红外探测光学系统设计研究_甜梦文库
红外探测光学系统设计研究
河南大学 硕士学位论文 红外探测光学系统设计研究 姓名：晋培利 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曹秋生
河南大学光学工程专业２００４级硬士论文红外探测光学系统设计研究摘要近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是红外探测器技术的进步，新材料 的出现及制作工艺的日益完善，红外系统越来越多地应用于军用和民用各个领域。 在军用领域，红外探测系统广泛应用于预警、侦察探测、目标跟踪、目标观瞄等 军事装备，有效解决夜战和低可探测性目标探测问题，在现代战争中起着不可替 代的作用；在民用领域，红外探测系统广泛应用于电力管控、医疗诊断、重点区 域安全防护等。２００３年“非典”期间，利用红外探测仪对人体体温进行有效监控、 测量，对此人们还记忆犹新。 红外光学系统是红外探测系统不可分割的重要组成部分，它用于收集来自目 标和背景的红外辐射，并将其汇聚到红外探测器的光敏面上，以便形成目标和背 景的图象。随着红外探测器器件的不断升级换代，以及各种应用对红外探测系统 要求的不断提高，对红外光学系统的性能和优化设计也提出了更高的要求。 本论文对红外预警探测系统进行了综述，介绍了红外光学系统和衍射光学元 件（ＤＯＥ）理论，研究了红外光学系统设计的方法和手段，设计了一个以红外预警 系统为应用对象的红外光学系统，应用光学设计软件对系统进行了性能优化。所 做主要工作如下： （１）分析了环境温度对红外系统的影响，论述了利用衍射光学元件实现光学 系统减热差和消色差的原理和方法。将ＤＯＥ元件应用于红外系统的减热差设计中。 （２）分别设计了８Ⅱｍ～１２ ｐ ｍ波段常温下及一２０＂Ｃ～６０＂Ｃ温度带宽范围内性 能接近衍射极限的红外光学系统。．（３）使用光学传递函数进行光学系统成象质量评价，对传统的折射光学系统 及含衍射元件的混合光学系统的性能进行了比较，混合光学系统在成象质量及体 积、重量、环境适应性等方面都有明显的优势。 关键词：红外光学；光学设计；二元光学；折／衍混合系统河南大学光学工程专业２００４级硕士论文Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒａｌｌＩｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＳｙｓｔｅｍＡｂｓ仃ａｃｔＩｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｇｒｅｓｓ，ａｐｐｅａｒｅａｎｃｅ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅｉｎｆｉａｒｅｄ（∞ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ取ｓｙｓｔｅｍｓｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｂｏｔｈ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｆｉｅｌｄｓ．ｍ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｆｉｅｌｄ，ＩＲ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ、ｒｅｃｏ姗ａｉｓｓａｎｃｅ、ｔａ唱ｅｃ ｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄ ａｉｍｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｅｔｃ，ａｎｄ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｂａｔｔｌｅｓ ｉｎ ｎｉｇｈｔ ａｎｄ ｆｏｒ ｌｏｗ―ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔａｒｇｅｔｓ，ｔｈｕｓ ａｒｅ ｕｎｓｕｂｓｔｉｔｕｔａｂｌｅ ｉｎ ｍｏｒｄｅｎ ｗａｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｆｉｅＩｄ，ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓａｒｅａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ、ｍｅｄｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ、ｓａｆｅｔｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｋｅｙ ａｒｅａｓ ｅｔｃ．ｍ ｔｈｅ“ＳＡＲＳ”ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ２００３．