摘要：近年來，隨著變焦距系統光學設計理論的完善以及加工工藝的成熟，變焦距光學系統的種類日益豐富，成像質量逐漸提高，可與定焦系統相媲美，因此廣泛的應用到各種工作生活領域中。在這種情況下，研究變焦距系統的設計無疑具有重要意義。

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

1.綜述DOE的應用發展及紅外交焦距系統的發展歷史。

2.本文研究了衍射光學元件的光學特性及其在紅外系統中的應用。衍射光學元件在光學系統中己經得到廣泛應用。但在國內衍射元件的應用才剛剛開始。本文結合國內外資料，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的高斯光學理論。并以此為基礎，利用傳統的P、W法設計了一套紅外變焦距光學系統。

4.從光學自動設計的角度出發，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的設計方法，即利用現有的專利數據將理想光學系統轉換為恒定F數折射／衍射混合紅外變焦光學系統。

結果表明，系統F數為l且恒定不變，光學傳遞函數接近衍射極限。

第一章 緒論

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

1.1 紅外光學及紅外系統簡介

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，就可以從監視器上看到手的圖像，雖然手已移開，但黑板上手的余溫發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，在監視器上就形成了手的圖像。自1800年威廉姆·赫胥爾發現紅外輻射之后至今已經有200多年的歷史了，早期發展緩慢，直至上世紀二次世界大戰期間和戰后，隨著軍事上和航天上的需要，紅外技術才得到了迅猛的發展。近些年來，紅外技術在軍事、醫學、工業等領域的應用越來越廣泛。例如導彈的紅外導引頭、人造衛星上的紅外掃描儀、醫學上的乳腺癌診斷儀、工業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。

光學系統在紅外系統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。可見光和紅外本質上都是電磁波，只是譜段不同，用于可見光系統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的設計。

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

1)紅外光學系統通常是大相對孔徑系統。紅外系統的目標一般較遠，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相對孔徑一般都較大。

含衍射元件變焦系統結構圖

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小結

本章嘗試了光學系統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，給出了一個最終結構，并對系統像差進行了討論。

審核編輯：湯梓紅