光學(xué)變焦透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：近年來(lái)，隨著變焦距系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)理論的完善以及加工工藝的成熟，變焦距光學(xué)系統(tǒng)的種類日益豐富，成像質(zhì)量逐漸提高，可與定焦系統(tǒng)相媲美，因此廣泛的應(yīng)用到各種工作生活領(lǐng)域中。在這種情況下，研究變焦距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)疑具有重要意義。

本論文根據(jù)衍射光學(xué)元件(DOE)的成像原理及紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)開(kāi)展研究，完成了如下工作：

1.綜述DOE的應(yīng)用發(fā)展及紅外交焦距系統(tǒng)的發(fā)展歷史。

2.本文研究了衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性及其在紅外系統(tǒng)中的應(yīng)用。衍射光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中己經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但在國(guó)內(nèi)衍射元件的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外資料，對(duì)衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性進(jìn)行描述和總結(jié)，以對(duì)后面的研究提供必要理論基礎(chǔ)。

3.分析了DOE的成像理論及變焦距系統(tǒng)的高斯光學(xué)理論。并以此為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)的P、W法設(shè)計(jì)了一套紅外變焦距光學(xué)系統(tǒng)。

4.從光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，依靠CODE V輔助光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的強(qiáng)大功能，嘗試了另一種變焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即利用現(xiàn)有的專利數(shù)據(jù)將理想光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為恒定F數(shù)折射／衍射混合紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)。

結(jié)果表明，系統(tǒng)F數(shù)為l且恒定不變，光學(xué)傳遞函數(shù)接近衍射極限。

第一章 緒論

非球面光學(xué)元件以及衍射光學(xué)元件（Diffrative Opt ical Element）在紅外系統(tǒng)中的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，文章將從紅外系統(tǒng)的發(fā)展概況和非球面光學(xué)元件、衍射光學(xué)元件（DOE）的發(fā)展情況出發(fā)，論述非球面、衍射球面光學(xué)元件的發(fā)展、應(yīng)用情況以及變焦系統(tǒng)的變焦理論，進(jìn)而提出本論文的研究目的和內(nèi)容。

1.1 紅外光學(xué)及紅外系統(tǒng)簡(jiǎn)介

波長(zhǎng)在0.76μm~1000μm的波段稱為紅外波段。紅外波段通常分為四個(gè)區(qū)域：近紅外(0.76～3μm)，中紅外(3～6μm)、中遠(yuǎn)紅外(6～20μm)和遠(yuǎn)紅外(20～1000μm)。紅外波段人眼不可見(jiàn)，但是它可以被紅外敏感的探測(cè)器接收到。例如，若將手從黑板的背面摸一下黑板，然后將手移殲，用紅外熱像儀對(duì)準(zhǔn)黑板，就可以從監(jiān)視器上看到手的圖像，雖然手已移開(kāi)，但黑板上手的余溫發(fā)出的紅外輻射依然存在，熱像儀接收了這個(gè)輻射并把它轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，在監(jiān)視器上就形成了手的圖像。自1800年威廉姆·赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射之后至今已經(jīng)有200多年的歷史了，早期發(fā)展緩慢，直至上世紀(jì)二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后，隨著軍事上和航天上的需要，紅外技術(shù)才得到了迅猛的發(fā)展。近些年來(lái)，紅外技術(shù)在軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭、人造衛(wèi)星上的紅外掃描儀、醫(yī)學(xué)上的乳腺癌診斷儀、工業(yè)紅外測(cè)溫計(jì)等儀器和裝置都是應(yīng)用了紅外技術(shù)制作出來(lái)的。

紅外系統(tǒng)通常由光學(xué)接收器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理器與顯示器三大部分組成。整個(gè)系統(tǒng)涉及到大氣傳輸特性、光電探測(cè)器件和光電轉(zhuǎn)換等多種知識(shí)和技術(shù)。

光學(xué)系統(tǒng)在紅外系統(tǒng)中的作用十分類似予用于接收目標(biāo)回波的雷達(dá)天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給探測(cè)器?？梢?jiàn)光和紅外本質(zhì)上都是電磁波，只是譜段不同，用于可見(jiàn)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程光學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，同樣可用于紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

但是，紅外光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、材料、薄膜以及涉及光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器耦合的輔助光學(xué)系統(tǒng)，有其特殊的～面。這些不同于普通可見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1)紅外光學(xué)系統(tǒng)通常是大相對(duì)孔徑系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)的目標(biāo)一般較遠(yuǎn)，輻射能量也較弱。所以紅外物鏡有較大的孔徑，用來(lái)收集較多的紅外輻射；為了在探測(cè)元件上得至咀盡可能大的照度，物鏡焦距應(yīng)較短，這就使紅外光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑一般都較大。

含衍射元件變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

......

小結(jié)

本章嘗試了光學(xué)系統(tǒng)的另一種設(shè)計(jì)方法即利用通用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V來(lái)自動(dòng)設(shè)計(jì)。論述了自動(dòng)設(shè)計(jì)的基本概念，方法。接著通過(guò)查找專利得到一個(gè)與本課題近似的初始結(jié)構(gòu)，討論了需要修改的方向。最后利用軟件的強(qiáng)大功能設(shè)計(jì)了含有衍射光學(xué)元件的變焦系統(tǒng)，給出了一個(gè)最終結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行了討論。

審核編輯：湯梓紅