离轴折反射式中波红外连续变焦光学系统研究
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摘要
随着当今世界探测技术的飞速发展，对光学探测技术提出了新的要求，尤其是对大口径、长焦距等方面的连续变焦光学系统的需求更加的迫切。但是现有的设计型式不能完全满足新的设计要求，所以解决大口径、长焦距红外连续变焦系统的设计问题成为目前连续变焦系统设计的关键。
针对红外连续变焦系统新的设计需求，本文提出了离轴折反射式的设计方法，并着重研究了红外连续变焦系统的被动无热化设计，分析了杂散辐射对信噪比的影响。主要的具体研究内容如下：
1、分析现有各种红外连续变焦系统的设计型式，对比各种型式优缺点，提出了离轴折反射式的设计思路。将红外连续变焦系统分为离轴反射式无焦系统和后组透射式连续变焦系统两部分设计，根据光瞳匹配和冷光阑匹配将两分系统组合起来进行统一优化。设计出了大口径、长焦距、无遮拦且满足100%冷光阑效率的离轴折反射红外连续变焦系统。
2、针对红外光学系统对温度变化敏感，系统成像质量随温度变化较大的问题，提出了对连续变焦系统进行折衍混合消热差设计。根据连续变焦系统的光焦度分配公式和折衍混合系统消热差公式，推导出了连续变焦系统的无热化设计理论公式。并以此为基础，对后组透射式连续变焦系统在-30℃～+50℃温度范围内进行无热设计，使系统各个焦距位置在此温度范围内具有良好的成像质量，以满足红外连续变焦系统在温度变化较大的恶劣环境中的使用要求。
3、分析了杂散辐射的来源及其辐射特性，研究了分析抑制杂散辐射的方法和步骤，并根据本文所设计连续变焦系统研究了杂散辐射抑制技术。建立了杂散辐射分析抑制模型和杂散辐射对光学系统信噪比与传递函数的影响模型。得出太阳、天空背景、系统自身热辐射等杂散辐射的等效光子数形式，将各种来源的杂散辐射等效为到达像面的光子数，从而得出等效光子信噪比。
4、建立了鬼像对成像影响的模型，分析了扩展源目标中的亮点源在像面上的照度与主像的照度之比。对红外系统的冷反射现象进行分析，推导得出冷反射等效温度差异系数。并以此分析了本文所设计系统的鬼像和冷反射现象，得出结果为鬼像照度为主像照度的万分之一量级，系统各个表面冷反射等效温度差异小于探测器最小可探测温差。
最终研究结果表明：本文所设计的大口径长焦距中波红外连续变焦系统成像质量良好，机械结构简单，杂散辐射对成像信噪比影响较小，满足设计指标要求。
With the rapid development of the detection technology, new requirement isproposed to the optical detection system, especially the large diameter and long focallength continuous zoom optical system. But the existing design type can’ t fully meetthe requirements, so the solution of large aperture and long focal length is the linchpinof the infrared continuous zoom system.
In allusion to the infrared continuous zoom system’s design requirements, theoff-axis catadioptric design method is bring forward in this dissertation. Theathermalization design and the stray lights’ effect to the signal-to-noise ratio areemphatically analyzed. Specific studies of this paper are as follows:
1、Through analyzing existing infrared continuous zoom system design type andcomparing the advantages and disadvantages of various types, bring forward off-axiscatadioptric design method. The infrared continuous zoom system is divided into theoff-axis reflective non-power system and the latter transmission continuous zoomsystem. The two parts are optimized separately. Then combinate the two partstogether according to matching the pupil and cold shield. At last, unified optimizationis carried out to the overall system. A off-axis infrared catadioptric continuous zoomsystem with a large-diameter, long focal length and meeting the cold apertureefficiency of100%is designed.
2、The infrared optical systems are sensitive to temperature changes. And thesystem’s imaging quality deteriorate with temperature change. So the hybridrefractive/diffractive athermal design is proposed to infrared continuous zoom system.According to the continuous zoom system’s optical power formula and hybridrefractive/diffractive system’s athermal formula, derive the continuous zoom system’sathermal formula. And on this basis, athermal design in the temperature range of-30～+50degree is carried out to the transmission continuous zoom part. By theathermal design, the zoom system in full focal length range have a good imaging quality with the temperature change and meet the requirement of the infrared zoomsystem being used in the harsh environment.
3、Analyzed the stray radiation sources and characteristics. The methods andsteps of the stray radiation reduction are studied. And the stray radiation suppressingis put into practice to the infrared zoom system designed in this paper. The strayradiation analysis inhibition models and the model of the stray radiation effect to thesignal-to-noise ratio are established. Get the equivalent number of photon of thevariety sources of stray radiation, such as the sun, sky background and the systemthermal radiation. Accordingly calculate the equivalent photon signal-to-noise ratio.
4、The model of ghost imaging’s effect is established. Analyzed the ratio of themain image illumination with the illumination in the image plane of the bright spotsource in the extend source. For the narcissus of the infrared system, the noiseequivalent temperature difference (NETD) is calculated. Then the ghost and thenarcissus of the zoom system designed in this paper are analyzed. The results of theanalysis are that the ghost illumination is less than one ten-thousand of the mainimage illumination, and the NETD of the narcissus of each surface less than detectorminimum detectable temperature difference.