ＩＲ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓＷｅｒｅ ｕｓｅｄ ｏｆｏｕｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇｂｏｄｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｍａｙｒｅｍａｉｎ雠ｓｈｊｎｍｅｍｏｒｙ． Ｔｈｅ ＩＲ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｒａ ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ａｌｌⅡｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ’ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ ｉｍａｇｅｓ ｏｆｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｓ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ＩＲ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｎａｎｄ ｆｏｃｕｓｉｔｏｎｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｂｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｆｏｒｍｔａｒｇｅｔａｎｄｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．ＷｉｔｈｔｈｅｋｅｅｐｉｎｇｕｐｇｒａｄｉｎｇｏｆｌＲｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ 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分的发挥。以红外技术为己方获得战场上的单向可视性，取得战争信息的强大优 势，提高己方的战场生存能力，使自己能在全天候、全时空条件下识另４伪装、突 破防线，辨认和准确打击要害部位、重要设旌与机动目标，这是必然的趋势。因 此红外探测光学系统的设计研究具有很高的理论与应用价值。 近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是红外探测器技术及加工工艺的日 益完善，红外探测光学系统的应用越来越广泛，有着不可替代的作用。同时，随 着使用环境越来越复杂，对红外系统性能的要求也越来越高。调研发现，在红外 光学系统设计中经常遇到系统的体积、重量、所选材料、使用温度范围等同成象 质量及其它技术要求的矛盾，如不很好解决，则难以适应现代红外探测和多波段 光谱探测的需要。研究表明将衍射光学元件（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）引 入红外光学系统可以突破传统光学系统的一些限制，对于红外光学系统的小型化、 轻量化及提高系统的性能、降低成本等方面都具有重要意义“￣嗣。在这样的背景下， 本课题针对红外预警探测系统的发展，并以其为应用对象，开展红外光学系统设 计研究，其研究目的是为先进红外光学系统的设计提供理论基础、设计方法和手 段。河南大学光学工程专业２００４级硕士论文１．２本课题研究内容现代红外技术采用红外焦平面阵列（ＦＰＡ）成象，用电子自扫描实时获取图象。 探测器实现焦平面化后，可很方便的与望远镜系统配合，实现目标图象高分辨率， 因而ＦＰＡ是红外探测器发展史上的一个里程碑”１。由于采用凝视型的红外焦平面阵 列探测器，无需光机扫描成像，因而系统结构简单、紧凑、工作可靠嘲，但由于视 场和焦距的加大，使其光学系统的设计难度大大提高：（１）由于系统体积和空间 的限制，光学系统的结构和布局仍然是光学设计工作的主要焦点。（２）由于红外 材料的折射率温度系数比普通光学玻璃的数值大得多，并且现代红外光学仪器通 常要求在一个很宽的温度范围内有稳定的光学性能，以适应现代战争全天候、多 地区使用的需要，使得光学系统的无热化设计难度剧增。这些问题在传统的方法 和手段范围内是难以解决的，迫切需要行之有效的合理的解决方法，而将ＤＯＥ引 入到红外光学系统使得传统的红外光学设计方法和成像光学系统发生革命性的变 化。１。ＤＯＥ在消象差、减热差及仪器的小型化、轻量化上具有的优点使它越来越受 到世人的关注，这些特点在航空、航天及军事上将起到无可替代的作用，根据现 代军用红外光学系统的特点和要求，发展符合国防需要的高性能、小型化、轻量 化混合红外光学系统无疑具有重要意义。 本课题的研究内容包括：（１）红外探测系统的发展历史、现状和趋势。（２） 衍射光学元件理论和初步应用；（３）红外光学系统理论和设计。１．３本论文结构．本论文共七章，第一章是概述，简要介绍了课题的研究背景及本论文的研究 内容，同时对本论文的整体结构进行了规划；第二章介绍了红外探测系统的现状 和发展；第三章论述了红外光学系统理论；第四章介绍了衍射光学元件（ＤＯＥ）； 第五章介绍了红外光学系统的特点、设计方法和手段；第六章给出了一个红外光 学系统的设计实例，并对设计结果进行分析；第七章对本论文进行总结并提出今 后的研究方向。２河南大学光学工程专业２００４级硕士论文参考文献【１】Ｗ．Ｃ．Ｓｗｅａｔｔ，Ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＡｍ．Ａ．，１９９７，７（１１）：８０３－８０８ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｓ｜ｅｎｓｅ￥，Ｊ．ｏｐｔ．Ｓｏｃ．【２】金国藩，严瑛白，邬敏贤，二元光学，北京：国防工业出版社，１９９８ 【３】冯生荣，吴斌，二元光学在红外成像仪中的作用，红外技术，１９９９，２１（５）：１３～１８【４】Ｍ．Ｈ．Ｒｕｓｓｅｌｌ，Ｕ．