含有塑料雙層衍射元件的微光夜視折衍混合物鏡＊

范長江， 趙亞輝， 徐建程， 任志君， 應(yīng)朝福， 王 輝

(浙江師范大學(xué)信息光學(xué)研究所，浙江金華 321004)

0 引言

微光夜視儀是一種利用光增強技術(shù)的光電成像系統(tǒng)，利用它可以拓展人眼對微弱光圖像的探測能力，彌補人眼在空間、時間、能量、光譜和分辨能力等方面的局限性，極大地擴展了人眼的視野和功能．

傳統(tǒng)物鏡結(jié)構(gòu)口徑較大，采用球面玻璃材料設(shè)計時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，體積、質(zhì)量偏大，不適宜使用者長時間觀察使用．目前，計算機輔助設(shè)計注塑成型、超高精度(10 nm)非球面面形檢測技術(shù)的發(fā)展［1］，使得聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PC)等高精度塑料光學(xué)元件，以其質(zhì)量輕、形狀易控、設(shè)計自由度高、高級像差小等優(yōu)點而代替球面透鏡，減輕光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量成為可能［2-4］．

折/衍混合成像系統(tǒng)可達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)的輕小化，越來越多地應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中．但傳統(tǒng)的單層衍射元件只能在單一波長時實現(xiàn)某一衍射級的高衍射效率，隨著使用波長逐漸偏離設(shè)計波長，衍射效率逐漸下降［5-6］．如含有單層衍射元件的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)用在可見光波段成像時降低了成像的對比度，影響光學(xué)系統(tǒng)成像顏色的真實性，極大地影響了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量．利用含有雙層衍射元件的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)能在寬光譜范圍內(nèi)達(dá)到90%以上的衍射效率，可有效克服單層衍射元件衍射效率隨波長變化而變化大的缺點，適合應(yīng)用在寬光譜成像的光學(xué)系統(tǒng)中．

為達(dá)到微光夜視物鏡系統(tǒng)的輕小化，且在寬光譜范圍內(nèi)獲得高的成像質(zhì)量，本文設(shè)計了含有塑料組成雙層衍射元件的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)．此光學(xué)系統(tǒng)所占空間為26 mm×49 mm(透鏡直徑×長度)，質(zhì)量只有28 g，達(dá)到輕小化的目的;當(dāng)空間頻率為35 lp/mm時，其軸上MTF數(shù)值達(dá)到0．7，邊緣達(dá)到0．4以上，垂軸色差最大3．8 μm，成像質(zhì)量優(yōu)良;在設(shè)計波長范圍內(nèi)的每個波長衍射效率均達(dá)到90%以上，能夠充分利用光能，實現(xiàn)全光譜探測成像，完全滿足超二代微光夜視像增強器的成像要求．

1 雙層衍射元件衍射效率理論分析

圖1 雙層衍射元件結(jié)構(gòu)示意圖

雙層衍射元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由2個單層衍射元件組合而成，這2個衍射元件具有相同的環(huán)帶周期，沿著光軸方向頂部對頂部、底部對底部緊密結(jié)合在一起．雙層衍射光學(xué)元件的相位分布函數(shù)需要滿足下列條件才可實現(xiàn)多個設(shè)計波長衍射效率達(dá)到100%［7］:

式(1)中:k0i為波數(shù);M為衍射級次;n1(λ0i)與n2(λ0i)為2種材料的折射率;H1與H2為2層微結(jié)構(gòu)的深度．當(dāng)確定2種具有不同色散系數(shù)的基底材料之后，取設(shè)計波段內(nèi)2個邊緣波長值分別代入式(1)，由這2個方程組成方程組

即可求解出H1，H2，此時雙層衍射元件的衍射效率可表示為

式(2)中，α=H1/H2為兩層衍射元件的深度比率．

2 含雙層衍射元件的微光夜視物鏡系統(tǒng)的設(shè)計

微光夜視光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計必須與微光探測器相匹配，本文選擇像面接收面直徑為18 mm，分辨率為32 lp/mm的超二代微光探測器［8］，據(jù)此，可設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)的MTF數(shù)值為35 lp/mm．物鏡是微光系統(tǒng)信號的入口，像增強器光陰極面中心的光照度與物鏡相對孔徑的平方成正比，為使像面有足夠的照度，需要大相對孔徑的物鏡;作為測量和瞄準(zhǔn)用的物鏡系統(tǒng)，不需要大的視場角;參照國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的設(shè)計指標(biāo)，最終確定本文設(shè)計目標(biāo)參量:焦距32 mm;視場角(FOV)32°;F#為1．2;成像范圍為500～900 nm．成像質(zhì)量要求:MTF 35 lp/mm;中心視場(axis)≥0．6;邊緣視場(off-axis)≥0．4．