The final study results show that: the large aperture and long focal length MWIRcontinuous zoom system have a good imaging quality and simple mechanicalstructure. The stray radiation’s effect to the signal-to-noise ratio is small. The resultmeet the design requirements.
针对红外连续变焦系统新的设计需求，本文提出了离轴折反射式的设计方法，并着重研究了红外连续变焦系统的被动无热化设计，分析了杂散辐射对信噪比的影响。主要的具体研究内容如下：
1、分析现有各种红外连续变焦系统的设计型式，对比各种型式优缺点，提出了离轴折反射式的设计思路。将红外连续变焦系统分为离轴反射式无焦系统和后组透射式连续变焦系统两部分设计，根据光瞳匹配和冷光阑匹配将两分系统组合起来进行统一优化。设计出了大口径、长焦距、无遮拦且满足100%冷光阑效率的离轴折反射红外连续变焦系统。
2、针对红外光学系统对温度变化敏感，系统成像质量随温度变化较大的问题，提出了对连续变焦系统进行折衍混合消热差设计。根据连续变焦系统的光焦度分配公式和折衍混合系统消热差公式，推导出了连续变焦系统的无热化设计理论公式。并以此为基础，对后组透射式连续变焦系统在-30℃～+50℃温度范围内进行无热设计，使系统各个焦距位置在此温度范围内具有良好的成像质量，以满足红外连续变焦系统在温度变化较大的恶劣环境中的使用要求。
3、分析了杂散辐射的来源及其辐射特性，研究了分析抑制杂散辐射的方法和步骤，并根据本文所设计连续变焦系统研究了杂散辐射抑制技术。建立了杂散辐射分析抑制模型和杂散辐射对光学系统信噪比与传递函数的影响模型。得出太阳、天空背景、系统自身热辐射等杂散辐射的等效光子数形式，将各种来源的杂散辐射等效为到达像面的光子数，从而得出等效光子信噪比。
4、建立了鬼像对成像影响的模型，分析了扩展源目标中的亮点源在像面上的照度与主像的照度之比。对红外系统的冷反射现象进行分析，推导得出冷反射等效温度差异系数。并以此分析了本文所设计系统的鬼像和冷反射现象，得出结果为鬼像照度为主像照度的万分之一量级，系统各个表面冷反射等效温度差异小于探测器最小可探测温差。
最终研究结果表明：本文所设计的大口径长焦距中波红外连续变焦系统成像质量良好，机械结构简单，杂散辐射对成像信噪比影响较小，满足设计指标要求。
With the rapid development of the detection technology, new requirement isproposed to the optical detection system, especially the large diameter and long focallength continuous zoom optical system. But the existing design type can’ t fully meetthe requirements, so the solution of large aperture and long focal length is the linchpinof the infrared continuous zoom system.
In allusion to the infrared continuous zoom system’s design requirements, theoff-axis catadioptric design method is bring forward in this dissertation. Theathermalization design and the stray lights’ effect to the signal-to-noise ratio areemphatically analyzed. Specific studies of this paper are as follows:
1、Through analyzing existing infrared continuous zoom system design type andcomparing the advantages and disadvantages of various types, bring forward off-axiscatadioptric design method. The infrared continuous zoom system is divided into theoff-axis reflective non-power system and the latter transmission continuous zoomsystem. The two parts are optimized separately. Then combinate the two partstogether according to matching the pupil and cold shield. At last, unified optimizationis carried out to the overall system. A off-axis infrared catadioptric continuous zoomsystem with a large-diameter, long focal length and meeting the cold apertureefficiency of100%is designed.
2、The infrared optical systems are sensitive to temperature changes. And thesystem’s imaging quality deteriorate with temperature change. So the hybridrefractive/diffractive athermal design is proposed to infrared continuous zoom system.According to the continuous zoom system’s optical power formula and hybridrefractive/diffractive system’s athermal formula, derive the continuous zoom system’sathermal formula. And on this basis, athermal design in the temperature range of-30～+50degree is carried out to the transmission continuous zoom part. By theathermal design, the zoom system in full focal length range have a good imaging quality with the temperature change and meet the requirement of the infrared zoomsystem being used in the harsh environment.
3、Analyzed the stray radiation sources and characteristics. The methods andsteps of the stray radiation reduction are studied. And the stray radiation suppressingis put into practice to the infrared zoom system designed in this paper. The strayradiation analysis inhibition models and the model of the stray radiation effect to thesignal-to-noise ratio are established. Get the equivalent number of photon of thevariety sources of stray radiation, such as the sun, sky background and the systemthermal radiation. Accordingly calculate the equivalent photon signal-to-noise ratio.
4、The model of ghost imaging’s effect is established. Analyzed the ratio of themain image illumination with the illumination in the image plane of the bright spotsource in the extend source. For the narcissus of the infrared system, the noiseequivalent temperature difference (NETD) is calculated. Then the ghost and thenarcissus of the zoom system designed in this paper are analyzed. The results of theanalysis are that the ghost illumination is less than one ten-thousand of the mainimage illumination, and the NETD of the narcissus of each surface less than detectorminimum detectable temperature difference.
The final study results show that: the large aperture and long focal length MWIRcontinuous zoom system have a good imaging quality and simple mechanicalstructure. The stray radiation’s effect to the signal-to-noise ratio is small. The resultmeet the design requirements.
引文
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