Ｋ Ｔｈｏｍａｓ，Ｈｙｂｒｉｄｓｔａｒｉｎｇ ｆｏｃａｌｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆａ＇ａｃｔｉｖｅ ｄｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｌｅｎｓｅｓ ｆｏｒｐｌａｎｅａｒｒａｙｓ，ＳＰＩＥ，１９９２，１６９０：８０－９１【５】５白剑，孙婷，沈亦兵，侯西云，杨国光，红外折射／衍射混合光学系统的热差 分析，光学学报，１９９９，１９（７）：９９７－１００２［６】Ｊ．＆Ｂ鼢，Ｔｈｅｆａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ ａｎｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，ＩＲ．Ｐｈｙｓ．，１９９２，３３（１）：３３～３８【７】陈洪印，刘永昌，光电精确制导战术武器的发展，应用光学，１９９６，１７（５）：６～１１【８】蔡毅，潘顺臣，红外技术在未来军事技术中的地位和作用，红外技术，１９９９，２１（３）：ｌ～７【９】Ｊ－ｌ乙Ｂｉｒｃｈ，Ｅ．Ａ．Ｎｉｃｏｌ，ＲＬ．Ｓｔｒｅｅｔ，Ｎｅｗ ｎｅａｒ－ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｄｏｍｅｍａｔｅｒｉａｌ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９８３，２２（１９）：２９４７～２９４９河南大学光学工程专业２００４级硕士论文第二章红外探测系统的现状和发展传统的无线电预警雷达在探测地面、海面、低空、超低空和掠海飞行目标时 易于受到地杂波、海杂波及多径效应影响的特性，降低了其目标分辨能力、目标 指示精度和目标探测概率，使其应用受到较大局限。此外，无线电预警雷达往往 以较大发射功率工作，在电子战技术高度发展的今天，往往易于成为反辐射武器 攻击的目标，其战场生存能力受到严重挑战。在这种背景下，红外预警探测系统 应运而生，并得到迅速发展。 红外预警探测系统以被动方式工作，接收目标和背景固有的红外辐射，借助 高速图像处理硬件和算法软件获取目标特性和航迹，为Ｃ３Ｉ系统提供目标情报或为 武器系统提供目标指示，具有隐蔽性好、抗电子干扰能力强、可昼夜工作的特点， 因而可在电磁压制环境下雷达静默时执行任务，也可与无线电预警雷达同时工作， 弥补其低角探测能力的不足。由于其作用类似于警戒雷达，因此有时也被称为红 外警戒系统。一种简化形式是红外告警系统，对目标来袭进行告警，只提供目标 的大致角度方向，不提供目标的航迹。 随着隐身技术的发展，导弹和各类作战飞机平台的雷达反射截面积呈现显著 减小的趋势，增大了无线电探测的困难。与此形成对比的是，这类目标运动时与 空气的摩擦和其发动机的尾焰均会产生强烈的红外辐射，有利于红外系统对目标 的探测。此外，随着国际上太空争夺的愈演愈烈，借助于２．７ｐ ｌｒｉ和４．３ｐ １１３．红外 波段对地球大气层的良好穿透能力，天基红外预警系统成为新的研究领域。因此， 不论在战术还是战略层次，红外预警探测系统和技术在今后相当长的一段时间内 都将继续成为发展的热点和重点。２．１系统基本组成红外预警探测系统利用目标与背景之间的红外辐射温差形成热点或图像来 获取目标和背景信息，其基本组成如图２－１所示。实际的系统根据不同的任务使４河南大学光学工程专业２００４缴硬士论文命可能还包含其它功能设备，如图像跟踪器和激光测距装置等。目标一 背。 辐１和 景射图２－１红外预警探测系统组成原理框图系统前端一般包括红外接收光学系统、红外探测器（组件）和扫描装置。扫 描方式分光学扫描和机械扫描两种，用于实现对整个探测视场的高低和方位扫描。 在光学扫描方式下，光学系统和探测器（组件）固定不动，光学扫描器在相应方 向上旋转使入射光进入接收光学系统，到达红外探测器的光敏面，实现快速搜索。 在机械扫描方式下，光学系统和探测器（组件）被置于一个伺服平台上，快速搜 索通过伺服平台的方位旋转和高低扫描来实现。光学扫描方式扫描速度快并可使 系统的体积和重量大为减小，缺点是光路较为复杂，增加光学调整的难度。机械 扫描方式可以实现大负载扫描。但扫描速度受到限制，且设备体积重量偏大．在 工程应用中，两种方式结合使用往往能解决一些实际问题。 红外探测器将红外接收光学系统收集的目标及背景的红外辐射转换成电信河南大学光学工程专业２００４级硕士论文号，经过非均匀性修正和放大后以视频形式输出至信息处理器。信息处理器对视 频进行快速处理后获得目标预警信息，通过数据接１：３输出。整个系统的工作由中 心计算机控制。２．２红外探测系统的发展从国内外发展过程来看，红外探测器技术的每一次进步，都推动着红外系统 的发展，伴随着红外探测器的不断发展，红外系统先后经历了点源探测、光机扫 描成像到红外焦平面成像的发展过程。 使用单元红外探测器的点源探测红外系统的光学系统结构相对简单，多采用 卡塞格伦型反射系统，以圆锥扫描、单／双光楔扫描等扫描方式实现小视场探测。 红外点源系统为非成像的能量探测型系统，空间需求较小，结构布局较为简单， 力学环境适应性较强，但信息量小、抗光电干扰能力差，该类系统目前已不常使用。扫描成像红外系统采用单元探测器或小面阵／线阵探测器，通过二维或一维光 学机械扫描机构实现对物空间的成像，常用的扫描方式有摆镜／转鼓扫描、双光楔 扫描。为实现扫描运动机构的小型化，光学系统一般由前置望远镜、扫描器和后 继组组成。光学设计的主要工作涉及前置望远镜的选型和倍率确定、扫描器选型 和后继组选型。该类系统的空间需求较大，结构布局较为复杂，力学环境适应性 普遍较差，但获取的信息量大、抗光电干扰能力强，该类系统目前仍被较多使用。 扫描成像红外光学系统的主要设计问题在于消除冷反射等图象变形，图象变形的 成因与消除方法因扫描方式和系统构成不同而不同，但其主要来源普遍为窗１：３、 前置望远镜、扫描器自身和不适当光学渐晕。 