發(fā)布時間：2021-09-12 20:58

　　基于雙波段系統(tǒng)的多層衍射光學(xué)元件（MLDOE）的帶寬積分衍射效率（PIDE）,建立其與入射角度和基底材料關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,提出一種雙波段斜入射多層衍射光學(xué)元件基底材料的選擇方法,并通過該方法選擇出雙波段多層衍射光學(xué)元件基底材料的最佳組合方案。方法的提出以及數(shù)學(xué)模型的建立,解決了光線斜入射時基底材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致多層衍射元件衍射效率和帶寬積分衍射效率下降的問題,為多層衍射元件在多波段和寬波段系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。依據(jù)該方法,設(shè)計了適用于中波紅外3.7～4.8μm（MWIR）和長波紅外7.7～9.5μm（LWIR）雙波段的多層衍射光學(xué)元件,并利用該衍射元件設(shè)計了10倍中長波折衍混合雙波段紅外變焦系統(tǒng)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)在中波紅外奈奎斯特頻率處的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）均大于0.52,在長波紅外奈奎斯特頻率處的MTF均大于0.35。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

圖1 雙層衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖

從表1可以看出，ZNSE-ZNS MLDOE的綜合PIDE差最小，GE-ZNS MLDOE的最大。如圖2所示，隨著入射角的變化，各種基底材料組合的PIDE的下降量明顯不同，其中ZNSE-ZNS MLDOE的PIDE隨入射角的變化最小，GE-ZNS MLDOE的PIDE變化量隨入射角變化最大�；谏鲜龇治隹芍叫”硎揪C合PIDE隨入射角變化的下降量越小。因此ZNSE和ZNS是MWIR-LWIR雙波段中最合適的基底材料，本研究將ZNSE-ZNS MLDOE應(yīng)用于下面的雙波段變焦鏡頭設(shè)計中。與單波段多層衍射元件的設(shè)計不同，適用于雙波段系統(tǒng)的多層衍射光學(xué)元件，其設(shè)計波長值可以分別從兩個波段中進行選取。本研究涉及的工作波段為中波紅外3.7～4.8μm(MWIR）和長波紅外7.7～9.5μm(LWIR），因此，選取波長組合λ1=4.2μm和λ2=8.6μm為設(shè)計波長組合。根據(jù)本研究推導(dǎo)的雙波段多層衍射元件設(shè)計模型，將兩個設(shè)計波長代入（3）式，可以計算出微結(jié)構(gòu)高度H1=207.5134μm和H2=-234.1835μm，至此獲得了對入射角度影響最小的中長波紅外雙波段多層衍射光學(xué)元件。3.2 折衍射混合雙波段紅外變焦鏡頭的優(yōu)化設(shè)計

為了設(shè)計雙波段紅外變焦系統(tǒng)，本研究選擇由8個GE透鏡組成的單波段LWIR非致冷變焦鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)[18]，如圖3所示。該系統(tǒng)前固定組的光焦度為正，由2個GE透鏡組成；變倍組的光焦度為負(fù)，由2個GE透鏡組成；補償組的光焦度為正，由單個GE透鏡組成；后固定組的光焦度為正，由3個GE透鏡組成。變倍組和補償組的連續(xù)移動改變了系統(tǒng)的焦距值，焦距變化的過程中系統(tǒng)總長保持不變。由于GE的阿貝數(shù)比較大，初始結(jié)構(gòu)可以在LWIR中獲得高成像質(zhì)量，色差比較小。然而，GE的阿貝數(shù)在MWIR時相對較小，因此初始結(jié)構(gòu)在紅外雙波段中色差嚴(yán)重，不能直接將初始結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紅外雙波段系統(tǒng)中。為了實現(xiàn)MWIR和LWIR的消色差并且簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本課題組在設(shè)計中引入雙波段MLDOE元件。關(guān)于MLDOE的放置位置可能有3個，即前固定組、變倍組和后固定組。校正紅外雙波段系統(tǒng)的色差通常需要3種材料[19]。本研究將MLDOE加在前固定組，主要原因是前固定組的口徑最大，實現(xiàn)系統(tǒng)消色差的同時，可大幅度地減小系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸。將初始結(jié)構(gòu)中的前固定組的2個GE透鏡換成ZNSE和ZNS,ZNSE替換掉正的GE透鏡，ZNS替換掉負(fù)的GE透鏡，MLDOE的兩個HDE分別設(shè)置在ZNSE和ZNS透鏡表面。同時，其他組元的光學(xué)材料也進行相應(yīng)的替換。由于補償組和后固定組的光焦度均為正，因此其中的正透鏡可以用ZNSE或GASIR1代替，負(fù)透鏡可以用IRG26或ZNS代替。

【參考文獻】：
期刊論文
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