折衍混合大相对孔径红外物镜设计

    1 引 言

    非制冷焦平面阵列探测器广泛应用于军品和民用产品中。由于它不需要机械扫描系统,所以具有结构简单、稳定可靠、成本低廉等优点[1-2]。由于该探测器光谱响应灵敏度较低,这就要求红外物镜的像面有高的照度,也就是要求光学系统的相对孔径尽量大(一般其F数应在1左右)。文献[2]使用三片非球面设计了F/0. 8的大视场红外物镜。

    衍射光学元件在光学设计中的应用越来越受到重视[3-5]。由于衍射光学元件在校正色差方面的优点,已有很多设计者把其用于多色光的色差较正上,并取得了非常好的效果[6-7]。同样,在红外镜头设计上,也有很多文献报道了衍射光学元件的使用[8-10]。

    本文设计了波段为8~12Lm,焦距50mm,视场2X=10b的红外物镜,并进一步增大相对孔径到F /#=0. 8。分别采用四片全折射式和三片折衍混合式(未使用一个非球面)两种结构,给出了设计思想和设计结果。从结果可以看出,折衍混合式结构不仅在体积上小于全折射系统,同时在成像质量和色差上也优于全折射系统。

    2 设计考虑

    2. 1 光学参数

    本文中选用某非制冷焦平面阵列探测器为256@256元,像元尺寸为22Lm@22Lm,由此可算得红外镜头设计像面应大于8mm。如果选用焦距为50mm,视场为2X=10b,像面8. 75mm,已足够用。

    2. 2 相对孔径

    对于非制冷焦平面阵列探测器,它能够分辨的最小温差(MRTD)与下式有关[8]:

    其中,F /#是红外镜头的F数;S是红外镜头的透过率;MTF是红外镜头的传递函数。为了减小可分辨的最小温差,需减小F数;增加光学系统的透过率和增大光学传递函数。F数我们取0.8;镜片个数减少有助于增加光学系统的透过率;MTF是设计中考虑的,在优化过程中应尽量增大。

    2.3 衍射效率

    对于衍射光学元件来说,衍射效率是非常重要的,它直接决定了有效的光通量,是评价衍射效率对多色光波成像质量的一个参数,它对像质的影响在于其比例地降低了光学系统的MTF。文献[7]中定义了多色积分效率为:

    其中,Kmax和Kmin是设计波长的上界和下界;积分号内的衍射效率为:

    式中,m为衍射的级次,我们在设计中取+1级衍射;设计波长范围为8~12Lm;K0为设计波长,由下式给出:

    我们把设计波长范围代入其中,可以算得设计波长为K0=9.6Lm。把所有参数代入式(2),经过数学处理可近似算得GU95%,多色积分效率已经非常高了。

    2. 4 衍射光学元件的色散

    在我们所设计镜头的波段范围内,衍射光学元件(BOE)的阿贝数为[4]:

    从式(5)可以看出, BOE的色散与玻璃材料无关,仅与波长有关; BOE的阿贝数与传统玻璃的阿贝数符号相反,且其绝对值较传统玻璃的小,即其色散较大。基于以上优点,说明BOE在校正色差方面有先天的优势。