以规模制冷／非制冷红外焦平面阵列探测器为基础的凝视红外成像系统无需 任何光学机械扫描机构即可实现对物空间的成像。该类系统空间需求相对较小， 结构布局较为简单，力学环境适应性普遍提高，可获取的信息量大、抗光电干扰 能力强，从国内外红外成像系统的发展趋势来看，红外凝视型焦平面成像是重点６河南大学光学工程专业２００４级硕士论文发展方向，这类红外探测系统对红外光学系统有较高的要求，预计今后设计的红 外光学系统将利用衍射元件的特殊色散性能，温度特性，良好的校像差能力，设 计成折／衍混合光学系统，发展宽光谱、多波段红外系统，真正使红外光学系统成 为多样化、小型化、多功能化、低成本、小体积、材料易选的现代红外光学系统Ⅲ。２．３天基系统红外预警探测系统己扩展到了以卫星为平台的天基领域，美国列入联合作战 科学技术计划的天基红外系统（ＳＢＩＲＳ）是其典型代表。它是目前世界上规模最大， 耗资最多，技术最先进的战略导弹预警系统，可从主动段、自由段到再入段对弹 道导弹进行跟踪，在美国正在发展的国家导弹防御系统中占有非常重要的地位， 可以满足２１世纪对战略、战术导弹预警的需要。ＳＢＩＲＳ由高轨道卫星（ＳＢＩＲＳ－ｈｉｇｈ） 和低轨道卫星（ＳＢＩＲＳ―ｌｏｗ）组成。 ｓＢＩＲＳ－ｈｉ曲以“国防支援计划”和原计划部署的“警报”系统为基础加以改 进，将直接替换现在的ＤＳＰ卫星。它利用星载短、’中波段（２．７ ｐ ｉｒｌ和４．３ ｌｌ ｍ） 红外传感器探测战略导弹和战区导弹的发动机尾焰辐射和导弹蒙皮辐射，提供战 略导弹和战区导弹的发射及主动段的非成像红外数据并预测导弹落区圆． ＳＢＩＲＳ－ｈｉｇｈ与ＤＳＰ相比在扫描速度、空间分辨率和信息处理速度等方面的性能有 显著提高，同时由于增加了两颗大椭圆轨道卫星，加强了对两极地区的监视。卫 星上采用双传感器方案，即快速扫描传感器和互补的高分辨率凝视传感器。扫描 传感器用一维线阵扫描地球南北半球，对导弹发射时所喷出的尾焰进行初始探测， 并将探测信息提供给凝视传感器，以获得目标详细信息。 ＳＢＩＲＳ―ｌｏｗ又称“空间与导弹跟踪系统”，其轨道高度约１６００ｋｍ，低轨卫星以 多层成对工作，提供立体观察咖。每个卫星载有一台宽视场扫描短波红外捕获传感 器和一台窄视场凝视多色（中波、长波红外及可见光）跟踪传感器。捕获传感器 一旦发现目标，信息便会传给跟踪传感器，对目标进行闭环跟踪。另外低轨卫星还可通过６０ ＧＨｚ无线电通讯向其它卫星发送目标信息，实现卫星对目标的跟踪接７河南大学光学工程专业２００４级硕士论文力嘲。ＳＢＩＲＳ―ｌｏｗ轨道高度较低，因而分辨率高，能够更好地识别目标，同时还能 提供有关导弹发射场的特征参数和其它技术情报。２．４空基系统机载红外警戒系统用于对付地空、空空导弹威胁。随着红外探测器由单个探 测单元发展到线阵或面阵，分辨率大大提高，使得机载红外警戒设备从只能接收 单一目标，用于载机护尾的告警，到具有综合预警能力的全向警戒系统，进而发 展为高性能的综合自卫系统。典型代表包括美国供Ｂ―１２轰炸机、Ｆ－１５鹰式战斗机 及直升机等使用的ＡＮ／ＡＬＲ－２１、＾Ｎ／ＡＬＲ２３、ＡＮ／ＡＡＲ一３４、ＡＮ／ＡＡＲ一３８等。无源机载 告警系统（ＰＡＷＳ）是一种轻型导弹逼近告警系统，由以色列Ｅｌｉｓｔｒａ电子系统公 司研制，探测由导弹尾焰发出的红外辐射及发动机的羽烟，即使在剧烈的机动和 强杂波条件下也能实现跟踪，并以低虚警率识别威胁性与非威胁性导弹，适合安 装于直升机和战斗机等作战平台。对威胁性导弹，它能精确指示逼近方向，大致 估计到达时间，可自行选择并启动合适的有源干扰实施对抗。它可独立工作，也 可与雷达告警接收机或激光告警器协同工作。 电子预警机加装红外预警探测系统是对相控阵预警雷达的重要补充，可有效 提高抗电磁干扰能力。美国在“雷达现代化计划”中，将Ｅ一２ｃ改进为Ｅ－２Ｃ２００５ （“鹰眼”２００５），在机头下方加装远程红外搜索和跟踪（ＩＲＳＴ）传感器，２０００年 １０月开始试飞试验，探测距离３２０ｋｍ。ＩＲＳＴ数据与雷达数据融合，提高了多目标 识别能力和测高能力。美空军的ＲＣ－１３５Ｓ“眼镜蛇球”红外预警机，包括四个光电 传感器分系统，即分别装于飞机两侧的两个中波红外阵列（ＭＩＲＡ）组件，每个组 件包括视场略为重叠的六台红外摄像机，产生１８０。的全景视场，跟踪导弹飞行达 ４００ｋｍ以上；实时光学系统（ＲＴＯＳ），包括８个捕获和５个跟踪传感器；大孔径光 学跟踪系统（ＬＡＴＳ），为一个焦距３０．５ｃｍ的光学望远镜，能以很高分辨率探测小 目标；以及一台波长１．０６ｕｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光测距机。美空军已有“眼镜蛇球” 预警机３架并在１９９８年将一架ＲＣ－１３５Ｘ改为“眼镜蛇球”２（０３２）。河南大学光学工程专业２００４级硕士论文美国海军为其战区弹道导弹防御系统研制了可进行主动／被动监视探测的“门 警一（Ｇａｔｅｋｅｅｐｅｒ）机载光电传感系统，它可探测助推段和后助推段的战区弹道导 弹，给出其后助推段三维数据，实时向舰载、机载、陆基拦截武器提供精确的弹 道数据，其探测信息可与战区指挥、控制、通信网络联网。“门警”光电预警机包 括两个光电传感子系统，即双波段红外搜索跟踪器（ＩＲＳＴ）和精密三维跟踪器， 后者包括中红外精密跟踪器和四像限激光雷达和角跟踪器（ＬＲ／Ｔ）。“门警”系统 对辐射功率密度为ｌＯＯＷ！ｃｍ２的中红外目标探测距离大于８００ｋｉｎ，跟踪精度５ｕ 激光雷达作用距离１００～１０００ｋｍ，距离精度约１ｍ。ｒａｄ，２．５海基系统现代海战环境中各种掠海反舰导弹的出现，对舰艇的生命构成了新的威胁， 而海面背景有着比陆、空背景更为严酷的干扰，给对海监视雷达带来困难，因而 舰载红外警戒装备是各国海军的发展重点之一。