红外双波段双层衍射定焦光学系统设计

漆云海, 李绍楠, 杜保林, 张 鹏, 胡磊力

(1.海军装备部,北京 100000; 2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南 洛阳 471000;3.空基信息感知与融合全国重点实验室,河南 洛阳 471000)

0 引言

机载红外光电系统工作波段主要为中波红外(MWIR)3～5 μm 波段和长波红外(LWIR)8～12 μm 波段,随着光电目标识别技术的进步,单一中波红外或长波红外的工作波段已无法满足军用光电产品的需求,因而,开展能够应用于两种波段的光学系统的设计研究具有重要意义。光电产品安装使用的机载环境恶劣,温度变化大,定焦光学系统采用无热化设计将很好地提升光电产品的轻量化和环境适应性水平。

杨亮亮等[1]设计了一种含有双层衍射光学元件的红外双波段系统,焦距为 100 mm,F数为 2,在-40～+71 ℃范围内实现了无热化设计;李升辉等[2]设计了一种基于谐衍射的红外双波段光学系统,焦距45 mm,F数为 2,配套320像素×256像素的双色制冷型探测器,解决了宽波段上的大色散问题和衍射光学元件在宽波段上衍射效率低下的问题;张博等[3]针对双波段多层衍射光学元件的基底材料选择提出了一种选型方法和相应的数学模型,并依据该方法设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统;李杰等[4]设计了一种基于谐衍射和自由曲面的离轴三反红外双波段成像光学系统,焦距1200 mm,口径300 mm,能够在-60～+60 ℃工作温度范围内实现非热敏化,满足机载使用环境的无热化要求。由以上研究可见,能够覆盖中长波红外的双波段成像光学系统的难点一方面是工作波段宽、色差比较严重,另一方面是要求在两个波段都具有较高透过率、可以用来校正色差的红外材料缺乏,导致该类光学系统的设计难度大。另外,单层衍射光学元件衍射效率低,仅应用于单波段红外系统,需采用双层或多层衍射光学技术来满足中长波红外双波段光学系统小型化和高透过率的需求[5]。

本文设计了一种能够对中波红外3～5 μm 和长波红外8～12 μm两个波段同时成像的光学系统,系统采用了二次成像的结构形式,可以有效缩小透镜的口径,采用双层衍射光学元件实现了消色差设计。F数为2,光学系统焦距为200 mm,冷光阑效率达到了100%,在中长波红外的两个波段的透过率均大于80%。光学系统在-55～+71 ℃范围内达到了无热化的设计要求。

1 光学系统设计

传统单层衍射元件只有在设计的中心波长处衍射效率最高,理论上可以达到100%,其衍射效率会随着偏离入射波长而下降,这样会降低系统分辨率,从而降低光学系统的成像质量,多应用于成像光谱不太宽或者对系统分辨率要求不高的成像光学系统。具有连续面型的衍射光学元件(DOE),在红外和可见光波段的光学系统中都有广泛的应用,而多层衍射光学元件可提高宽波段的衍射效率。

1.1 多层衍射光学元件在双波段红外光学的设计分析

设计时可将3～5 μm 波段和8～12 μm 波段双波段同时作为工作波段进行分析。双层衍射光学元件的综合带宽积分平均衍射效率和最大综合带宽积分平均衍射效率随波长分布如图1所示。

图1 3～5 μm和8～12 μm双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率与设计波长关系Fig.1 Bandwidth IADE of double-layer(3～5 μm and 8～12 μm)DOE versus design wavelength

图1中,x、y坐标分别表示两个设计波长λ1、λ2,z坐标表示与设计波长对应的带宽积分平均衍射效率(IADE)。得到的红外双波段的综合带宽积分平均衍射效率最优化时对应的双层衍射光学元件的设计波长、最优化的综合带宽积分平均衍射效率,以及双层衍射光学元件在各个波段的带宽积分平均衍射效率和表面微结构高度,如表1所示。

表1 双层衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率和表面微结构高度

由图 1可知,在3～12 μm整个红外波段,双层衍射光学元件的最大带宽积分平均衍射效率为97.79%,相应的设计波长分别为3.8 μm和10.196 μm。在剔除5～8 μm波段时,以3.8 μm和10.196 μm为双层衍射光学元件的设计波长。将设计波长及两种材料在两个设计波长对应的折射率代入

(1)

(2)

可计算对应的双层衍射光学元件的表面微结构高度值,然后计算出双层衍射光学元件在中波和长波红外波段的带宽积分平均衍射效率,计算结果见表1。

1.2 光学系统的二次成像结构

光学系统采用二次成像的结构形式,由前组和后组两部分组成,如图2所示。

图2 二次成像光学系统图Fig.2 Structure diagram of secondary imaging optical system

图5 光学系统在16.0 线对/mm空间频率下不同温度的MTF曲线(中波红外)Fig.5 MTF curves of the optical system at 16.0 lp/mm spatial frequencies and different temperature(MWIR)

图6 光学系统在16.0 线对/mm空间频率下不同温度的MTF曲线(长波红外)Fig.6 MTF curves of the optical system at 16.0 lp/mm spatial frequencies and different temperature(LWIR)

由图2可知:前组有3片透镜,光线经过前组透镜第1次成像后,再由后组透镜成像在探测器的焦平面上;后组也由3片透镜组成。前组孔径位置和系统冷光阑位置形成共轭关系,不仅实现了100%的冷光阑效率,还达到缩小前组透镜口径的目的。二次成像结构还能够在满足指标要求前提下减小光学系统的体积,并减轻其重量。

