用于大相对孔径红外镜头的衍射光学元件

　　1　引　言

　　随着国内外金刚石精密切削技术的飞速发展,具有特殊面型与功能的新型光学元件不断涌现并应用到系统中,衍射光学元件(Diffractive Optical Ele-ments,DOE)就是其中一种典型的非传统光学元件。衍射光学元件除了可以实现传统光学元件的功能,还可以实现色差校正、热差校正等一些特殊功能。衍射光学元件与传统光学元件混合使用,扩展了光学设计的自由度,为设计制作高性能光学系统提供了新的手段;并且可以在此基础上优化光学系统的结构、减少系统中光学元件的数量,实现系统小型化设计。

　　本文将从用于8~12μm非制冷热像仪大相对孔径红外镜头出发,对比此类红外镜头的多种设计,突出衍射光学元件在此类镜头中的作用。

　　2　设计中考虑的因素

　　2.1　非制冷探测器对光学系统的影响

　　最小可分辨温差(MRTD)是衡量红外成像系统的综合指标,它将系统的温度分辨率与空间分辨率联系起来,可以全面地表征系统的目标的分辨能力。MRTD与光学参数之间有如下关系[1]:

       与制冷型的红外探测器相比,非制冷型探测器的灵敏度较低。如果使8~12μm非制冷热像仪具有较理想性能指标,这就要求增大镜头系统相对孔径,提高系统透过率,并且镜头的成像质量要尽量的好。

　　随着镜头系统相对孔径的增大,色差成为影响系统成像质量的一个重要因素,图1为镜头孔径尺寸与色差的关系。当镜头的色差超过探测器像元尺寸时,就要对镜头的色差进行校正。

　　2.2　衍射光学元件设计考虑的因素

　　对于衍射光学元件,衍射效率与中心波长、波段范围、衍射级以及材料的折射率有关。由于大部分的光学系统均工作在一定的波段范围内,而衍射光学元件只对中心波长的光精确闪耀(衍射效率为100%),其衍射效率随着使用波长的偏离设计波长而降低。衍射光学元件的第m级衍射的衍射效率为[2]:

　　其中λ0为中心波长,m为衍射级,n为材料折射率。在8~12μm波段范围内,衍射效率与波长,衍射级的关系如图2所示,所以在设计中我们一般采用+1级衍射。

　　采用+1级衍射,工作在λ1~λ2波段衍射光学元件的衍射效率为[3]:

　　M.Rossi指出:衍射效应发生的条件为位相数大于1;但是利用衍射光学元件实现色差校正,衍射面的位相变换数要大于4,否则色差校正效果不理想[4]。这也是衍射光学元件的只能用在大相对孔径系统的原因之一。

　　3　光学设计与性能分析