紅外雙波段雙層衍射定焦光學系統設計

漆云海, 李紹楠, 杜保林, 張 鵬, 胡磊力

(1.海軍裝備部,北京 100000; 2.中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所,河南 洛陽 471000;3.空基信息感知與融合全國重點實驗室,河南 洛陽 471000)

0 引言

機載紅外光電系統工作波段主要為中波紅外(MWIR)3～5 μm 波段和長波紅外(LWIR)8～12 μm 波段,隨著光電目標識別技術的進步,單一中波紅外或長波紅外的工作波段已無法滿足軍用光電產品的需求,因而,開展能夠應用于兩種波段的光學系統的設計研究具有重要意義。光電產品安裝使用的機載環境惡劣,溫度變化大,定焦光學系統采用無熱化設計將很好地提升光電產品的輕量化和環境適應性水平。

楊亮亮等[1]設計了一種含有雙層衍射光學元件的紅外雙波段系統,焦距為 100 mm,F數為 2,在-40～+71 ℃范圍內實現了無熱化設計;李升輝等[2]設計了一種基于諧衍射的紅外雙波段光學系統,焦距45 mm,F數為 2,配套320像素×256像素的雙色制冷型探測器,解決了寬波段上的大色散問題和衍射光學元件在寬波段上衍射效率低下的問題;張博等[3]針對雙波段多層衍射光學元件的基底材料選擇提出了一種選型方法和相應的數學模型,并依據該方法設計了10倍中長波折衍混合雙波段紅外變焦系統;李杰等[4]設計了一種基于諧衍射和自由曲面的離軸三反紅外雙波段成像光學系統,焦距1200 mm,口徑300 mm,能夠在-60～+60 ℃工作溫度范圍內實現非熱敏化,滿足機載使用環境的無熱化要求。由以上研究可見,能夠覆蓋中長波紅外的雙波段成像光學系統的難點一方面是工作波段寬、色差比較嚴重,另一方面是要求在兩個波段都具有較高透過率、可以用來校正色差的紅外材料缺乏,導致該類光學系統的設計難度大。另外,單層衍射光學元件衍射效率低,僅應用于單波段紅外系統,需采用雙層或多層衍射光學技術來滿足中長波紅外雙波段光學系統小型化和高透過率的需求[5]。

本文設計了一種能夠對中波紅外3～5 μm 和長波紅外8～12 μm兩個波段同時成像的光學系統,系統采用了二次成像的結構形式,可以有效縮小透鏡的口徑,采用雙層衍射光學元件實現了消色差設計。F數為2,光學系統焦距為200 mm,冷光闌效率達到了100%,在中長波紅外的兩個波段的透過率均大于80%。光學系統在-55～+71 ℃范圍內達到了無熱化的設計要求。

1 光學系統設計

傳統單層衍射元件只有在設計的中心波長處衍射效率最高,理論上可以達到100%,其衍射效率會隨著偏離入射波長而下降,這樣會降低系統分辨率,從而降低光學系統的成像質量,多應用于成像光譜不太寬或者對系統分辨率要求不高的成像光學系統。具有連續面型的衍射光學元件(DOE),在紅外和可見光波段的光學系統中都有廣泛的應用,而多層衍射光學元件可提高寬波段的衍射效率。

1.1 多層衍射光學元件在雙波段紅外光學的設計分析

設計時可將3～5 μm 波段和8～12 μm 波段雙波段同時作為工作波段進行分析。雙層衍射光學元件的綜合帶寬積分平均衍射效率和最大綜合帶寬積分平均衍射效率隨波長分布如圖1所示。

圖1 3～5 μm和8～12 μm雙層衍射光學元件的帶寬積分平均衍射效率與設計波長關系Fig.1 Bandwidth IADE of double-layer(3～5 μm and 8～12 μm)DOE versus design wavelength

