基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李升輝，李 欣，李虹靜

〈系統(tǒng)與設(shè)計(jì)〉

基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李升輝1，李 欣2，李虹靜1

（1. 華中科技大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，湖北 武漢 430074；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650233）

設(shè)計(jì)了一種基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)。此光學(xué)系統(tǒng)的工作波段為3～5mm及8～12mm，焦距為45mm，F(xiàn)/#為2，雙色探測(cè)器為320×256、30mm制冷型探測(cè)器。諧衍射光學(xué)元件改進(jìn)了衍射光學(xué)元件在寬波段上的大色散問(wèn)題，解決了衍射光學(xué)元件在寬波段上的色散嚴(yán)重和衍射效率低下的問(wèn)題。該光學(xué)系統(tǒng)采用諧衍射光學(xué)元件消寬波段色差和寬溫度范圍熱差，使中波紅外和長(zhǎng)波紅外在不同衍射級(jí)衍射實(shí)現(xiàn)諧振共焦成像，使用較少光學(xué)元件，校正了雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)的像差和熱差?；谥C衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)在改善像質(zhì)、減小體積重量、寬波段消熱差等方面表現(xiàn)出傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著雙波段探測(cè)器和諧衍射透鏡研發(fā)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，雙波段光學(xué)系統(tǒng)必將在目標(biāo)跟蹤、識(shí)別、精確打擊等軍工系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

紅外雙波段；消熱差；諧衍射；共口徑

0 引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)大部分是中波或長(zhǎng)波單波段系統(tǒng)，在獲取信息方面有很大局限性，獲取信息少，并且由于目標(biāo)移動(dòng)或其他變化使輻射波段改變等原因，從而使探測(cè)器探測(cè)不到目標(biāo)，甚至探測(cè)到虛假目標(biāo)。因此，研發(fā)人員提出了雙波段成像，讓光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)探測(cè)雙波段甚至多波段的信號(hào)，以獲得更多的信息量。傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)在雙波段范圍內(nèi)校正好系統(tǒng)的軸向色差和球差，必須依靠負(fù)透鏡來(lái)消除色差，或使用稀有特殊色散的材料來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)，但這會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)體積大、分辨率低[1-6]。

紅外折/衍混合消熱差光學(xué)系統(tǒng)在中波和長(zhǎng)波光學(xué)設(shè)計(jì)中得到了普遍應(yīng)用，不但提高了成像質(zhì)量，而且減小了系統(tǒng)體積。同時(shí)衍射光學(xué)元件的焦距隨波長(zhǎng)的變化而變化，使其被局限在單波段光學(xué)系統(tǒng)中使用。諧衍射光學(xué)元件針對(duì)衍射光學(xué)元件在寬波段上的大色散問(wèn)題做出了改進(jìn)，使中波紅外和長(zhǎng)波紅外在不同衍射級(jí)衍射實(shí)現(xiàn)諧振共焦成像，解決了衍射光學(xué)元件無(wú)法使用的難題。

本文基于320×256 30mm制冷雙色探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一款雙波段共口徑消熱差紅外光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用諧衍射光學(xué)元件和多種紅外光學(xué)材料組合消色差和熱差，減少了透鏡的使用數(shù)量；采用雙波段共口徑的結(jié)構(gòu)形式，在不增加系統(tǒng)體積和重量的情況下實(shí)現(xiàn)雙波段同時(shí)成像。

1 諧衍射理論

諧衍射透鏡與普通衍射透鏡的不同點(diǎn)在于：發(fā)生諧衍射時(shí)相差*2π個(gè)周期（≥2）；對(duì)其而言，環(huán)帶間的光程差為0。

若對(duì)于使用波長(zhǎng)的級(jí)次成像，則焦距：f＝*0*0/(*)，要求f和0重合，即*0＝*，說(shuō)明對(duì)于諧衍射透鏡，凡滿(mǎn)足＝*0/的一系列諧振波長(zhǎng)，諧衍射透鏡的焦距值都相同，都將匯聚到同一焦點(diǎn)。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，諧衍射透鏡第級(jí)衍射的衍射效率公式為：

如果不考慮材料色散的影響，[()－1]/[(0) －1]＝1則各衍射級(jí)次的衍射效率可以簡(jiǎn)單表示為：

當(dāng)入射波長(zhǎng)滿(mǎn)足＝*0/（其中為衍射級(jí)次且＝,±1,±2, …），得到一系列的離散諧振諧波長(zhǎng)。在諧波長(zhǎng)上的理論衍射效率達(dá)到100%。

