摘要：近年來，隨著變焦距系統(tǒng)光學設計理論的完善以及加工工藝的成熟，變焦距光學系統(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，因此廣泛的應用到各種工作生活領域中。在這種情況下，研究變焦距系統(tǒng)的設計無疑具有重要意義。

本論文根據(jù)衍射光學元件(DOE)的成像原理及紅外變焦光學系統(tǒng)的技術特點開展研究，完成了如下工作：

1.綜述DOE的應用發(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元件的光學特性及其在紅外系統(tǒng)中的應用。衍射光學元件在光學系統(tǒng)中己經(jīng)得到廣泛應用。但在國內(nèi)衍射元件的應用才剛剛開始。本文結合國內(nèi)外資料，對衍射光學元件的光學特性進行描述和總結，以對后面的研究提供必要理論基礎。

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

4.從光學自動設計的角度出發(fā)，依靠CODE V輔助光學設計軟件的強大功能，嘗試了另一種變焦系統(tǒng)的設計方法，即利用現(xiàn)有的專利數(shù)據(jù)將理想光學系統(tǒng)轉換為恒定F數(shù)折射／衍射混合紅外變焦光學系統(tǒng)。

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

第一章 緒論

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

1.1 紅外光學及紅外系統(tǒng)簡介

波長在0.76μm~1000μm的波段稱為紅外波段。紅外波段通常分為四個區(qū)域：近紅外(0.76～3μm)，中紅外(3～6μm)、中遠紅外(6～20μm)和遠紅外(20～1000μm)。紅外波段人眼不可見，但是它可以被紅外敏感的探測器接收到。例如，若將手從黑板的背面摸一下黑板，然后將手移殲，用紅外熱像儀對準黑板，就可以從監(jiān)視器上看到手的圖像，雖然手已移開，但黑板上手的余溫發(fā)出的紅外輻射依然存在，熱像儀接收了這個輻射并把它轉換成視頻信號，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，紅外技術才得到了迅猛的發(fā)展。近些年來，紅外技術在軍事、醫(yī)學、工業(yè)等領域的應用越來越廣泛。例如導彈的紅外導引頭、人造衛(wèi)星上的紅外掃描儀、醫(yī)學上的乳腺癌診斷儀、工業(yè)紅外測溫計等儀器和裝置都是應用了紅外技術制作出來的。

紅外系統(tǒng)通常由光學接收器、光電探測器、信號處理器與顯示器三大部分組成。整個系統(tǒng)涉及到大氣傳輸特性、光電探測器件和光電轉換等多種知識和技術。

光學系統(tǒng)在紅外系統(tǒng)中的作用十分類似予用于接收目標回波的雷達天線，就是接收輻射能量，并把它傳送給探測器?？梢姽夂图t外本質(zhì)上都是電磁波，只是譜段不同，用于可見光系統(tǒng)設計的工程光學的基本理論和設計方法，同樣可用于紅外光學系統(tǒng)的設計。

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

1)紅外光學系統(tǒng)通常是大相對孔徑系統(tǒng)。紅外系統(tǒng)的目標一般較遠，輻射能量也較弱。所以紅外物鏡有較大的孔徑，用來收集較多的紅外輻射；為了在探測元件上得至咀盡可能大的照度，物鏡焦距應較短，這就使紅外光學系統(tǒng)相對孔徑一般都較大。

含衍射元件變焦系統(tǒng)結構圖

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小結

本章嘗試了光學系統(tǒng)的另一種設計方法即利用通用光學設計軟件CODE V來自動設計。論述了自動設計的基本概念，方法。接著通過查找專利得到一個與本課題近似的初始結構，討論了需要修改的方向。最后利用軟件的強大功能設計了含有衍射光學元件的變焦系統(tǒng)，給出了一個最終結構，并對系統(tǒng)像差進行了討論。

審核編輯：湯梓紅