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结论 33
致谢 34
参考文献 . 35
1 绪论 1.1 课题背景与选题的意义 近年来，红外光学系统在军事领域和民用项目中得到了广泛的应用。由于其应用所在环境的不确定性，随着国防建设和空间技术的不断发展，现代军事和空间探测要求很多红外光学系统能够在各种复杂的，甚至是恶劣的环境中稳定工作，其中环境温度的骤变是对红外光学系统的严峻考验之一。 依据国家军用标准的要求，车载和机载军用光学仪器的工作温度范围大多数为﹣40℃～50℃；舰载军用光学仪器的工作温度范围大多为﹣20℃～60℃；对于应用在空间探测的光学仪器则工作在更大温度范围内。 但是，环境温度的改变，必将导致光学系统结构参数的变化，例如，光学材料的折射率、光学元件的尺寸面型、系统的外部结构等都会发生相应的变化，从而引起光学系统的离焦，并会产生其他像差，导致光学系统成像质量的变差及系统性能的降低。虽然工作于可见光波段和红外波段的光学系统都会受到温度的影响，但是对于红外光学系统这种影响更为强烈。两方面原因，一方面是由于红外光学系统所用透射材料的折射率温度系数高， 如常用的单晶锗的折射率温度系数dn/dT为3.96×10-4/℃，而常用的可见光玻璃K9的折射率温度系数为2×10-6/℃，大约相差二百倍。所以在环境温度变化时，红外光学系统的性能将急剧下降。另一方面可用的红外材料与可见光比起来非常少。如在热像仪工作波段 3～5μm 和8～12μm 波段范围内虽然有十几种透射材料可供选择，但是具有较好的理化性能适合光学加工和国防或空间技术使用的材料只有不足十种，加之设计时还要考虑到光学系统的像差平衡、冷反射校正、体积、重量和成本等因素，这就使得在不增加系统体积重量和成本的同时，通过现有的具有不同折射率温度系数的材料组合很难消除环境温度的影响。 所以研究如何使红外光学系统在要求的温度范围内具有稳定的性能源]自=751-^论-文"网·www.751com.cn/ ，同时又不过多增加系统的体积、重量和成本，使系统具有较好的可靠性，对军用和空间红外光学系统具有十分重要的意义[1]。 现代红外光学系统除了需要具有良好的热稳定性和较好的成像质量外，还需要具有如下特性： （1）光学系统要具有大的相对孔径且无中心遮拦，以提高整个系统的探测能力； （2）要具有较大的视场； （3）要求成像质量接近衍射极限； （4）具有较强的抑制杂光的能力，以实现弱信号的探测，因而要有 100%的冷光阑效率； （5）要求光学系统结构简单、重量小、透过率高等。 结合以上对红外光学系统的要求， 本文将展开对长波红外光学系统设计的基本理论和方法的研究。保证光学系统在较宽的温度范围内正常工作的技术称为消热差技术。光学系统的消热差设计就是通过特殊设计或者采用一定的补偿方法，使得光学系统能够在一个较大的温度范围内成像质量不变化或者变化很小。根据仪器的特点和使用场合的不同，目前的消热差设计主要有三种方法：机械被动式、机电主动式、光学被动式。本文利用基于衍射光学元件的折/衍混合系统，实现光学被动式消热差设计。
1.2 二元光学的国内外发展概况 20世纪60年代，随着激光器的出现和计算机技术的飞跃发展，促进了光学理论和制造技术的不断进步。机全息图（Computer Generated Holography，简写为 CGH）和相息图（Kinoform）的出现，彻底改变了传统光学设计的概念。以衍射理论为基础的新型元件，即衍射光学元件（Diffractive Optics Element，简写为 DOE）可以为设计者提供更多的自由度，能够实现传统光学元件无法实现的目的和功能，开辟了光学领域的新视野。但是全息元件效率低，且离轴再现；相息图虽能同轴再现，但是加工工艺长期未能解决， 因此进展缓慢，实用受到限制。80 年代随着超大规模集成电路（VLSI）和计算机辅助设计（CAD）以及光刻技术的发展，使得制作诸如相息图的技术跃上了新台阶，可靠性不断提高，加工图形的最小线宽不断变小，出现了称之为“二元光学”（Binary optics）的新领域。“二元光学”的概念最早由 MIT 林肯实验室威尔得坎普（veldkamp）领导的研究组提出，他们这样描述：“现在光学有一个分支，它几乎完全不同于传统的制作方式，这就是衍射光学，其光学元件的表面带有浮雕结构；由于使用了本来是制作集成电路的生产方法，所用的掩模是二元的，且掩模用二元编码形式进行分层，故引出了二元光学的概念。”但是二元光学的概念至今仍然没有统一的看法，普遍认为二元光学是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成（VLSI）电路制作工工艺，在片基上（或传统光学器件表面）刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。二元光学元件（Binary Optics Element，简写为BOE）属于 DOE且是DOE的主要组成，它解决了 DOE的效率和加工问题，以多阶相位结构来近似相息图的连续浮雕结构。利用二元光学技术能够方便地制造出任意相位分布、高衍射效率、高精度的衍射光学元件，它的出现极大地推动了衍射光学分析、设计理论的发展和完善，也极大地促进了二元光学元件的应用[2]。 BOE 的光学特性可以用全息透镜的光学特性来进行说明，这是因为 BOE 与全息透镜、相息图等都属于 DOE，对于入射光线方向的改变都遵从光栅方程，有着基本相同的像差特性[3]。早在 1977 年 Sweatt 研究了将平基面的全息透镜模拟为普通透镜的方法。他的研究表明，DOE 可以等效为折射率为无穷大，产生同样位相函数的薄透镜。他在研究中中进一步证明了，当等效透镜的折射率趋于无穷大时，这个等效是严格的。其它的研究者的研究也表明，当等效折射率大于10000时，等效透镜模型得到的结果同标量衍射理论以及用相位多项式描述衍射光学元件得到的结果是一致的，并且计算的误差是系统的尺度、Lagrange 变量、入射角等的函数。