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。

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。

双层谐衍射红外消热差系统设计

考虑到消像差和消热差,在谐衍射的基础上提出了双层谐衍射透镜的概念.采用Ge和AMTIR I两种红外材料组成的三片式折衍射混合结构设计了工作于3~5μm和8~12μm双波段、F/#为1.2的大相对孔径红外消热差光学系统.该系统在(-40^+60)℃范围内性能稳定,适用于像元尺寸25μm,像元数640×480的凝视式双波段焦平面阵列探测器,可在2km时分辨3m范围的目标.它既保留了普通衍射透镜的独特性能,又可以在一系列分离的波长处获得相同的光焦度,且大幅度提高各波段的衍射效率.

双层谐衍射红外消热差光学系统设计

为了有效提高系统在红外的探测与识别能力,实现红外双波段光学系统消像差和消热差,采用具有负色散性能的双层谐衍射元件,设计了一款双层谐衍射/折射混合红外双波段消热差光学系统。基于红外光学系统消热差理论分析了温度对光学参数和系统性能的影响,利用Zemax仿真分析了光学系统在-60~200℃温度范围下的像质。研究结果表明:在尼奎斯特频率为20lp·mm-1与探测器的像元尺寸为25μm的条件下,中波波段的光学调制传递函数均大于0.5,长波波段的光学调制传递函数均大于0.25,中波与长波处的最大弥散斑尺寸均小于25μm,同时系统适应的温度环境范围大。系统具有像质高、分辨率高及工作温度范围大的特点。

基于双层谐衍射透镜的线阵列光子轴温探测器

介绍了基于双层谐衍射透镜的线阵列光子轴温探测器的特点和工作原理,并对线阵列光子轴温探测器在轴温及相关热源的探测过程中的应用提出了一些建议与改进方法。

双层谐衍射双波段红外消热差光学系统设计

设计了工作于3～5μm和8～12μm双波段、F数为1.2的大相对孔径的红外消热差光学系统。该系统全视场角为22°,有效焦距为50mm,系统总长78mm。系统采用锗和AMTIR I(Ge、As、Se混合材料)两种材料,为三片镜结构。通过引入双层谐衍射元件,大大提高了衍射效率,减小了色差,并使系统重量减轻。系统在-40℃～60℃的温度范围内性能稳定,适用于像元尺寸为25μm,像元数为640pixel×480pixel的凝视式双波段焦平面阵列探测器。设计结果表明:当探测器的尼奎斯特频率为20lp/mm时,温度取不同值时的调制传递函数(MTF)值均大于0.5,成像质量良好,实现了消热差设计。可在作用距离为2km时,分辨3m范围的目标,满足军事侦察的需求。

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。

红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计

采用双层Kinoform型衍射光学元件,设计了一种能够同时在红外中波（MWIR）3-5μm和长波（LWIR）8-14μm波段内工作的双波段光学系统。系统仅使用两种材料（ZnS和ZnSe）和四片透镜,实现了焦距100mm、F数1.2的长焦距、大相对孔径光学系统设计。通过数值仿真运算,合理地选择双层衍射光学元件的两种基底材料及设计波长,衍射光学元件的带宽积分衍射效率超过96%。系统像差得到了很好的校正,成像质量良好,中波所有视场调制传递函数（MTF）（14.3lp/mm）大于0.7,长波大于0.65,且接近衍射极限,同时分析了衍射效率对系统MTF的影响。最后利用Matlab软件绘制了衍射表面微结构仿真图,两个衍射面的最大闪耀深度分别为179.3μm和159.4μm,最小特征尺寸为1.41mm,完全满足目前金刚石车削工艺的加工要求。