从在役和即将服役的装备来看， 主要工作波段为３～５ＩＪｍ或８～１２１１ｍ，部分装备采用了双波段兼容，方位角覆盖多采用扫描头做３６０。回转（转速１～３ ｒ／ｓ），俯仰角以螺旋式或步进式扫描 来覆盖；角分辨率约ｍｒａｄ级，指示精度几ｍｒａｄ；告警距离１０～１５ ｌ【Ⅲ。典型装备 包括法国的Ｖ．Ａ．．ＷＰＩＲ系列、ＳＰＩＲＡＬ系统，美国／加拿大的ＡＮ／ＳＡＲ一８系统，以色列的 ＳＰＩＲＴＡＳ系统，荷兰的ＩＲＳＣＡＮ系统。３等。 法国舰用红外警戒系统的研制起步最早，水平也最高，主要有ＶＡＩ旧ＩＲＤＩＢＶ型、ＶＬＭＰＩＲ Ｍｒ，型和ＶＡＭＰＩＲ姗型，ＶＡＭＰＩＲ ＤＩＢＶ型是法国电讯股份有限公司（ＳＡＴ）在２０世纪８０年代初研制成的世界上第一台使用型的红外警戒系统，它采用双波 段探测，每个波段探测器有各自独立的光学通道，限于当时的技术水平，该系统 成本高、虚警率高且过于笨重。 为了使ＶＡＭＰＩＲ能安装在小型舰船上ＳＡＴ公司８０年代末研制出轻型系统――ｖＡ聍ＩＲ地，它包括ＭＬｌｌ和ＭＬｌ２两种型号。ＭＬｌｌ型探 测头较轻，适合安装在中、小型舰船上，但只采用单波段工作。ＭＬｌ２型为双波段 系统但因未能解决探测性能和质量之间的矛盾而未被广泛应用。ＶＡＭＰＩＲ耶型是９河南大学光学工程专业２００４级硕士论文ＳＡＧＥＭ公司研制的新一代红外警戒系统，双波段探测头共用一个光学通道，减轻了 光学系统的质量，同时系统广泛采用先进的红外探测器、信号处理器和图象处理 算法使得其具有轻小型化和高效能的特点，而被海军广泛应用。２．６陆基系统在地面战场，由于各类精确制导武器的投入使用和电子战水平的提升，对防 空反导作战提出了新的要求，陆基红外警戒系统作为传统雷达系统的补充得到了 迅速发展。俄罗斯的“凤凰”防空红外警戒系统就是其中一例，该系统可安装在 陆基平台上对３６０。方位角和－１０。～＋４５。俯仰角范围进行探测，工作波段为８ ｐｍ～１２ｕｍ，对低空导弹探测距离为５ｋｍ～７ｋｍ，对直升飞机为８ｋｍ～９ｋｍ，对战斗机为１５ｋｍ～１８ｋｍ。美联合作战计划中将多功能光电传感器系统列入技术计划中，开发和演示高 稳定性的红外搜索和跟踪传感器及信号处理技术，用于反巡航导弹和空中防御。２．７发展趋势红外预警探测系统以无源方式工作，自身隐蔽性好，抗干扰能力强，探测目 标范围广，其技术和应用都在不断发展当中。２．７．１红外探测器向更高性能发展现代战争要求红外预警探测系统具备如穿透云层、在杂波环境下正常工作和 探测弱小目标等能力，以实现全天候、远距离探测和目标识别，因此对红外探测 器提出了更高的要求。美国将长波和多光谱大面积凝视焦平面红外探测器阵列和 相关的制冷技术列入了弹道导弹防御技术计划。如发展２３ １１ ｍ硅掺砷Ｓｉ：Ａｓ技术、 截止波长可扩展到１４ ｌＩ ｍ以上的ＨｇＣｄＴｅ技术和双色ＭＷ／ＬＷ ＨｇＣｄＴｅ焦平面阵列技 术、双色姗／ＬＷ焦平面阵列量子阱（ＱｗＩＰ）技术等“～。ＯＷＩＰ技术是大规模焦平面１０河南大学光学工程专业２００４级硕士论文阵列的理想被选材料，美国导弹防御计划的发展目标是１０２４ｘ１０２４中波和３２０ｘ２５６ 中波、长波双色ＱＷＩＰ焦平面阵列。２．７．２多平台、多设备组网未来战场环境日趋复杂，综合一体化预警探测已成为现代武器装备的发展方 向，为了能够大幅度降低虚警率，确保探测的准确性，并能识别各种伪装，对抗 多批、多频段、多层次目标的威胁，实现实时、近实时预警，天基、空基、海基、 陆基联成立体网，各系统之间密切协作、联合预警是适应未来战争需要的发展方 向。２．７．３双波段和红＃ｂ／紫外／雷达复合探测嘲目标伪装、环境干扰、辐射频谱的不稳定等因素往往导致单一波段红外探测 系统的探测能力和准确度下降。采用３ Ｉｌ ｍ～５ ｌｌ ｍ和８ １１ ｍ～１２ ｌＩ ｍ双波段探测 器将提高系统对假目标的鉴别能力，降低系统的阈值电平，提高系统的探测距离。 此外，采用红外／紫外／雷达等综合型复合探测系统，拓展其响应频谱范围，降低 虚警率和提高多传感器数据融合能力，是未来战场的需要。 总之，发展高性能红外探测器件，并研究其应用技术，实现高分辨率、高灵 敏度、低虚警率和远距离探测，提高环境适应性和平台适应性，正是新一代红外 预警探测系统的发展方向÷河南大学光学工程专业２００４级硕士论文参考文献【１】孙强，红外折射／衍射光学系统研究，博士学位论文，天津：南开大学，２００３，１２～１３【２】杨华，凌永顺，陈昌明，美国反导系统红外探测、跟踪和识别技术分析，红外 技术，２００１，（４）：１～３ 【３】王戎瑞，国外导弹预警卫星的发展，激光与红外，１９９８，（３）：１３１～１３５ 【４】吴培中，天基红外导弹预警系统，国际太空，２０００，（９）：１０－１５ 【５】王永仲，现代军用光学技术，北京：科学出版社，２００３【６】Ｚ．Ｍｅｉｍｅｉ，Ｎｅｗ２１７－２２４＋．ｉｎｆｒａｒｅｄｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｍｉｓｓｉｌｅ ｄｅｆｅｎｓｅ，ＳＰＩＥ，２００５，５７３２：【７１ Ｚ．Ｍｅｉｍｅｉ，ＭＤＡ３９－－４３ＩＲｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＳＰＩＥ，２００３，５０７４：【８】奚云，红外告警技术，红外，２００２，（５）：１３河南大学光学工程专业２００４级硕士论文第三章红外光学系统理论红外光学系统即接收或发射红外光波的光学系统。由于红外和可见光及紫外 本质上都是电磁波，只是谱段不同，因此一般来说，红外光学系统作为光学系统 的一个类别，它和其它光学系统相比，在光能接收、传递、成像等光学概念上没 有本质上的区别。