双波段多层衍射光学元件的基底材料选择方法研究及其在变焦系统中的应用
发布时间：2021-09-12 20:58
基于双波段系统的多层衍射光学元件（MLDOE）的带宽积分衍射效率（PIDE）,建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7～4.8μm（MWIR）和长波红外7.7～9.5μm（LWIR）双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数（MTF）均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图1 双层衍射光学元件的结构示意图
从表1可以看出，ZNSE-ZNS MLDOE的综合PIDE差最小，GE-ZNS MLDOE的最大。如图2所示，随着入射角的变化，各种基底材料组合的PIDE的下降量明显不同，其中ZNSE-ZNS MLDOE的PIDE随入射角的变化最小，GE-ZNS MLDOE的PIDE变化量随入射角变化最大。基于上述分析可知，越小表示综合PIDE随入射角变化的下降量越小。因此ZNSE和ZNS是MWIR-LWIR双波段中最合适的基底材料，本研究将ZNSE-ZNS MLDOE应用于下面的双波段变焦镜头设计中。与单波段多层衍射元件的设计不同，适用于双波段系统的多层衍射光学元件，其设计波长值可以分别从两个波段中进行选取。本研究涉及的工作波段为中波红外3.7～4.8μm(MWIR）和长波红外7.7～9.5μm(LWIR），因此，选取波长组合λ1=4.2μm和λ2=8.6μm为设计波长组合。根据本研究推导的双波段多层衍射元件设计模型，将两个设计波长代入（3）式，可以计算出微结构高度H1=207.5134μm和H2=-234.1835μm，至此获得了对入射角度影响最小的中长波红外双波段多层衍射光学元件。3.2 折衍射混合双波段红外变焦镜头的优化设计
为了设计双波段红外变焦系统，本研究选择由8个GE透镜组成的单波段LWIR非致冷变焦镜头作为初始结构[18]，如图3所示。该系统前固定组的光焦度为正，由2个GE透镜组成；变倍组的光焦度为负，由2个GE透镜组成；补偿组的光焦度为正，由单个GE透镜组成；后固定组的光焦度为正，由3个GE透镜组成。变倍组和补偿组的连续移动改变了系统的焦距值，焦距变化的过程中系统总长保持不变。由于GE的阿贝数比较大，初始结构可以在LWIR中获得高成像质量，色差比较小。然而，GE的阿贝数在MWIR时相对较小，因此初始结构在红外双波段中色差严重，不能直接将初始结构应用于红外双波段系统中。为了实现MWIR和LWIR的消色差并且简化系统结构，本课题组在设计中引入双波段MLDOE元件。关于MLDOE的放置位置可能有3个，即前固定组、变倍组和后固定组。校正红外双波段系统的色差通常需要3种材料[19]。本研究将MLDOE加在前固定组，主要原因是前固定组的口径最大，实现系统消色差的同时，可大幅度地减小系统的质量和尺寸。将初始结构中的前固定组的2个GE透镜换成ZNSE和ZNS,ZNSE替换掉正的GE透镜，ZNS替换掉负的GE透镜，MLDOE的两个HDE分别设置在ZNSE和ZNS透镜表面。同时，其他组元的光学材料也进行相应的替换。由于补偿组和后固定组的光焦度均为正，因此其中的正透镜可以用ZNSE或GASIR1代替，负透镜可以用IRG26或ZNS代替。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高变倍比小型化的中波红外光学系统设计[J]. 陈虹达,薛常喜. 光学学报. 2020(02)
[2]双层衍射元件加工误差对带宽积分平均衍射效率的影响[J]. 毛珊,崔庆丰. 光学学报. 2016(01)
[3]负折射率材料透镜的消色差[J]. 张博,崔庆丰,薛常喜,朴明旭,于春岩. 光子学报. 2015(03)
[4]红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计[J]. 毛文峰,张新,曲贺盟,张继真,王灵杰. 光学学报. 2014(10)
[5]宽光谱大视场角的高衍射效率多层衍射元件[J]. 范长江,赵亚辉,应朝福,吴浩伟. 中国激光. 2012(05)
