致冷型离轴反射光学系统研究

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1、学号：S13020141硕士学位论文致冷型离轴反射光学系统研究研究生姓名：姜晰文学科、专业：光学工程二○一六年三月分类号：TB133密级：可公开UDC：编号：致冷型离轴反射光学系统研究STUDIESONCOOLEDOFF-AXISREFLECTIVEOPTICALSYSTEMS学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：光学工程（080300）研究方向：现代光学技术及工程应用申请学位级别：硕士指导教师：崔庆丰教授研究生：S13020141论文起止时间：2014.11—201

2、5.11摘要传统红外材料价格昂贵，在透镜口径较大时无法保证材料均匀性，因此大口径透射式红外光学系统难以实现。由于反射系统不产生色差，成像光谱范围宽，材料价格相对低，因此反射式结构广泛应用于红外光学系统。由于同轴反射系统中存在中心遮拦，严重影响系统的能量接收与成像质量，需要对反射镜进行离轴设置，实现无遮拦的离轴反射系统。目前红外离轴反射光学系统多采用非致冷探测器，但为提升红外系统的探测灵敏度，增大系统的信噪比，需要使用致冷型探测器。本文对致冷型红外离轴反射光学系统做了探索性研究，首先讨论了致冷型离

3、轴反射光学系统的结构形式与像差特性，然后研究了离轴三反射镜光学系统的设计方法，进而完成了一个致冷型离轴三反射镜光学系统的设计。系统采用两个自由曲面反射镜和一个偶次非球面反射镜，组成二次成像的结构形式，将红外探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑，得到100%的冷光阑效率。第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置，显著减小第一反射镜的口径。通过调整每个反射镜的偏心与倾斜，实现系统的无遮拦，使用自由曲面增大视场、校正像差、保证系统的成像质量。本系统的工作波段为3-5μm，焦距为450mm，F数为2

4、，视场为3.662°×2.931°，各视场的调制传递函数在环境温度为-40℃~60℃的范围内均高于0.5，实现系统的无热化，并且结构紧凑。关键词:光学设计红外光学系统成像系统离轴三反射镜自由曲面IABSTRACTTraditionalinfraredmaterialsareexpensive,andthematerialhomogeneitycannotbeguaranteedwhenthelensapertureislarge.Sotheinfraredopticalsystemwithlar

5、geaperturesizeisdifficulttofinish.Reflectivesystemshavewideworkingspectralbandandnochromaticaberration,andthereflectivematerialsarecheaper.Soreflectivestructurescanbewidelyusedininfraredsystems.Thetraditionalreflectivesystemshavecentralobscuration,an

6、dthesystemenergyandimagingqualityareseriouslyaffected.Inordertoremovethecentralobscuration,off-axisofmirrorsarenecessary.Sofaroff-axisreflectionopticalsystemareusuallyuncooled,butinordertoimprovesensitivityandsignal-noiseratio,cooledopticalsystemsare

7、needed.Thispapermakesanexploratorystudyoncooledoff-axisreflectiveopticalsystems.Thebasiccharacteristicsandthevectoraberrationsofthesystemsareanalyzed.Adesignmethodofcooledoff-axisthree-mirroropticalsystemsisproposed.Acooledre-imagingoff-axisthree-mir

8、roropticalsystemcomposedofthreemirrorsisproposed.Toensure100%coldshieldefficiency,coldstopshouldbesetasopticalstop.Inordertocontrolthesizeoftheprimarymirror,theimageoftheopticalstopthroughthesecondmirrorandthethirdmirrorshouldcoincidewiththeprimarymi