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随着红外热成像技术日趋发展,红外镜头使用的性能要求越来越严格。在不同温度环境的影响下,大口径红外镜头的光机元件会发生不同的热变形和热应力,进而对红外系统的成像质量造成影响。同时大口径红外镜头需要满足质量轻、高刚度、在高低温环境能适应的要求,因此对红外镜头进行光机结构优化设计,并分析优化前后整机的光学性能,然后在优化后的模型基础上,对大口径红外镜头进行杂散光分析与抑制结构设计。本文首先对大口径红外镜头进行光机结构设计,然后利用ANSYS有限元软件分析得到在不同的温度下大口径红外镜头热特性情况。通过有限元优化设计方法对镜筒壁厚进行优化,目标函数为镜头的体积,约束变量为镜头热变形和两透镜的距离变化值,与原始镜头相比,优化后的镜头热变形热应力减小并且质量减轻,高低温环境下,为分析优化前后模型的光学性能,对透镜的热应变数据进行提取,利用Zernike多项式拟合程序作为有限元分析与光学性能分析的接口,将优化前后两块透镜四个表面的热变形的数值矩阵导入Zernike多项式拟合程序中,计算得到优化前后镜头的面形质量参数、镜面刚体位移、37项Zernike系数值,最后将相应的参数代入到CODEV光学分析软件中,得到优化前后的光机模型的光学传递函数图和点列图,对优化前后的光学性能进行评价。分析结果表明,优化后的镜头与初始镜头相比,镜片面形参数、刚体位移和镜片表面Zernike系数整体都下降,在低温环境下,优化后的镜头的MTF值提高接近一倍,弥散斑直径减小,系统成像性能提升,此次的优化设计改善了系统的机械性能和光学性能。在优化设计后的镜头基础上,设计遮光罩、挡光环来抑制外界杂散光,同时在镜筒内壁设计消光螺纹,分析不同密度、不同形状的消光螺纹对抑制杂散光的影响,通过分析选择用最优的消光螺纹代替遮光结构来抑制杂散光。最后,对镜头进行高低温实验、杂散光测试实验和MTF测试实验,结果表明,红外镜头在高低温下成像质量与常温相比都会下降,且低温下的成像质量最差,消光螺纹密度大的红外镜头消杂散光更有效,左倾75°直角三角形消光螺纹镜头抑制杂散光效果最好,实验结果与仿真结果基本一致,对红外镜头光机结构优化和抑制杂散光的结构设计具有重要的指导意义。