對(duì)于設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為10mm，相位深度因子＝5、3、2、1的諧衍射透鏡，在波段3mm～12mm上可以得到波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的衍射效率如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)（單位：mm），縱坐標(biāo)為衍射效率。圖2針對(duì)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)上＝衍射級(jí)次的衍射效率的一個(gè)對(duì)比，從中心波長(zhǎng)開(kāi)始向波長(zhǎng)減小的方向，諧波長(zhǎng)的衍射級(jí)依次升高。

圖1 相同波段上不同p值所對(duì)應(yīng)的衍射效率(a) p＝5, (b) p＝3, (c) p＝2, (d) p＝1

圖2 p＝i時(shí)，p對(duì)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處衍射效率波段寬度的影響

由以上分析可知，在設(shè)計(jì)諧衍射透鏡時(shí)，相位深度因子存在一個(gè)合理的值可以平衡諧波長(zhǎng)個(gè)數(shù)和高衍射效率波段的寬度。實(shí)際上就是材料色散和衍射色散之間的平衡問(wèn)題，其決定諧衍射光學(xué)元件的衍射環(huán)帶結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意。

根據(jù)以上分析，由于諧衍射元件的衍射效率曲線(xiàn)在每個(gè)諧波處相對(duì)短波方向下降得快，而長(zhǎng)波方向下降得慢些，所以選取設(shè)計(jì)波長(zhǎng)0＝10mm，＝2。產(chǎn)生一系列諧波長(zhǎng)＝20mm、10mm、6.67mm、5mm、4mm、3.33mm、2.85mm、2.5mm，分別對(duì)應(yīng)衍射級(jí)次為＝1、2、3、4、5、6、7、8。其中諧波長(zhǎng)10mm和4mm正好落在所設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的中心波段偏短波段，即選取10mm和4mm為方案所用的中心波長(zhǎng)。衍射級(jí)次分別為2和5，兩波段內(nèi)衍射效率如圖3所示。

圖3 p＝2，l0＝10mm時(shí)，諧衍射元件的衍射效率曲線(xiàn)圖

綜合考慮衍射效率對(duì)紅外成像質(zhì)量的影響和實(shí)際材料透過(guò)率情況，?。?和＝5諧波段衍射效率曲線(xiàn)大于80%的波段作為我們?cè)O(shè)計(jì)的紅外工作波段范圍，如圖3的陰影部分所示。衍射效率曲線(xiàn)大于80%的具體波段數(shù)值范圍是：中波紅外波：3.8mm～4.3mm；長(zhǎng)波紅外波段：8.8mm～11.5mm。經(jīng)計(jì)算，10mm的第2衍射級(jí)次在波段8.8mm～11.5mm上的平均衍射效率可達(dá)到93%，4mm的第5衍射級(jí)次在波段3.8mm～4.3mm上的平均衍射效率可以達(dá)到93%，滿(mǎn)足光學(xué)系統(tǒng)對(duì)能量要求[5-8]。

該光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)消熱差和像差需要滿(mǎn)足以下3個(gè)公式：

各元件光焦度之和等于總的光焦度：

軸向消色差方程：

消熱差方程：

式中：1、2、3、4、5、6分別表示6個(gè)折射透鏡的光焦度；3d表示諧衍射面的光焦度。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)采用320×256、30mm雙色紅外探測(cè)器，其主要光學(xué)參數(shù)如表1所示。

基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)焦距較短，采用一次成像的結(jié)構(gòu)形式，共4片透鏡，分別為ZnSe球面透鏡、ZnS非球面透鏡、鍺非球面諧衍射面透鏡和硫系玻璃球非球面透鏡。在透鏡三鍺非球面透鏡上加諧衍射面，設(shè)計(jì)參數(shù)＝2,0＝10mm，產(chǎn)生的2級(jí)諧波長(zhǎng)10mm和5級(jí)諧波長(zhǎng)4mm正好分別落在長(zhǎng)波和中波的中心波長(zhǎng)處。光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

表1 光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 f45F2雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)示意圖

冷反射是含制冷探測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)的一種特有現(xiàn)象。是由于冷光闌經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)鏡片反射再透射在探測(cè)器上形成的成像缺陷。這種成像缺陷會(huì)造成探測(cè)器所接受的背景能量降低，從而在畫(huà)面上形成一個(gè)黑斑[9-10]。

