头盔式微光夜视仪中折/衍混合物镜的设计

　　0　引言

　　头盔式单目微光夜视仪是一种装在步兵或伞兵头盔上的微光夜视系统,又称夜视眼镜。夜视镜利用星星、月亮与夜空可得到的红光与近红外光线,通过像 增器进行增强,形成可见图像供人观看[1]。传统的头盔式单目微光夜视系统设计大多采用球面设计,在设计中由于成像物镜视场和相对孔径较大,各种像差的校 正也比较困难,如果全部采用球面,在满足成像质量的情况下,必须增加更多的镜片和更加复杂的结构型式,这将导致系统体积增大,重量增加。近年来随着国内外 微细加工技术的飞速发展,具有特殊面型与功能的新型光学元件不断涌现并应用到光学系统中,衍射光学元件(Diffractive OpticalElements,DOE)就是其中一种典型的非传统光学元件[2]。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[3-4]。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,在改善成像 质量、减小系统的体积和重量方面表现出光学系统不可比拟的优势。

　　本文在传统头盔式单目微光夜视系统中引入二元光学元件,采用折/衍混合透镜达到减少、简化整个系统的结构,缩小体积、减轻重量的目的。突出了衍射光学元件在此类系统中的作用。

　　1　折/衍物镜设计

　　1.1　衍射面的引入

　　因为大部分光学材料的折射率都随波长的增大而减小,因而导致透镜的光焦度随波长的增大而减小。假设中心波长为λD,工作波段为λF~λC(且 λF<λC),nF、nD和nC为折射率,如果位于空气中的曲率半径分别为R1和R2的薄透镜,物面位于无穷远,则该透镜的光焦度φ(λ)为

　　衍射元件不同于传统的折射元件,它是一种光栅结构,在标量衍射理论下,其机理类似于菲涅耳波带片,它的焦距决定于入射波长和环带宽度。如图1所示。

类似于折射元件,也可以定义衍射光学元件色散能力的阿贝数vd,由上面两式可得:

　　可以看出衍射光学元件与折射元件的色散阿贝数具有不同的性质:一是只和波长有关,与材料的特性无关,即不管构成衍射元件的材料的折射率如何,只 要在同一波段内,就具有相同的色散能力;二是vd的绝对值较传统玻璃组成的折射元件的阿贝数vr小且为负值,表明衍射元件具有较强的色散,同时其色散与折 射元件的色散相反,即衍射元件的光焦度随波长的增大而增大。因此衍射元件的这种特性对光学系统消色差很有好处。从消色差的角度讲,衍射元件的引入为光学设 计工作增添了特殊光学材料。而旋转对称的衍射面的相位函数表示形式为