的意义。
　　针对长焦距宽光谱红外双波段消热差探测成像系统，本文提出了三种基于共孔径结构形式的光学方案，推导了初始结构计算公式给出了设计实例，最后考虑工程可实现性采用折反式共孔径红外双波段消热差光学系统结构形式，研制了满足性能指标的折反式共孔径红外双波段消热差光学系统，论文主要的研究内容和贡献综述如下：
　　(1)本文介绍了红外双波段消热差热成像技术的研究背景和意义，分析了温度变化对红外光学系统的影响，从曲率半径、材料厚度、材料折射率、镜片间隔、非球面参数、衍射面参数等方面系统分析了温度变化对光学参数的影响，并建立了相应的数学模型，针对温度变化对红外光学系统的影响，给出了机电主动式、机械被动式、光学被动式三种消热差方法，并从实现方法、性能、可靠性、重量、成本、环境稳定性和可维修性等方面对三种消热差设计方法进行了对比分析。
　　(2)本文分析了现代红外消热差光学系统的特点，确定了红外双波段消热差光学系统的几种选型方式，提出了一种反射式长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统方案，推导了基于四个同轴反射镜系统的初始结构计算公式，给出了设计实例。针对像质要求较高的设计要求，又提出了一种共孔径部分为反射镜和透镜相结合的长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统方案，推导了其初始结构计算公式，基于系统中出现的非球面拐点问题，提出了一种通过求解不同半径处矢高对半径的一阶导数和二阶导数来判断非球面是否有拐点的方法，并在设计的长焦距宽光谱共孔径折反射式红外双波段消热差光学系统中进行了实例应用，取得了很好的效果。
　　(3)本文分析了衍射光学元件的初级像差特性，探索了衍射光学元件的衍射效率，研究了衍射光学元件特殊的色散特性和温度特性，基于衍射光学元件可对波面进行任意整形的特点，针对分光镜在折射光路中引入的像差，提出了利用衍射光学元件来校正这些像差的思路，进行了实例验证，并和球面光学元件和非球面光学元件的校正结果进行了对照分析，验证了衍射光学元件校正这些像差的优越性。基于该优点并利用衍射光学元件特殊的色散和温度特性，设计了一种反射/折射/衍射混合式长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统，取得了较好的结果。
　　(4)本文分析了鬼像对光学系统成像的影响，提出了一种快速分析光学系统鬼像的方法，作为分析实例对折反射式长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统进行了鬼像分析。
　　(5)本文对上述三种光学方案进行了对比分析，考虑工程可实现性确定采用共孔径红外双波段折反射式方案，并研制了长焦距宽光谱共孔径折反射式红外双波段消热差光学系统，进行了系统集成，搭建测试平台利用能量集中度作为评价标准对共孔径红外双波段消热差光学系统进行了性能测试，验证了所述方案的有效性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 论文的结构安排

第二章 温度变化对红外光学系统的影响分析及消热差方法

2.1 温度变化对红外光学系统的影响

2.2 红外光学系统消热差设计方法

2.3 本章小结

第三章 长焦距宽光谱红外双波段消热差光学系统

3.1 现代红外消热差光学系统的特点

3.2 红外双波段消热差光学系统设计选型

3.3 红外光学材料的种类和特性

3.4 长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统设计与分析

3.5 本章小结

第四章 反射/折射/衍射混合式长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学系统

4.1 衍射光学元件的初级像差特性

4.2 衍射光学元件的衍射效率

4.3 衍射光学元件的色散特性

4.4 衍射光学元件的温度特性

4.5 衍射光学元件校正分光镜像差模型及实例验证

4.6 反射折射衍射混合式长焦距宽光谱共孔径红外双波段消热差光学

4.7 本章小结

第五章 折反射式共孔径红外双波段消热差光学系统鬼像分析

5.1 鬼像的定义

5.2 鬼像的危害

5.3鬼像分析方法

5.4折反射式共孔径红外双波段消热差光学系统鬼像分析

5.5 本章小结

第六章 折反射式共孔径红外双波段光学系统的消热差性能测试

6.1 测试目的

6.2 消热差性能测试

6.3 观测实验

6.4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 本文的创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果