含有双层谐衍射元件的红外双波段光学系统消热差设计

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则,选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合.为提高衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法.利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°,F#为2,有效焦距115 mm.系统在3.4~4.2 μm和8~11 μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上;－40~100℃温度范围内,中心视场的调制传递函数值变化最大为0.09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0.13.     

含双层衍射元件消热差长波红外光学系统设计

采用多层衍射元件是实现宽波段高衍射效率的有效方法,设计了一个含双层衍射元件-30℃～70℃消热差系统。通过合理选择衍射面的基底材料,优化衍射表面的浮雕深度,设计出红外宽波段高衍射效率的消热差光学系统。设计结果表明,在整个设计温度范围内,该光学系统成像质量良好,光学传递函数在16lp/mm时均在0.6以上。     

采用衍射元件实现消热差的混合红外光学系统

叙述了利用衍射光学元件的环境温度特性实现光学系统像面环境温度补偿的原理和设计方法,提出了按照最佳像面确定最佳修正因数的补偿方法,使系统的性能在要求的温度范围内得到最佳补偿,给出了在20℃-50℃范围实现像面环境温度补偿和8μm-12μm波段内消色差的系统设计参数和评价结果,所设计的系统结构简单,在要求的温度范围内性能稳定。     

红外双波段双层谐衍射光学系统设计

将谐衍射透镜应用在传统红外单波段佩茨瓦尔(Petzval)物镜上,设计得到工作波段处于3.4~4.2μm和8~11μm的红外双波段单层谐衍射光学系统。但单层谐衍射元件的衍射效率只在设计波长处衍射效率最高,随着波长相对设计中心波长向两侧偏离,主衍射级次的衍射效率逐渐下降。为提高含单层谐衍射元件光学系统的衍射效率,基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化,给出了优化方法。设计出佩茨瓦尔型红外双波段双层谐衍射光学系统,其在3.4~4.2μm和8~11μm两个工作波段的衍射效率均达到90%以上,相比含有单层谐衍射面的光学系统衍射效率有了很大提升,提高了像面衬比度,完善了系统成像质量。     

可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

折射/衍射红外光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件的温度效应以及混合光学系统的消热差设计方法 ,给出了视场4 .2°、冷光栏效率 10 0 %、温度范围在 - 30～ 70℃的红外折射 /衍射混合消热差系统的设计结果     

入射角对双层衍射光学元件衍射效率的影响

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式,将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟,推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟,揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式.实例分析结果表明,双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感,当入射角度持续增大时,衍射效率随入射角的增加快速下降.当入射角从0°增大到4.5°时,衍射效率几乎没有下降;当入射角从4.5°增大到6.7°时,衍射效率开始缓慢下降到95%;当入射角从6.7°增大到9.5°时,衍射效率明显下降到80%;当入射角从9.5°增大到18°时,衍射效率快速下降到0.     

衍射光学元件衍射效率影响混合光学系统性能的一种分析方法

本文从衍射光学元件的衍射效率入手,详细地分析了衍射光学元件衍射效率同混合光学系统光学传递函数的关系,并通过一个实际例子对所分析的结果进行了深入讨论.     

红外3.7～4.8 μm波段折射/衍射光学系统的消热差设计

研究了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性并给出了具体设计实例,该系统工作波段为3.7～4.8 μm,全视场角为7.12°,满足100%冷光阑效率.系统仅采用硅和锗两种材料,设计结果表明,该系统在-50～100℃温度范围内不仅成像质量接近衍射极限,而且结构简单、体积小、质量轻,适用于像元尺寸为30 μm、像元数320×240的凝视焦平面阵列探测器.     