用于可见光系统设计的工程光学的基本理论和设计方法，同样 可用于红外光学系统的设计，但是由于红外光学系统工作波长在红外区域又多数 以红外探测器作为接收元件，同时其主要性能要根据其应用对象来确定，因此有 其本身的特点，有别于一般光学系统。本章对红外光学系统的基本理论进行简要 阐述。３．１系统类型Ⅱ卅选择最佳的光学系统类型是一项重要的工作，尤其是在红外光学系统中，这 是因为红外光学系统的工作波长范围往往较宽，可用的折射材料有限并且还受环 境温度及其它因素的影响，致使光学系统象差的校正，特别是色差和温差的校正 十分困难；另一方面，目标发出的红外辐射能量总是向它的四周空间辐射，而且 红外辐射能一般都很微弱，为了收集更多的能量辐射，物镜的口径往往做得很大。 目前，透红外波段的材料品种虽然已有一些，但其性能和成型尺寸还不能完全满 足使用上的要求。而反射式系统不受材料限制，它可以用普通的光学玻璃或金属 制成，只要在其工作表面上镀一层高反射膜就可以了，尺寸可以做的很大，并且 没有色差，对温度不敏感，因此反射系统在红外光学系统中得到广泛使用。常用 的反射系统主要有卡塞格林系统（简称卡氏系统）和格里高里系统（简称格氏系． 统），如图３－１，３－２所示，它们均由两面反射镜组成，次镜为凸镜的为卡塞格林 系统，次镜为凹镜的为格里高里系统。这种双反射镜系统由于多了一个次镜，系 统成折迭式，不但镜筒短，而且可以较好的校正轴外象差。卡氏系统与格氏系统 相比，次镜挡光更少，镜筒更短，显得比格氏系统优越。使得其在红外装置中得河南大学光学工程专业２００４级硕士论文到广泛的应用。抛物面主镜、双曲面次镜 图３－Ｉ卡塞格林系统简图抛物面主镜、椭球面次镜 图３－２格里高里系统简图 反射系统有诸多优点，但也存在明显不足，比如：一般有中心遮蔽，透过率 下降，ＭＴＦ降低；多数要求非球面的辅助，并且次级反射镜的固定和校准都很困难； 特别是随着红外应用范围的不断扩大，红外热成象等技术的不断发展，反射式物 镜已不能满足大视场、大相对孔径的要求，因此近年来又广泛地用高折射率、低 色散的晶体材料制作各类折射物镜，因其结构紧凑、装校方便等优点已随着透红 外光学材料的发展越来越多地被采用。折射式物镜可以由单片组成（单透镜），也 可以由多片组成（复合透镜），单片透镜因变量较少，象差难于校正，当视场增大 时，彗差和象散迅速增大，因此单透镜应用在大视场时象质很差，其次红外大气 窗波段较宽，单透镜色差严重，必须采用多片透镜组合消色差。但在点源探测的河南大学光学工程专业２００４级硕士论文红外光学系统中，由于光学系统瞬时视场很小，对象质要求不象可见光那样高， 若使用波段不宽（例如红外地平仪只在１５ ＩＩ ｍ附近配上窄带滤光片工作）单片透 镜就可以满足系统的要求。单片透镜大都用在空间光学系统中，因为人造卫星和‘飞船上的光学系统要求质量轻、结构简单、体积小。 为了减少单透镜的球差和色差，可以做成组合透镜。在组合透镜中，双片透 镜的视场和相对孔径都不大，若要达到较大视场和相对孔径，必须选用三片或以 上的多片组合透镜，如图３―３所示为三片透镜组成的折射光学系统结构简图，在 象面扫描系统中，往往需要这种大视场、大相对孔径的物镜。为了减少反射损失， 每面应镀增透膜，多片组合透镜由于反射、吸收、散射等，总的透过率不高，并 且常用红外光学材料折射率温度系数比可见光光学材料高的多，且品种有限，尚 缺乏具有大范围色散性能（阿贝数）的材料，因此折射式红外光学系统的色差和 热稳定性是设计者面临的两大难题。．寻’图３－３折射系统简图日趋复杂的战争环境对红外光学系统性能的要求越加苛刻，在红外光学系统 （特别是空间红外光学系统）设计中经常遇到系统的体积、重量、所选材料同成 像质量的矛盾，这在传统方法与手段范围内是难以解决的，迫切需要有效的合理 的解决方法。对ＤＯＥ原理进行研究之后发现它有许多不同于传统光学元件的特点，河南大学光学工程专业２００４级硕士论文比如：（１）它的色散与材料无关，仅依赖于波长，且色散系数为负值；（２）它的 温度特性只由材料的膨胀系数决定而和材料的折射率温度系数无关，其光热膨胀 系数始终为正值（与大多数折射元件的光热膨胀系数相反）。根据这个性质，在传 统折射光学元件的一个表面上制作有类似于基诺全息图（Ｋｉｎｏｆｏｒｍ）的衍射面组 成折／衍混合系统，可以很好地进行矫正色差和消热差设计，导致多年来没有多大 进展的红外光学系统设计方法发生革命性的变化，使一些在传统光学技术范围内 无法解决的问题得到解决，这对于缩小光学系统体积，减轻重量，提高成像质量 和降低成本都具有重要作用。因此折／衍混合光学系统在现代高性能的红外系统中 被广泛采用。３．２系统结构和布局由于系统体积、空间的限制，光学系统的结构和布局仍是光学设计工作的主要焦点。红外光学系统可以通过两种结构型式达到要求：即一次成像光学系统和二次 成像光学系统。所谓一次成像光学系统即光学系统没有中间像面，直接成像于探 测器表面，系统构成简单，无热化实现压力小，轴向长度与系统焦距相当，但轴 外光束在其前部元件上的漂移很大，无渐晕情况下系统前部元件直径远大于入瞳 直径；二次成像光学系统有中间实像面，结构复杂，无热化实现压力较大，轴向 长度略长于系统焦距，但轴外光束在其前部元件上的漂移很小，无渐晕情况下系 统前部元件直径略大于入瞳直径。 在系统体积和空间允许的情况下或系统允许适当渐晕时，应首选一次成像结 构形式；如果系统径向空间限制严格，应首选二次成像结构形式。 考虑结构和光学装校的实现便利性，系统布局应首选直筒式。在某些特殊情 况下，可选用折叠式，但其结构会复杂一些。３．３系统主要性能参数河南大学光学工程专业２００４级硕士论文３．３．１Ｆ数我们用光学系统的Ｆ数或数值孔径来表述光学系统对辐射的会聚能力。 Ｆ数的定义为系统的有效焦距与入瞳直径之比，记作，或ｆ／ｎｏ：，。Ｆ＝｛■ Ｄ其中：，，为系统有效焦距，Ｄ为入瞳直径。 Ｆ数的倒数也称作相对孔径。