基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡力控制其冷反射強(qiáng)度，控制各個(gè)表面的YNI（the paraxial marginal ray height × the index ×the angle of incidence at the surface，近軸像高×折射率×入射角）值，保證像面不會(huì)產(chǎn)生冷反射現(xiàn)象。同時(shí)利用材料搭配和諧衍射面綜合控制光學(xué)系統(tǒng)的像差和熱差，最終得到了滿(mǎn)足使用要求的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)像質(zhì)分析

基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)主要使用MTF、點(diǎn)列圖及畸變圖來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）MTF分析

該光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)溫度下的MTF如圖5所示。

由圖5可知，3個(gè)溫度下在空間頻率為16lp/mm時(shí)的MTF軸上＞0.5，軸外＞0.4；滿(mǎn)足雙色探測(cè)器使用要求。

2）點(diǎn)列圖分析

系統(tǒng)各個(gè)溫度下的點(diǎn)列圖如圖6所示。

由圖6可知基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)3個(gè)溫度下的RMS彌散圓均方根值均小于雙色探測(cè)器的一個(gè)像元尺寸，從而保證了該光學(xué)系統(tǒng)－40℃～60℃寬溫度范圍內(nèi)均具有較好的像質(zhì)。

3）畸變分析

系統(tǒng)各個(gè)溫度下的畸變圖如圖7所示。

由圖7可知基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)3個(gè)溫度下的畸變值均小于2%，滿(mǎn)足使用要求。

4）冷反射分析

本系統(tǒng)冷反射分析結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過(guò)分析冷反射列表，可發(fā)現(xiàn)YNI值的絕對(duì)值均大于0.3，不會(huì)產(chǎn)生明顯的冷反射。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于諧衍射的紅外雙波段共口徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的焦距為45mm，波段為中波和長(zhǎng)波，利用折射/諧衍射及材料搭配消除了紅外寬波段的像差和熱差，實(shí)現(xiàn)了紅外雙波段共口徑消熱差成像，系統(tǒng)的MTF較高，RMS均方根值小于雙色紅外探測(cè)器的一個(gè)像元尺寸，成像質(zhì)量滿(mǎn)足使用要求。隨著雙波段探測(cè)器和諧衍射透鏡研發(fā)制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)必將在目標(biāo)跟蹤、識(shí)別、精確打擊等軍工系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

圖5 不同環(huán)境溫度下的16lp/mm光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)

圖6 不同環(huán)境溫度下的RMS點(diǎn)列圖

圖7 不同環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的畸變圖

表2 冷反射分析結(jié)果

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Design of Infrared Dual-Band Common Aperture Thermal Elimination Optical System Based on Harmonic Diffraction

LI Shenghui1，LI Xin2，LI Hongjing1

(1.,,430074,; 2.,650223,)

We proposed an infrared dual-band common aperture optical system, without thermalization, based on harmonic diffraction in this study. The optical system has two working bands of 3-5mm and 8-12mm, a focal length of 45mm, a value of F/# of 2, and a resolution ratio of the frigorific double-color detector of 320×256 with a 30mm pixel size. The harmonic diffractive optical element improves the large dispersion problem of the diffractive optical element over a wide wavelength band and solves the severe dispersion problem of the diffractive optical element over a wide wavelength band and low diffraction efficiency. The optical system uses harmonic diffractive optical elements to widen the chromatic aberration of the band and temperature range, so that the mid and long-wave infrared diffracted at different diffraction orders, to achieve resonant confocal imaging, and the dual-band infrared optical system are corrected using fewer optical components. This optical system also reflects the incomparable advantages of traditional optical systems with respect to improving image quality, reducing volumetric weight, and wide-band a thermalization. With the further investigation of the research and development (R&D) and manufacturing technology of dual-band detector harmonic diffractive lenses, this dual-band optical system could be widely used in military systems such as target tracking, identification, and precision strikes.

infrared double band, athermalization, harmonic diffraction, common aperture

TN216

A

1001-8891(2020)01-0019-06

2019-08-28；

2020-01-02.

李升輝（1982-），男，工程師，碩士，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、電工電子的研究。E-mail: lishenghui@hust.edu.cn。

李虹靜（1989-），女，助理工程師，主要從事電工電子和PLC的研究。E-mail: 739003778@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61805089）