[6]基于带宽积分平均衍射效率的多层衍射光学元件设计[J]. 薛常喜,崔庆丰,潘春艳,佟静波. 光学学报. 2010(10)
本文编号：3394937
【文章来源】：光学学报. 2020,40(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图1 双层衍射光学元件的结构示意图
从表1可以看出，ZNSE-ZNS MLDOE的综合PIDE差最小，GE-ZNS MLDOE的最大。如图2所示，随着入射角的变化，各种基底材料组合的PIDE的下降量明显不同，其中ZNSE-ZNS MLDOE的PIDE随入射角的变化最小，GE-ZNS MLDOE的PIDE变化量随入射角变化最大。基于上述分析可知，越小表示综合PIDE随入射角变化的下降量越小。因此ZNSE和ZNS是MWIR-LWIR双波段中最合适的基底材料，本研究将ZNSE-ZNS MLDOE应用于下面的双波段变焦镜头设计中。与单波段多层衍射元件的设计不同，适用于双波段系统的多层衍射光学元件，其设计波长值可以分别从两个波段中进行选取。本研究涉及的工作波段为中波红外3.7～4.8μm(MWIR）和长波红外7.7～9.5μm(LWIR），因此，选取波长组合λ1=4.2μm和λ2=8.6μm为设计波长组合。根据本研究推导的双波段多层衍射元件设计模型，将两个设计波长代入（3）式，可以计算出微结构高度H1=207.5134μm和H2=-234.1835μm，至此获得了对入射角度影响最小的中长波红外双波段多层衍射光学元件。3.2 折衍射混合双波段红外变焦镜头的优化设计
为了设计双波段红外变焦系统，本研究选择由8个GE透镜组成的单波段LWIR非致冷变焦镜头作为初始结构[18]，如图3所示。该系统前固定组的光焦度为正，由2个GE透镜组成；变倍组的光焦度为负，由2个GE透镜组成；补偿组的光焦度为正，由单个GE透镜组成；后固定组的光焦度为正，由3个GE透镜组成。变倍组和补偿组的连续移动改变了系统的焦距值，焦距变化的过程中系统总长保持不变。由于GE的阿贝数比较大，初始结构可以在LWIR中获得高成像质量，色差比较小。然而，GE的阿贝数在MWIR时相对较小，因此初始结构在红外双波段中色差严重，不能直接将初始结构应用于红外双波段系统中。为了实现MWIR和LWIR的消色差并且简化系统结构，本课题组在设计中引入双波段MLDOE元件。关于MLDOE的放置位置可能有3个，即前固定组、变倍组和后固定组。校正红外双波段系统的色差通常需要3种材料[19]。本研究将MLDOE加在前固定组，主要原因是前固定组的口径最大，实现系统消色差的同时，可大幅度地减小系统的质量和尺寸。将初始结构中的前固定组的2个GE透镜换成ZNSE和ZNS,ZNSE替换掉正的GE透镜，ZNS替换掉负的GE透镜，MLDOE的两个HDE分别设置在ZNSE和ZNS透镜表面。同时，其他组元的光学材料也进行相应的替换。由于补偿组和后固定组的光焦度均为正，因此其中的正透镜可以用ZNSE或GASIR1代替，负透镜可以用IRG26或ZNS代替。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高变倍比小型化的中波红外光学系统设计[J]. 陈虹达,薛常喜. 光学学报. 2020(02)
[2]双层衍射元件加工误差对带宽积分平均衍射效率的影响[J]. 毛珊,崔庆丰. 光学学报. 2016(01)
[3]负折射率材料透镜的消色差[J]. 张博,崔庆丰,薛常喜,朴明旭,于春岩. 光子学报. 2015(03)
[4]红外双色宽波段高衍射效率衍射光学系统设计[J]. 毛文峰,张新,曲贺盟,张继真,王灵杰. 光学学报. 2014(10)
[5]宽光谱大视场角的高衍射效率多层衍射元件[J]. 范长江,赵亚辉,应朝福,吴浩伟. 中国激光. 2012(05)
[6]基于带宽积分平均衍射效率的多层衍射光学元件设计[J]. 薛常喜,崔庆丰,潘春艳,佟静波. 光学学报. 2010(10)
本文编号：3394937
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