1.3 材料选择

对于工作在中波红外3～5 μm和长波红外8～12 μm的红外双波段光学系统,透镜材料要保证在两个波段范围内都具有较高的透过率。常用的可同时工作在中波红外和长波红外的光学材料有锗(Ge)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)等。在ZnSe和ZnS基底上用单点金刚石车削设备加工高次非球面的表面质量在工艺上可以实现。ZnSe表面加工时偶尔出现的橘皮状对系统的成像质量无明显影响。

光学材料采用了Ge、ZnSe和ZnS,总长为400 mm,前组透镜的口径大幅度减小,其中,光学系统第2片透镜的口径最大,有效口径尺寸小于104 mm。为了实现系统的无热化设计,镜筒材料选择了钛合金(Ti6A14V)。

光学系统的非球面矢高方程为

(3)

式中:c为表面曲率;k为二次曲面系数;r为透镜径向坐标;a1～a8为非球面系数,光学面2的非球面系数分别为a2=-5.557149×10-8、a3=7.907441×10-12,光学面3的非球面系数分别为a2=-1.024606×10-7、a3=6.144904×10-12,光学面7的非球面系数为a2=-8.372141×10-6,光学面8和光学面9的衍射面均以非球面为基底,其基底非球面系数分别为a2=-4.665563×10-7、a3=-6.271939×10-10,光学面10的非球面系数分别为a2=-2.015591×10-5、a3=1.377153×10-8、a4=-5.853564×10-12,光学面11的非球面系数分别为a2=-1.355411×10-5、a3=-1.826135×10-8、a4=-2.6597×10-10,光学面12的非球面系数分别为a2=-1.148808×10-5、a3=-1.781576×10-7、a4=-8.544448×10-10、a5=6.184503×10-12。

光学面8是第1层衍射面,基底材料为ZnSe,衍射面的微结构高度H1=206.8779 μm。第1层衍射面的位相方程为

(4)

式中:φ1为位相;a1为位相系数;h为基底元件径向口径;衍射级m1=71;波长λ=4.174 μm。

光学面9是第2层衍射面。基底材料为ZnS,衍射面的微结构高度H2=233.4652 μm。第1层衍射面的位相方程为

(5)

式中:φ2为位相;b1为位相系数;h为基底元件径向口径;衍射级m2=70。

1.4 透过率分析

使用的透镜材料有Ge、ZnSe和ZnS,3种材料透镜(双面不含吸收)的理论设计镀膜透过率曲线如图 3所示,可以看出,3种材料的透镜在2个波段的平均透过率都高于99%。

图3 3种材料透镜理论设计镀膜透过率曲线Fig.3 Theoretical design of coating transmittance curves of three kinds of material lenses

根据3种材料的透过率和方案设计确定的各透镜的最大厚度,即ZnS透镜的中波为99.52%、长波为97.17%、平均为98.34%;ZnSe透镜的中波为99.86%、长波为99.82%、平均为99.84%;Ge透镜的中波为99.75%、长波为98.13%、平均为98.94%,计算出所用各材料透镜的总透过率为 0.983×0.998×0.989=0.97,即97%。

1.5 MTF

1.5.1 常温MTF分析

对于设计的光学系统,分别给出了20 ℃温度下其在中波红外3～5 μm和长波红外8～12 μm波段范围的MTF曲线,如图 4所示。

图 4 (a)中,在16.0 线对/mm的空间频率下,轴上点MTF值为0.756,最大视场MTF值大于0.63;图 4 (b)中,在16.0 线对/mm的空间频率下,轴上点MTF值为0.611,最大视场MTF值大于0.54。光学系统在2个波段范围内的成像质量都接近衍射极限。

1.5.2 高低温环境MTF分析

光学系统的工作环境温度范围为-55～+71 ℃,对致冷型红外双波段光学系统在中波3～5 μm和长波8～12 μm,分别给出了-55～+71 ℃范围内16.0 线对/mm空间频率的MTF曲线,如图 5、图 6所示。

由中波和长波2个波段范围内的各温度MTF曲线可以看出,在16.0 线对/mm的空间频率下,中波红外波段各温度各视场MTF曲线都高于0.62,长波红外波段各温度各视场MTF曲线都高于0.51,该系统很好地实现了无热化设计,达到了环境温度稳定性要求。

1.6 光学系统的公差

光学系统加入公差后16.0 线对/mm2个波段的MTF见表 2。

从表2可见,加入公差后的MTF能够满足设计技术要求,公差适度。加工误差补偿环节使用最后一个透镜表面与杜瓦瓶窗口之间的空气间隔。中波公差分析后,该空气间隔的变化量为-0.11～+0.11;长波公差分析后,该空气间隔的变化量为-0.11～+0.11,2个波段的调整量相同。

表2 中/长波公差分析结果

2 结束语

采用双层衍射光学技术与二次成像系统设计了致冷型双波段红外光学系统,设计结果在各方面都达到了技术指标要求。实测结果表明,光学系统在焦距为200 mm、F数2,3～8 μm、8～12 μm工作波段,双波段像面位置相同,空间频率16.0 线对/mm情况下,轴上点MTF不低于0.42,透过率不低于81%,在-55～+71 ℃内具备无热化能力,镜头成像质量好、功能性能稳定,达到了技术指标要求。设计的系统可为红外双波段无热化系统的发展提供参考。