圖1中,x、y坐標分別表示兩個設計波長λ1、λ2,z坐標表示與設計波長對應的帶寬積分平均衍射效率(IADE)。得到的紅外雙波段的綜合帶寬積分平均衍射效率最優化時對應的雙層衍射光學元件的設計波長、最優化的綜合帶寬積分平均衍射效率,以及雙層衍射光學元件在各個波段的帶寬積分平均衍射效率和表面微結構高度,如表1所示。

表1 雙層衍射光學元件的帶寬積分平均衍射效率和表面微結構高度

由圖 1可知,在3～12 μm整個紅外波段,雙層衍射光學元件的最大帶寬積分平均衍射效率為97.79%,相應的設計波長分別為3.8 μm和10.196 μm。在剔除5～8 μm波段時,以3.8 μm和10.196 μm為雙層衍射光學元件的設計波長。將設計波長及兩種材料在兩個設計波長對應的折射率代入

(1)

(2)

可計算對應的雙層衍射光學元件的表面微結構高度值,然后計算出雙層衍射光學元件在中波和長波紅外波段的帶寬積分平均衍射效率,計算結果見表1。

1.2 光學系統的二次成像結構

光學系統采用二次成像的結構形式,由前組和后組兩部分組成,如圖2所示。

圖2 二次成像光學系統圖Fig.2 Structure diagram of secondary imaging optical system

圖5 光學系統在16.0 線對/mm空間頻率下不同溫度的MTF曲線(中波紅外)Fig.5 MTF curves of the optical system at 16.0 lp/mm spatial frequencies and different temperature(MWIR)

圖6 光學系統在16.0 線對/mm空間頻率下不同溫度的MTF曲線(長波紅外)Fig.6 MTF curves of the optical system at 16.0 lp/mm spatial frequencies and different temperature(LWIR)

由圖2可知:前組有3片透鏡,光線經過前組透鏡第1次成像后,再由后組透鏡成像在探測器的焦平面上;后組也由3片透鏡組成。前組孔徑位置和系統冷光闌位置形成共軛關系,不僅實現了100%的冷光闌效率,還達到縮小前組透鏡口徑的目的。二次成像結構還能夠在滿足指標要求前提下減小光學系統的體積,并減輕其重量。

1.3 材料選擇

對于工作在中波紅外3～5 μm和長波紅外8～12 μm的紅外雙波段光學系統,透鏡材料要保證在兩個波段范圍內都具有較高的透過率。常用的可同時工作在中波紅外和長波紅外的光學材料有鍺(Ge)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)等。在ZnSe和ZnS基底上用單點金剛石車削設備加工高次非球面的表面質量在工藝上可以實現。ZnSe表面加工時偶爾出現的橘皮狀對系統的成像質量無明顯影響。

光學材料采用了Ge、ZnSe和ZnS,總長為400 mm,前組透鏡的口徑大幅度減小,其中,光學系統第2片透鏡的口徑最大,有效口徑尺寸小于104 mm。為了實現系統的無熱化設計,鏡筒材料選擇了鈦合金(Ti6A14V)。

光學系統的非球面矢高方程為

(3)

式中:c為表面曲率;k為二次曲面系數;r為透鏡徑向坐標;a1～a8為非球面系數,光學面2的非球面系數分別為a2=-5.557149×10-8、a3=7.907441×10-12,光學面3的非球面系數分別為a2=-1.024606×10-7、a3=6.144904×10-12,光學面7的非球面系數為a2=-8.372141×10-6,光學面8和光學面9的衍射面均以非球面為基底,其基底非球面系數分別為a2=-4.665563×10-7、a3=-6.271939×10-10,光學面10的非球面系數分別為a2=-2.015591×10-5、a3=1.377153×10-8、a4=-5.853564×10-12,光學面11的非球面系數分別為a2=-1.355411×10-5、a3=-1.826135×10-8、a4=-2.6597×10-10,光學面12的非球面系數分別為a2=-1.148808×10-5、a3=-1.781576×10-7、a4=-8.544448×10-10、a5=6.184503×10-12。