選用的塑料材料第1，2層分別為PC、PMMA，光波段兩邊緣波長分別為500 nm和900 nm．根據(jù)方程組(2)，當(dāng)一級衍射效率達(dá)到100%時，可解得 H1=31．01 μm，H2=38．15 μm，α =0．81．依據(jù)此理論值設(shè)計衍射元件，設(shè)計波段衍射效率如圖2所示．

根據(jù)設(shè)計參量目標(biāo)，選擇7片式(USP 4364643)雙高斯物鏡作為原始結(jié)構(gòu)，此物鏡有效焦距為1 mm，F(xiàn)#為1．2，視場為40°，邊緣視場漸暈達(dá)到77%．像增強器光陰極的平板保護窗參與物鏡系統(tǒng)成像，設(shè)計時加入該元件，其材料選擇肖特玻璃庫中的FK5玻璃［9］，厚度為5．5 mm．夜天輻射包含可見光和豐富的近紅外輻射，為此選擇500，630，730，830和900 nm 為設(shè)計波長:

1)去掉漸暈，進(jìn)行焦距縮放，整體優(yōu)化，得到一個有效焦距為32 mm，F(xiàn)#為1．2，32°視場的系統(tǒng)．

2)保持系統(tǒng)光焦度分配不變的條件下，將系統(tǒng)中的第2片透鏡材料替換為光學(xué)塑料PC，并使其后表面為平面;以光學(xué)塑料PMMA構(gòu)成的單透鏡代替系統(tǒng)中的第3片透鏡，初步優(yōu)化使其前表面為平面;將前面得到的2個平面緊靠，然后做整體優(yōu)化．

3)將2)中得到的兩平面設(shè)為衍射面，在優(yōu)化函數(shù)中加入色差和有效焦距函數(shù)，將衍射面所在的透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和二次相位系數(shù)A1設(shè)為變量，進(jìn)行整體優(yōu)化，實現(xiàn)消色差并保持總的光焦度基本不變．

4)將非球面相位系數(shù)A2，A3和其他元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)為變量，在優(yōu)化函數(shù)中加大對單色像差的校正權(quán)重，進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)對單色像差的校正．

5)最后，針對畸變、垂軸色差和MTF進(jìn)行再次優(yōu)化，得到最佳結(jié)果后進(jìn)行精確的焦距縮放，使像面尺寸符合微光像增強器的要求．

最終獲得一32°視場、F#為1．2、有效焦距為32 mm的含有塑料雙層衍射元件6片折衍混合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示．系統(tǒng)的最大直徑為26 mm，長度為49 mm，重量僅有28 g，達(dá)到輕小化要求．此系統(tǒng)的MTF曲線如圖4所示，在35 lp/mm處，最大視場MTF數(shù)值＞0．4，中心視場達(dá)到了0．7，完全能夠滿足像面直徑18 mm超二代微光探測器的成像要求;系統(tǒng)的場曲、畸變?nèi)鐖D5所示，畸變1%;垂軸色差如圖6所示，最大值為3．8 μm;雙層衍射元件第1，2層分別為塑料PC和PMMA，其衍射效率在整個設(shè)計光波段＞90%．由以上分析可見，系統(tǒng)各個參數(shù)的數(shù)值均達(dá)到或超過設(shè)計的要求．

二元衍射面的特征參數(shù)曲線如圖7所示．其中，圖7(a)為第1層二元衍射面的特征參數(shù)曲線，材料為PC;圖7(b)為第2層二元衍射面的特征參數(shù)曲線，材料為PMMA．由圖7可以看到，在鏡頭邊緣處雙層衍射面的線頻率最大為8 lp/mm，對應(yīng)最小周期線寬為125 μm．若每周期刻蝕8個臺階，此時對應(yīng)的最小特征尺寸為15．63 μm，此尺寸可使用高精度的注塑成型技術(shù)加工完成．

圖3 結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙層衍射元件衍射效率

圖4 調(diào)制傳遞函數(shù)

圖5 場曲畸變圖

圖6 垂軸色差

圖7 二元面特征曲線

3 結(jié)論

本文研究了一款新型折衍混合微光夜視物鏡系統(tǒng)，設(shè)計中引入了塑料雙層衍射元件，使衍射效率在整個設(shè)計光譜波段內(nèi)＞90%．從而有效地提高了像面的對比度和色彩的真實性，提高了能量的利用率．系統(tǒng)視場為32°，F(xiàn)#為1．2，有效焦距為32 nm，質(zhì)量僅有28 g，完全滿足超二代微光夜視探測器的成像要求，為瞄準(zhǔn)、測量系統(tǒng)和頭戴式微光物鏡的設(shè)計提供了新的參考思路．

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