（３―１）…７由于红外系统的目标一般较远、作用距离大、能量微弱，因此，要求光学系 统的接收孔径要大，以收集尽量多的辐射能量。另外，光学系统要将所收集到的 红外辐射能量会聚到探测器上，为了在探测器的光敏面上获得更大的照度，希望 光学系统的焦距厂小些，这样光学系统的，就要小些。为了提高系统的探测能力， 应使系统的Ｆ尽可能小，但Ｆ的减小会增大加工工艺的难度和像差校正的难度。３．３．２视场设光学系统以探测器为视场光阑。如果系统焦距为，，，有效孔径为Ｄ，探测 器尺寸为，，则物方半视场角甲的正切为：留矿＝专为ｌｘｄ（垂直Ｘ水平），则垂直和水平视场角可分别表达为：（３＿２）上式是一个简化的表达式，任何光学系统的视场都是两维的。如果探测器尺寸觋’＝留。１专 ％呵弓称为瞬时视场，而将线阵或面阵探测器所对应的视场称为光学视场。（３－３）（３－４）对于由多个探测元组成的线阵或面阵探测器，我们将单个探测元所对应的视场由于瞬时视场很小，正切值可用弧度值代替，如果光敏元尺寸为ａｘｂ（垂直Ｘ河南大学光学工程专业２００４级硕士论文水平），则垂直和水平方向的瞬时视场分别为：ＩＦＯＶｒ＝ＣＫ＝导，（３―５）／ＦＯｇｓ＝ｆｌ＝ｉｂＪ（３―６）使用单元探测器的系统光学视场和它的瞬时视场是一致的。由于空间分辨率的 需要和探测器像元数的限制，系统光学视场一般都比较小。为获得较大的成像范 围，可用光学机械方法对物方空间进行扫描，如此形成的视场称为扫描视场。扫 描视场主要取决于光机扫描的方式，与光学系统本身无直接关系。单元扫描系统 尽管可有很大的扫描视场，它的光学视场仍等于瞬时视场。３．３．３焦深对于固定焦距的光学系统，物距变化造成的离焦会影响成像的清晰度。汇聚 到焦点的光束，在焦点处光束的截面积最小。然而，在焦点两侧的一个短距离内，九ｔＯ－６３箱Ｉｚｍ－，、１２…．ｖｐ”。、Ｘ＝１０．０ｌａｍ、、＼’８＼＞之．－２７．Ｕ．２?，’７。● Ｉ／／，／’／‘，，，，７，．，／， ．，．／芝４ ２ ｊ≮≤磊Ｄｅｐｔｈ７今≮●Ｉ２５２５００１＇ｆｏｃｕ＿，ｍｉｏｒｏｎ＝ｌ曲图３－４焦深示意图１８河南大学光学工程专业２００４级硕士论文光束的截面积近似相等，这一距离称为焦深。因此，当物距变化时，只要像面位 置与理想像面轴向位置的偏差不超过焦深，像点的亮度不会有明显的变化。 如图３ｑ所示：实线代表形成名义像平面的球形波前。这个球形波前在名义 上是理想的。如果我们现在将名义波前的圆心点沿光轴移到名义像面的前面和后 面，以这两个新点画在光轴上与名义波前相切的两个圆，那么，这两个圆将沿着 极限边缘光线偏离名义波前一个量值，该量值实际上就是光程差。根据像质评价 “瑞利判据”的标准：即当实际波面与理想波面的最大差别不超过Ａ／４时，此波 面可以看作是无缺陷的，并且根据波像差和焦深的关系式伽，可得焦深：艿＝蛇，ＺＦ２（３―７）很明显，随着Ｆ和波长的增加，焦深也随之增加。该增加与波长成线性关系， 与Ｆ数成平方关系。’３．３．４分辨率在光学系统中，由于光的衍射，一个发光点通过圆形光学系统成像后得到一 个衍射光斑；两个独立的发光点通过光学系统成像得到两个衍射斑，考察不同间 距的两发光点在像面上两衍射像可否被分辨，就能定量地反映光学系统的成像质 量。作为实际测量值的参照数据，应了解衍射受限系统所能分辨的最小间距，即 理想系统的理论分辨率数值。 两个衍射斑重叠部分的光强度为两光斑强度之和。随两衍射斑中心距的变化， 可能出现几种情况。当两发光物点之间的距离较远，两个衍射斑的中心距较大时， 中间有明显暗区隔开，亮暗之间的光强对比度ｋ“１；当两物点逐渐靠近时，两衍 射斑之间有较多的重叠，但重叠部分中心的合光强仍小于两侧的最大光强，即有 对比度０＜ｋ＜ｌ；当两物点靠近到某一限度时，两衍射斑之间的合光强将大于或等 于每个衍射斑中心的最大光强，两衍射斑之间无亮暗差别，即对比度ｋ＝０，两者“合 二为一”。 要能判断出是两个像点，则起码要求两衍射斑重叠区的中间与两侧最大光强 处要有一定量的明暗差别，即对比度ｋ＞０。ｋ值究竟为多大时人眼才能分辨出是两１９河南大学光学工程专业２００４级硕士论文个像点而不是一个像点？这由所谓的瑞利判据决定，如图３－５所示。图３－５瑞利判据的部分合光强分布曲线 此时，第一暗环的半径，即两衍射斑的中心距为：，●Ｏ＂ｏ２１．２２ａＬＤ２ｌ?２２舻（３―８）用两衍射斑中心距的倒数表示的分辨率为：ｓ：上：三：上 Ｓ＝～＝―――＿＝一％（３―９）ＬＪ一，，１．２２可’１．２２ＡＦ像素化传感器能够无混淆地有效分辨的像的最大空间频率被称为尼奎斯特频 率，在更高的像空间频率处，传感器对像抽样不足而出现所谓混淆现象。例如： 像元大小为６２．５ Ｘ ６２．５１１ｍ的传感器，对应的尼奎斯特频率为８ １ｐ／ｒａｍ，即每毫米内最多能够分辨８个线对。 实际设计要达到的分辨率（光学系统的分辨率）可从两个方面得到：一个是瑞 利判据；另一个是观察景物要分辨的细节大小或传感器的实际分辨力。前者得到 的分辨率往往比后者得到的分辨率大。实际系统所能实现的分辨率取决于二者之 中较低者。２０河南大学光学工程专业２００４级硕士论文３．３．５调制传递函数（ＭＴＦ）ＭＴＦ是所有光学系统性能判据中最全面的判据，特别是对于成像系统，图３．６ 示出所发生的情况。以一个强度按正弦规律变化的周期性目标开始，这个目标被 待测镜头成像，由于像差、衍射、装配和校准误差以及其它因素的影响，像质有 所退化，亮处不如原来图案亮，暗处也不如原来图案暗。 调制度是最大强度与最小强度之差除以最大强度与最小强度之和。ＭＴＦ是像的 调制度与物的调制度之比，它是空间频率的函数。因此，ＭＴＦ表示物经过镜头到像 的调制度传递与空间频率的关系。对于一个光学系统来说ＭＴＦ值越大，代表光学 系统的性能越好，在达到衍射极限且空间频率为０时，对应的调制传递函数值被归化为１．０。