光學面8是第1層衍射面,基底材料為ZnSe,衍射面的微結構高度H1=206.8779 μm。第1層衍射面的位相方程為

(4)

式中:φ1為位相;a1為位相系數;h為基底元件徑向口徑;衍射級m1=71;波長λ=4.174 μm。

光學面9是第2層衍射面。基底材料為ZnS,衍射面的微結構高度H2=233.4652 μm。第1層衍射面的位相方程為

(5)

式中:φ2為位相;b1為位相系數;h為基底元件徑向口徑;衍射級m2=70。

1.4 透過率分析

使用的透鏡材料有Ge、ZnSe和ZnS,3種材料透鏡(雙面不含吸收)的理論設計鍍膜透過率曲線如圖 3所示,可以看出,3種材料的透鏡在2個波段的平均透過率都高于99%。

圖3 3種材料透鏡理論設計鍍膜透過率曲線Fig.3 Theoretical design of coating transmittance curves of three kinds of material lenses

根據3種材料的透過率和方案設計確定的各透鏡的最大厚度,即ZnS透鏡的中波為99.52%、長波為97.17%、平均為98.34%;ZnSe透鏡的中波為99.86%、長波為99.82%、平均為99.84%;Ge透鏡的中波為99.75%、長波為98.13%、平均為98.94%,計算出所用各材料透鏡的總透過率為 0.983×0.998×0.989=0.97,即97%。

1.5 MTF

1.5.1 常溫MTF分析

對于設計的光學系統,分別給出了20 ℃溫度下其在中波紅外3～5 μm和長波紅外8～12 μm波段范圍的MTF曲線,如圖 4所示。

圖 4 (a)中,在16.0 線對/mm的空間頻率下,軸上點MTF值為0.756,最大視場MTF值大于0.63;圖 4 (b)中,在16.0 線對/mm的空間頻率下,軸上點MTF值為0.611,最大視場MTF值大于0.54。光學系統在2個波段范圍內的成像質量都接近衍射極限。

1.5.2 高低溫環境MTF分析

光學系統的工作環境溫度范圍為-55～+71 ℃,對致冷型紅外雙波段光學系統在中波3～5 μm和長波8～12 μm,分別給出了-55～+71 ℃范圍內16.0 線對/mm空間頻率的MTF曲線,如圖 5、圖 6所示。

由中波和長波2個波段范圍內的各溫度MTF曲線可以看出,在16.0 線對/mm的空間頻率下,中波紅外波段各溫度各視場MTF曲線都高于0.62,長波紅外波段各溫度各視場MTF曲線都高于0.51,該系統很好地實現了無熱化設計,達到了環境溫度穩定性要求。

1.6 光學系統的公差

光學系統加入公差后16.0 線對/mm2個波段的MTF見表 2。

從表2可見,加入公差后的MTF能夠滿足設計技術要求,公差適度。加工誤差補償環節使用最后一個透鏡表面與杜瓦瓶窗口之間的空氣間隔。中波公差分析后,該空氣間隔的變化量為-0.11～+0.11;長波公差分析后,該空氣間隔的變化量為-0.11～+0.11,2個波段的調整量相同。

表2 中/長波公差分析結果

2 結束語

采用雙層衍射光學技術與二次成像系統設計了致冷型雙波段紅外光學系統,設計結果在各方面都達到了技術指標要求。實測結果表明,光學系統在焦距為200 mm、F數2,3～8 μm、8～12 μm工作波段,雙波段像面位置相同,空間頻率16.0 線對/mm情況下,軸上點MTF不低于0.42,透過率不低于81%,在-55～+71 ℃內具備無熱化能力,鏡頭成像質量好、功能性能穩定,達到了技術指標要求。設計的系統可為紅外雙波段無熱化系統的發展提供參考。