含有塑料双层衍射元件的微光夜视折衍混合物镜＊

范长江， 赵亚辉， 徐建程， 任志君， 应朝福， 王 辉

(浙江师范大学信息光学研究所，浙江金华 321004)

0 引言

微光夜视仪是一种利用光增强技术的光电成像系统，利用它可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力，弥补人眼在空间、时间、能量、光谱和分辨能力等方面的局限性，极大地扩展了人眼的视野和功能．

传统物镜结构口径较大，采用球面玻璃材料设计时，系统结构形式复杂，体积、质量偏大，不适宜使用者长时间观察使用．目前，计算机辅助设计注塑成型、超高精度(10 nm)非球面面形检测技术的发展［1］，使得聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PC)等高精度塑料光学元件，以其质量轻、形状易控、设计自由度高、高级像差小等优点而代替球面透镜，减轻光学系统的质量成为可能［2-4］．

折/衍混合成像系统可达到光学系统的轻小化，越来越多地应用于光学系统的设计中．但传统的单层衍射元件只能在单一波长时实现某一衍射级的高衍射效率，随着使用波长逐渐偏离设计波长，衍射效率逐渐下降［5-6］．如含有单层衍射元件的折衍混合光学系统用在可见光波段成像时降低了成像的对比度，影响光学系统成像颜色的真实性，极大地影响了光学系统的成像质量．利用含有双层衍射元件的折衍混合光学系统能在宽光谱范围内达到90%以上的衍射效率，可有效克服单层衍射元件衍射效率随波长变化而变化大的缺点，适合应用在宽光谱成像的光学系统中．

为达到微光夜视物镜系统的轻小化，且在宽光谱范围内获得高的成像质量，本文设计了含有塑料组成双层衍射元件的折衍混合光学系统．此光学系统所占空间为26 mm×49 mm(透镜直径×长度)，质量只有28 g，达到轻小化的目的;当空间频率为35 lp/mm时，其轴上MTF数值达到0．7，边缘达到0．4以上，垂轴色差最大3．8 μm，成像质量优良;在设计波长范围内的每个波长衍射效率均达到90%以上，能够充分利用光能，实现全光谱探测成像，完全满足超二代微光夜视像增强器的成像要求．

1 双层衍射元件衍射效率理论分析

图1 双层衍射元件结构示意图

双层衍射元件结构如图1所示，由2个单层衍射元件组合而成，这2个衍射元件具有相同的环带周期，沿着光轴方向顶部对顶部、底部对底部紧密结合在一起．双层衍射光学元件的相位分布函数需要满足下列条件才可实现多个设计波长衍射效率达到100%［7］:

式(1)中:k0i为波数;M为衍射级次;n1(λ0i)与n2(λ0i)为2种材料的折射率;H1与H2为2层微结构的深度．当确定2种具有不同色散系数的基底材料之后，取设计波段内2个边缘波长值分别代入式(1)，由这2个方程组成方程组

即可求解出H1，H2，此时双层衍射元件的衍射效率可表示为

式(2)中，α=H1/H2为两层衍射元件的深度比率．

2 含双层衍射元件的微光夜视物镜系统的设计

微光夜视光学系统的设计必须与微光探测器相匹配，本文选择像面接收面直径为18 mm，分辨率为32 lp/mm的超二代微光探测器［8］，据此，可设定光学系统的MTF数值为35 lp/mm．物镜是微光系统信号的入口，像增强器光阴极面中心的光照度与物镜相对孔径的平方成正比，为使像面有足够的照度，需要大相对孔径的物镜;作为测量和瞄准用的物镜系统，不需要大的视场角;参照国内外有关文献的设计指标，最终确定本文设计目标参量:焦距32 mm;视场角(FOV)32°;F#为1．2;成像范围为500～900 nm．成像质量要求:MTF 35 lp/mm;中心视场(axis)≥0．6;边缘视场(off-axis)≥0．4．

