含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计

　　0　引言

　　工作在可见光和红外光波段的光学系统均存在热效应,由于红外光学材料的折射率温度系数较大,如常用的红外光学单晶锗为3.96×10℃-1,是可见光玻璃的近80倍,且由于军事和空间探测的需要,大多数红外系统都需要在一个很大的温度范围内工作,因此有必要对红外系统进行无热化设计,以补偿因温度变化造成的像面漂移所产生系统成像性能的降低[1].衍射元件( Diffraetive OpticalElement,DOE)具有负色散,正光焦度,折射率温度系数仅与材料的膨胀系数决定的特点,与传统的折射透镜组成的混合折射系统相比能够很好地消色差、消热差[2].光学主动式消热差使用不同特性的光学材料的合理组合,利用光学材料热特性之间的差异来消除温度的影响,获得补偿.此类光学系统具有结构简单、尺寸小、重量轻、无需供电、可靠性好等特点,非常符合现代光学仪器的小型化、轻型化要求,故而成为光学系统无热化研究的热点[3-5].

　　由于单波段信息弱,且有目标伪装、辐射波段移动等情况,使成像系统不能探测到目标的存在或探测的准确度下降,于是提出了双波段成像系统的研究.文献[6]将Sweeney等人提出的谐衍射透镜(Harmonic Diffrative Element,HDE)[7]应用在红外折射光学系统中实现红外双波段探测.但单层衍射元件只在设计中心波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降(且随着位相调制厚度的增加其衍射效率随波长的下降更甚),次衍射级次的衍射能量弥散在主衍射级次的像面上,影响了像面的对比度,降低了系统的成像质量.为克服此困难,我们在前面的工作中将双层谐衍射元件引入到折衍混合光学系统中,使得衍射效率在两个波段均达到90%以上[8].为适应双波段消热差设计,Tamagawa等提出归一化热差系数和色差系数的概念,将温度和波长变化引起的光焦度变化与透镜光焦度的比值绘制于同一坐标系内,这样就可以方便地按照消热差和消色差的条件,得到满足该条件的光焦度的解[9].

　　本文利用分离透镜投影消热差图和双层衍射元件选玻璃原则,选择了适用的红外玻璃材料.设计的含有双层谐衍射元件的光学系统工作在3.4~4.2μm和8~11μm两个波段,视场角10°,F#为2,有效焦距115 mm,在-40~100℃温度范围内:轴向视场的调制传递函数值变化对于8~11μm波段小于0.02,对于3~5μm波段小于0.09;全视场的调制传递函数值变化3~5μm小于0.13,8~11μm波段小于0.05,冷光阑效率100%.

　　1　理论分析

　　1.1　谐衍射透镜

　　对于谐衍射透镜,环带间光程差为pλ0(p是≥2的整数),相当于设计波长为pλ0,焦距为f0的普通衍射透镜,如图1.若对使用波长为λ的m衍射级次成像,则其焦距fm,λ为pλ0/mλ.要求fm,λ与设计焦距f0重合,即应满足:mλ=pλ0,所以参数p提供了设计参数,在一定光谱区范围内控制哪几种的波长会聚到一个焦平面[7].