含有双层衍射光学元件的中波/长波消热差光学系统的设计（英文）

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质,设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8)μm和(7.7～9.5)μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm,F#为2。采用像元数为320×256、间距为30μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时,中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54;最大RMS半径小于11.702μm;波前像差小于0.191 7λ;最大离焦量小于焦深;在-55℃～71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°,该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单,像质优良,可以广泛应用于军事探测系统中。     

中波红外折衍光学系统消热差设计与杂光分析

论述了红外折衍混合消热差光学系统的设计原理与方法,利用衍射光学元件特性进行消热差与色差,设计出工作波段为3.5μm~5.2μm、F数为2、焦距为100 mm、全视场角7,°具有100%冷屏效率的折衍混合消热差光学系统。对系统进行杂光分析,理想成像光线的像面辐照度为1.5×104W/m2,其他非成像光线的像面辐照度为2 W/m2。该系统在-50℃~80℃的温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为30μm、像元数320×256的致冷型红外焦平面阵列探测器。     

制冷型中/长红外双波段双视场全景光学系统设计

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息,实现两个不同视场快速切换,采用空间多镜头图像拼接全景成像法,设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成,每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2,工作波段为中波3.5 m～4.8 m、长波7.8 m～9.8 m,双视场两档焦距之比为5,通过轴向移动变倍组可以完成122/44.49双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术,采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明,该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内,在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处,中波红外系统MTF值均大于0.5,长波红外系统MTF值均大于0.3。     

折衍混合光学系统超宽温消热差设计

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜,系统工作波段为3.2～4.5 m,视场角为8.42,焦距为95 mm,后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料,引入了2个非球面和1个衍射面, 实现了消热差和结构简单轻量化,该系统在－80～200 ℃范围内, 调制传递函数(MTF) 优于0.7,接近衍射极限, 成像质量良好,该系统适用于像元尺寸为35 m、像元数320240的非制冷红外焦平面阵列探测器。     

折衍混合光学系统超宽温消热差设计

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜,系统工作波段为3.2～4.5 m,视场角为8.42,焦距为95 mm,后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料,引入了2个非球面和1个衍射面, 实现了消热差和结构简单轻量化,该系统在－80～200 ℃范围内, 调制传递函数(MTF) 优于0.7,接近衍射极限, 成像质量良好,该系统适用于像元尺寸为35 m、像元数320240的非制冷红外焦平面阵列探测器。     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

折/衍混合长波红外凝视成像系统的杂散光分析

对含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)的折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析.利用LightTools软件对DOE的不同衍射级次、光学表面多次反射、镜筒内壁反射等主要杂散光源进行了模拟和分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01 W/mm2的辐照度;反射率为10%的镜筒内壁给像面带来的辐照度为0.01 W/mm2.利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,表明该项分析有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制.     

采用分步迭代算法设计制作衍射光学元件

 结合均匀照明相位器件的设计实例，介绍最新提出的基于迭代框架的优化方法，并应用该方法设计制作了16台阶的衍射光学元件并对其进行了测试，验证了设计原理及方法的正确性，且对加工中可能出现的误差进行了分析和讨论。测试结果验证了采用多台阶相位结构的设计方案能有效提高工艺宽容度。     

Design of refractive/diffractive hybrid optical elements for beam shaping with large diffraction pattern

Diffractive optics is an important technique for beam shaping with high light efficiency and strong diffraction pattern flexibility. Since the diffraction angle is limited by the unit size of the diffractive optical element(DOE),the size of the required diffraction pattern is always rather small. In this Letter, refractive/diffractive hybrid optical elements(RDHOEs) consisting of a DOE and a lens are used to realize beam shaping for a large diffraction pattern. The lens, as the component of the RDHOEs, can not only be concave but also convex,and the double sampling Fresnel diffraction algorithm is developed for the design of these two types of RDHOEs.The simulation and experimental results provide solid evidence to demonstrate the proposed method with the pure phase spatial light modulator.     

折/衍混合LWIR凝视成像系统的杂散光分析

本文对一折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析,在此LWIR系统中,含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)。本文中,对DOE的不同衍射级次、光学表面的多次反射、镜筒内壁的反射等主要杂散光源利用LightTools软件进行了分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01W/mm2的辐照度;对于反射率为10％的镜筒内壁,带来的像面辐照为0.01W/mm2。并利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制。