选用的塑料材料第1，2层分别为PC、PMMA，光波段两边缘波长分别为500 nm和900 nm．根据方程组(2)，当一级衍射效率达到100%时，可解得 H1=31．01 μm，H2=38．15 μm，α =0．81．依据此理论值设计衍射元件，设计波段衍射效率如图2所示．

根据设计参量目标，选择7片式(USP 4364643)双高斯物镜作为原始结构，此物镜有效焦距为1 mm，F#为1．2，视场为40°，边缘视场渐晕达到77%．像增强器光阴极的平板保护窗参与物镜系统成像，设计时加入该元件，其材料选择肖特玻璃库中的FK5玻璃［9］，厚度为5．5 mm．夜天辐射包含可见光和丰富的近红外辐射，为此选择500，630，730，830和900 nm 为设计波长:

1)去掉渐晕，进行焦距缩放，整体优化，得到一个有效焦距为32 mm，F#为1．2，32°视场的系统．

2)保持系统光焦度分配不变的条件下，将系统中的第2片透镜材料替换为光学塑料PC，并使其后表面为平面;以光学塑料PMMA构成的单透镜代替系统中的第3片透镜，初步优化使其前表面为平面;将前面得到的2个平面紧靠，然后做整体优化．

3)将2)中得到的两平面设为衍射面，在优化函数中加入色差和有效焦距函数，将衍射面所在的透镜结构参数和二次相位系数A1设为变量，进行整体优化，实现消色差并保持总的光焦度基本不变．

4)将非球面相位系数A2，A3和其他元件的结构参数设为变量，在优化函数中加大对单色像差的校正权重，进行优化，实现对单色像差的校正．

5)最后，针对畸变、垂轴色差和MTF进行再次优化，得到最佳结果后进行精确的焦距缩放，使像面尺寸符合微光像增强器的要求．

最终获得一32°视场、F#为1．2、有效焦距为32 mm的含有塑料双层衍射元件6片折衍混合系统，其结构如图3所示．系统的最大直径为26 mm，长度为49 mm，重量仅有28 g，达到轻小化要求．此系统的MTF曲线如图4所示，在35 lp/mm处，最大视场MTF数值＞0．4，中心视场达到了0．7，完全能够满足像面直径18 mm超二代微光探测器的成像要求;系统的场曲、畸变如图5所示，畸变1%;垂轴色差如图6所示，最大值为3．8 μm;双层衍射元件第1，2层分别为塑料PC和PMMA，其衍射效率在整个设计光波段＞90%．由以上分析可见，系统各个参数的数值均达到或超过设计的要求．

二元衍射面的特征参数曲线如图7所示．其中，图7(a)为第1层二元衍射面的特征参数曲线，材料为PC;图7(b)为第2层二元衍射面的特征参数曲线，材料为PMMA．由图7可以看到，在镜头边缘处双层衍射面的线频率最大为8 lp/mm，对应最小周期线宽为125 μm．若每周期刻蚀8个台阶，此时对应的最小特征尺寸为15．63 μm，此尺寸可使用高精度的注塑成型技术加工完成．

图3 结构图

图2 双层衍射元件衍射效率

图4 调制传递函数

图5 场曲畸变图

图6 垂轴色差

图7 二元面特征曲线

3 结论

本文研究了一款新型折衍混合微光夜视物镜系统，设计中引入了塑料双层衍射元件，使衍射效率在整个设计光谱波段内＞90%．从而有效地提高了像面的对比度和色彩的真实性，提高了能量的利用率．系统视场为32°，F#为1．2，有效焦距为32 nm，质量仅有28 g，完全满足超二代微光夜视探测器的成像要求，为瞄准、测量系统和头戴式微光物镜的设计提供了新的参考思路．

［1］谢高容．非球面镜片面形检测技术综述［J］．光学仪器，2007，29(2):87-90．

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［4］张慧娟．用于头盔显示器的折/衍混合全塑料目镜［J］．中国激光，2005，32(6):856-859．

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