光学变焦透镜系统的设计

摘要：近年来，随着变焦距系统光学设计理论的完善以及加工工艺的成熟，变焦距光学系统的种类日益丰富，成像质量逐渐提高，可与定焦系统相媲美，因此广泛的应用到各种工作生活领域中。在这种情况下，研究变焦距系统的设计无疑具有重要意义。

本论文根据衍射光学元件(DOE)的成像原理及红外变焦光学系统的技术特点开展研究，完成了如下工作：

1.综述DOE的应用发展及红外交焦距系统的发展历史。

2.本文研究了衍射光学元件的光学特性及其在红外系统中的应用。衍射光学元件在光学系统中己经得到广泛应用。但在国内衍射元件的应用才刚刚开始。本文结合国内外资料，对衍射光学元件的光学特性进行描述和总结，以对后面的研究提供必要理论基础。

3.分析了DOE的成像理论及变焦距系统的高斯光学理论。并以此为基础，利用传统的P、W法设计了一套红外变焦距光学系统。

4.从光学自动设计的角度出发，依靠CODE V辅助光学设计软件的强大功能，尝试了另一种变焦系统的设计方法，即利用现有的专利数据将理想光学系统转换为恒定F数折射／衍射混合红外变焦光学系统。

结果表明，系统F数为l且恒定不变，光学传递函数接近衍射极限。

第一章 绪论

非球面光学元件以及衍射光学元件（Diffrative Optical Element）在红外系统中的应用是国内外研究的热点问题，文章将从红外系统的发展概况和非球面光学元件、衍射光学元件（DOE）的发展情况出发，论述非球面、衍射球面光学元件的发展、应用情况以及变焦系统的变焦理论，进而提出本论文的研究目的和内容。

1.1 红外光学及红外系统简介

波长在0.76μm~1000μm的波段称为红外波段。红外波段通常分为四个区域：近红外(0.76～3μm)，中红外(3～6μm)、中远红外(6～20μm)和远红外(20～1000μm)。红外波段人眼不可见，但是它可以被红外敏感的探测器接收到。例如，若将手从黑板的背面摸一下黑板，然后将手移歼，用红外热像仪对准黑板，就可以从监视器上看到手的图像，虽然手已移开，但黑板上手的余温发出的红外辐射依然存在，热像仪接收了这个辐射并把它转换成视频信号，在监视器上就形成了手的图像。自1800年威廉姆·赫胥尔发现红外辐射之后至今已经有200多年的历史了，早期发展缓慢，直至上世纪二次世界大战期间和战后，随着军事上和航天上的需要，红外技术才得到了迅猛的发展。近些年来，红外技术在军事、医学、工业等领域的应用越来越广泛。例如导弹的红外导引头、人造卫星上的红外扫描仪、医学上的乳腺癌诊断仪、工业红外测温计等仪器和装置都是应用了红外技术制作出来的。

红外系统通常由光学接收器、光电探测器、信号处理器与显示器三大部分组成。整个系统涉及到大气传输特性、光电探测器件和光电转换等多种知识和技术。

光学系统在红外系统中的作用十分类似予用于接收目标回波的雷达天线，就是接收辐射能量，并把它传送给探测器。可见光和红外本质上都是电磁波，只是谱段不同，用于可见光系统设计的工程光学的基本理论和设计方法，同样可用于红外光学系统的设计。

但是，红外光学系统基本结构、材料、薄膜以及涉及光学系统与探测器耦合的辅助光学系统，有其特殊的～面。这些不同于普通可见光学系统的特点：

1)红外光学系统通常是大相对孔径系统。红外系统的目标一般较远，辐射能量也较弱。所以红外物镜有较大的孔径，用来收集较多的红外辐射；为了在探测元件上得至咀尽可能大的照度，物镜焦距应较短，这就使红外光学系统相对孔径一般都较大。

含衍射元件变焦系统结构图

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小结

本章尝试了光学系统的另一种设计方法即利用通用光学设计软件CODE V来自动设计。论述了自动设计的基本概念，方法。接着通过查找专利得到一个与本课题近似的初始结构，讨论了需要修改的方向。最后利用软件的强大功能设计了含有衍射光学元件的变焦系统，给出了一个最终结构，并对系统像差进行了讨论。

审核编辑：汤梓红