双层衍射元件在投影式头盔光学系统设计中的应用

利用双层衍射元件设计了一款折衍混合投影式头盔光学系统。系统的衍射效率在可见光波段>90%,提高了像面图像的对比度,增加了色彩真实性。在出瞳距离为25 mm,出瞳直径为10 mm条件下,系统的视场角为50°,有效焦距为32 mm,直径为19.2 mm,重量为7.8 g,继承了投影式头盔光学系统的轻小性特征;调制传递函数(MTF)在38 lp/mm时,边缘视场达到0.3以上,中心视场达到0.6,充分满足2.8 cm(1.1 in)彩色LCD微显示器的SXGA显示模式;系统垂轴色差为8.2μm,场曲为0.4 m-1,畸变为5%,成像质量满足虚拟环境和可视化训练要求。文中给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,每周期刻蚀八个台阶时,最小特征尺寸为6.3μm,且易于加工实现。

含有塑料双层衍射元件的微光夜视折衍混合物镜

为满足微光夜视光学系统的轻小化要求,利用塑料双层衍射元件研制了一款折衍混合微光夜视物镜系统.系统在整个设计波段任意波长的衍射效率均大于90%,有效地提高了光能利用率和成像对比度.系统的视场角为32°,有效焦距为32 mm,直径为26 mm,长度为49 mm,重量为28 g;调制传递函数(MTF)在35 lp/mm时,边缘视场达到0.4以上,中心视场达到0.7;满足超二代微光探测器的成像要求.同时给出了双层衍射元件的二元面特征曲线,当每周期刻蚀8个台阶时,最小特征尺寸为15.63μm,易于塑料光学元件的挤压成型.

基于双层衍射元件的红外双波段光学系统设计

利用红外双波段成像能够获得更多的信息,从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中,可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性,相比于单层衍射光学元件,多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率,给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此,设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中,双层衍射光学元件在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明,系统像质良好,满足要求。

双层谐衍射元件的衍射效率分析

单层谐衍射元件由于只在谐振波长处能精确闪耀,随着波长偏离谐振波长,衍射效率迅速下降,导致宽波段成像质量变差。为了将谐衍射元件的应用拓展到宽波段,本文重点对可等效为普通单层衍射元件的双层谐衍射元件的衍射效率进行了详细的分析。理论分析得出此种双层谐衍射元件的衍射效率在整个设计波段明显高于单层(谐)衍射元件的衍射效率,而且在整个设计波段的分布基本平衡。进一步以红外波段的常用材料Ge和ZnSe构成的双层谐衍射元件以及由它们分别构成的单层(谐)衍射元件为例,应用Matlab对其衍射效率进行了模拟。模拟结果得出双层谐衍射元件在整个设计波段的衍射效率均高于97%,明显高于单层(谐)衍射元件的衍射效率。这为双层谐衍射元件应用于宽波段成像领域提供了有力的理论支撑。

含有双层衍射光学元件的红外双波段无热化光学系统的设计

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为100mm,F#为2,采用像元数为640×512、间距为15μm的制冷型探测器。该系统在空间频率33lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.52和0.16,最大RMS半径小于9.88mm,波前像差小于0.0705λ,最大离焦量小于焦深,在-40℃~71℃范围内实现了无热化设计。系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于99.15%。入射到衍射面上的角度为0°~10°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为97.70%和96.95%。

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7~4.8)μm和(7.7~9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.1917λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°~5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。

双层衍射光学元件在0.4～0.9 μm宽波段光学系统中的应用

双层衍射光学元件能够在宽波段光谱范围内工作并具有较高的衍射效率。提出了工作在一定入射角范围内的双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。设计了一种工作波段为0.4~0.9 μm的含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统。其焦距为28mm,F/#为2,视场达到18°。该系统采用Petzval物镜结构,由四片透镜组成。在60lp/mm处,其调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)大于0.67。所用双层衍射光学元件在0.4~0.9 μm波段内的带宽积分平均衍射效率高于91%。系统中入射到衍射面上的角度为0°~8.62°。该双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率为97.36%。与传统的折射式宽波段光学系统相比,含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统的结构更简单,分辨率更高。

红外宽波段双层谐衍射光学系统的设计

相比传统的折反射元件，衍射光学元件和谐衍射光学元件因其独特的色散性能和温度效应在消色差和补偿热差方面有得天独厚的优势，将其应用于混合光学系统，可以简化结构，提高像质。但是二者衍射效率均依赖于波长，降低了宽波段成像的对比度。而双层谐衍射元件可以减弱衍射效率对波长的依赖性。因此，该红外宽波段系统采用双层谐衍射元件，第一层材料为Ge，第二层材料为．ZnSe，微结构厚度分别为73．3μm和149．3μm，整个工作波段的衍射效率达到97．5％以上。在CodeV中仿真优化得出：混合系统的各种像差性能都比较理想，特别是宽波段8～14Ixm的色差得到了很好的校正，二级光谱得到较好的控制，系统的调制光学传递函数接近衍射限。最终的性能测试结果显示：各项性能均可满足使用要求。

制冷型折衍混合双波段红外光学系统设计

能够同时工作在中波红外和长波红外频谱范围内的双波段红外光学系统可以有效利用这两个波段的信息,实现优势互补,从而显著提升其探测性能,应用前景广阔。双层谐衍射光学元件不仅具备独特的色散特性,还可以在多个设计波长处获得很高的衍射效率,为双波段红外光学系统设计提供了新思路。针对双层谐衍射光学元件的相关理论进行了研究,并基于双层谐衍射光学元件完成了焦距为200 mm,F数为2的制冷型折衍混合双波段红外光学系统的设计。成像质量分析以及冷反射分析结果表明,所设计光学系统的各类像差得到了有效校正,成像质量优良。

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式。实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降。当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0。

斜入射下双波段双层衍射光学元件优化设计与分析

基于斜入射衍射光学元件的正常工作模式,建立了斜入射下入射角度和入射波长对双波段双层衍射光学元件衍射效率影响的数学模型,给出了对应双层衍射光学元件的优化设计方法。通过在入射角度范围内优化设计波长对,计算双层衍射光学元件微结构高度,确保了斜入射时双层衍射光学元件仍具有高衍射效率,弥补了双层衍射光学元件的缺陷。该方法能够指导双波段折衍混合成像系统的设计,也可以扩展至多波段多层衍射光学元件的设计中。依据该方法,设计了一套基于双层衍射光学元件的中/长波双波段折衍混合光学系统。结果表明,与常规设计相比,该方法的设计理论更加合理,设计结果更优。

小F数红外双波段无热化折衍摄远物镜设计

衍射光学元件(DOE)在红外双波段甚至多波段的应用逐渐成为热点。基于双层DOE的多色光积分衍射效率(PIDE)最大化的设计思想,在工作波段范围内设计最佳工作波长,从而计算双层DOE的最佳微结构高度,并给出了适用于多波段光学系统的PIDE权重分配的数学分析模型。基于此双层DOE,设计了F数为1.1、焦距为75 mm的双波段(3.7~4.8μm和8.0~12.0μm)红外光学系统。在29.4 lp/mm空间频率处,系统中、长波红外所有视场调制传递函数(MTF)分别高于0.60和0.45,在-40~60℃范围内实现了无热化设计。该系统在改善成像质量、小型化、轻量化,以及红外双波段消热差等方面表现出了巨大的优势。