基于谐衍射特性的红外双波段光学系统设计

　　1 引 言

　　红外辐射主要有近红外( 0. 75 ～2. 5 μm) 、中红外( 3. 2 ～4. 5 μm) 和热红外( 8 ～ 14 μm) 三个大气窗口，目前的红外光学系统绝大多数为其中某个单波段系统。单波段成像技术从单元到线阵及焦平面的发展已较为成熟，但随着伪装技术的发展，侦察识别目标的难度也越来越大，单一波段红外探测系统获取的信息量有限，不能满足现代军事侦查全天候、高分辨率和实时传输的需求[1]。如果热成像系统能在中波、长波两个波段获取目标信息，就可对复杂背景进行抑制，提高对目标的探测和识别效果，从而显著提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性。因此，双波段成像系统具有广泛的应用前景和技术优势。在国外，很早就提出了双波段成像系统的研究，其中有一些已在实际系统中得到应用。由于可供选择的红外材料有限，能响应两个波段的双波段红外探测器技术还不成熟，早期应用多为分光路或部分共光路系统。这些系统在进行不同波段图像融合时，像元配准误差大，影响探测精度和容易混淆被探测目标，得到并不真实的信号强度[2]。从美国等一些国家在 20 世纪 70 年代提出研制双色和多色探测器至今，国内外在双色探测器的研制上都已取得了很大进展，加上 1995 年 Sweeney 等人分别提出了谐衍射透镜( HDE) 的概念，为一系列分离波长处获得相同光焦度提供了理论支撑，基于这种全新器件的双波段共光路成像系统得到了成功应用。

　　利用谐衍射透镜的特性，本文讨论了谐衍射光学元件的成像理论和色散特性，对含有谐衍射面的红外双波段光学系统进行了研究，从衍射理论出发，弥补了多波段成像过程中的大色散缺点，并给出了公式和具体设计[3]。在 4. 4 ～5. 4 μm 和 7. 8 ～8. 8 μm波段成像质量接近衍射极限，适合现代空间和军事对红外双波段探测的高精度要求。

　　2 理论分析

　　2. 1 谐衍射光学元件的成像理论

　　对于谐衍射镜来说，其特点是相邻环带间的光程差是设计波长 λ0的整数 p( p≥2) 倍，突变深度d 也是普通衍射镜的 p 倍。图 1 示出普通衍射和谐衍射元件的对比。

　　这就说明，对于谐衍射镜，凡满足的波长都将汇聚到共同的焦点处。p 是设计时确定的参数，谐振波长可由上式确定选取，p 越大，光谱波段内的谐振波长越多，p 提供了新的自由度。例如，取p = 2，中心波长 λ0= 10 μm，则整数 m 可以选 2，3，4，5，分别对应波长 10 μm，6. 7 μm，5 μm，4 μm，这些波长称为谐波长。在谐波长处，光焦度保持不变，衍射效率均达到 100%[4]。