调制度２靛脚＝器糕Ｔｍ＇ｇｅｔ ｉ１日匦珲曲哪舢由一０ｂｊｅｓｔＩｍａｇｅ图３－６调制传递函数的涵义阐述 对于圆形通光孔，满足衍射限要求的系统光学调制传递函数旧为：２１河南大学光学工程专业２００４级硕士论文％鼢扣。㈢一唔式中ｆｘ≤ｆｏｃｏ，ｆｏｃｏ是截止频率。 截止频率ｆｏｃｏ（硼ｆＦ等于零时的频率）为ｌ“（３―１０）ｔ＝一 辐（３一儿）●，Ｂ，｜ｏＩ一量】可ｏＥｔ‘Ｂ，０霉Ｉ■畜！笪ｙ笪∑．巡竺竺。图３－７典型的ＭＴＦ曲线矗翌砸Ｚ］皿［二Ⅲ图３―７示出了几条典型的ＭＴＦ曲线，分别对应完善光学系统、有中心遮拦的 完善系统（如卡塞格伦望远镜）和典型实际系统的ＭＴＦ。完善的中心遮拦系统的 ＭＴＦ，由于中心遮拦，部分光线从爱里斑中心最大处衍射掉，因而ＭＴＦ相应降低。 在这种情况下，中心最大的直径会略微减小，从而导致高频ＭＴＦ实际上略高于无 遮拦完善系统的ＹＴＦ。图３－７曲线下方是物和像在低空间频率、中等空间频率和高河南大学光学工程专业２００４级硕士论文空间频率下的图形描述。ＭＴＦ反映了不同频率、不同对比度的传递能力。低频ＭＴＦ 反映了物体轮廓的传递能力，中频ＭＴＦ反映了物体层次的传递能力，高频ＭＴＦ反 映了物体细节的传递能力。河南大学光学工程专业２００４级硕士论文参考文献［１】Ｒ Ｅ．Ｆｉｓｈｅｒ，汪世祯译，红外系统的光学设计，云光技术，１９９０，１２（２）：２７－３１【２】张幼文，红外光学工程，上海：上海科学技术出版社，１９８１．［３】郭晴，王汝笠，裴云天，严义埙，衍射光学元件热稳定性的分析，光子学报，１９９９，２８（５）：４６３～４６６［４】金国藩，严瑛白，邬敏贤，二元光学，北京：国防工业出版社，１９９９［５】５ Ｒ．Ｅ．Ｆｉｓｈｅｒ，吴晓靖译，光学系统设计，中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所《红外与激光工程》编辑部翻译出版，２００４ ［６】６张幼文，红外光学工程，上海：上海科学技术出版社，１９８１河南大学光学工程专业２００４级硕士论文第四章衍射光学元件（ＤＯＥ）衍射光学元件（ＤｏＥ）是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计和超大规 模集成电路（ＶＬＳＩ）制作工艺，在片基上（或传统光学器件表面）刻蚀产生多个 台阶深度的浮雕结构或连续浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效 率的一类光学元件“叫。自８０年代以来国内外对衍射光学元件作了大量研究，是 近年来光学界研究的一个热点。 ＤＯＥ在光学系统中的广泛使用，是因为它具有一系列独特的成像性质。同时 应用大规模集成电路制作的微细光刻方法，衍射光学元件的面形可以加工成任意 复杂的非球面，甚至是非对称的表面面形。ＤＯＥ的这些特性，无疑为光学系统的像 差校正，结构简化和提高系统的综合性能开辟了新的途径。特别是对于红外光学 系统，因为工作波长较长，相对降低了衍射光学元件的制作难度，从而使ＤＯＥ首 先在红外光学系统中获得了实际应用。 本章主要介绍衍射光学元件的光学特性。首先简单介绍ＤＯＥ的发展概况，然 后分析ＤＯＥ的初级像差特性，最后分析其色差特性和温度特性。４．１ＤＯＥ发展概况２０世纪６０年代激光器的出现和计算机技术的不断进步，促进了光学理论和制造技术的飞速发展Ｍ”。源于计算全息并以衍射原理为基础发展起来的衍射成像光 学及其元件的制作技术和在应用领域中的研究工作成为光学领域中十分活跃的重要分支删。２０世纪８０年代中后期，美国麻省理工学院林肯实验室开始将ＶＬＳＩ（超大规 模集成电路）制造技术应用于台阶型表面浮雕位相光学元件的加工，制作出了表 面质量很高，成像性能良好的衍射光学元件，由于此类技术在制造过程中使用的 掩膜是二元的，且掩膜用二元编码形式进行分层，故引出了“二元光学”的概念ｒｉｏ，ｌ¨河南大学光学工程专业２００４级硕士论文９０年代中后期，随着加工技术的进步，出现了较低成本的周期性连续表面浮 雕结构的衍射光学元件，“衍射光学”技术开始进入应用时代，“衍射光学”这个 词也逐渐取代了“二元光学”。最近技术的进展使得衍射光学元件带宽增加导致衍 射效率下降的问题得到有效的控制“”，扫清了衍射光学元件在各类成像光学系统 中应用的最后障碍。衍射光学元件已在成像光学系统中得到越来越广泛的应用。４．２ＤＯＥ的像差特性在参考文献［１３］、［１４］中曾对ＤＯＥ的像差理论进行过讨论。根据Ｓｗｅａｔｔ“”的高折射率模型，ＤＯＥ的初级像差可以通过对一般折射透镜（薄透镜）的初级像差 公式求折射率趋于无穷时的极限获得。采用这种薄透镜模型，可直接运用几何光 学的相关理论对衍射成像的像差特性进行研究，由于薄透镜模型忽略衍射多级次 共存的可能性，所以以下像差分析只考虑单一衍射级次＋１级的情况。 通常设旋转对称二元光学衍射面的相位函数表示形式为ｏ”： 矿（，）＝２，ｒＣＡ，ｒ２＋以，４＋…．．．）（４―１）式中，Ａ，为二次相位系数，决定该面的傍轴光焦度，对于某一确定的ＤＯＥ，Ａ。 与使用波长＾成正比，故此项一般用于校正系统色差；也、也等非球面相位系数， 多用于校正系统的单色像差。下面基于初级像差理论，分析衍射光学元件的初级 像差特性。４．２．１光阑密接于衍射透镜情况下的初级像差系数图４－１示出了具有密接光阑的单薄透镜的一些傍轴量的定义。所有符号意义 及正负号规定均遵循威尔福德（Ｗｅｌｆｏｒｄ）的约定“”。其中Ｕ为主光线的入射角； 甜和甜’为边缘光线的入射角和出射角；Ｙ是边缘光线与透镜的交点到光轴的距 离。设ｈ为物高，日为拉氏不变量，ｃ。和白为透镜两表面的曲率，分别定义弯曲 系数Ｂ和共轭系数Ｃ为（均无量纲）河南大学光学工程专业２００４级硕士论文．／ 沃‘Ｉ卢舭密接于透锄，―督 ”’＼物涉／一图４－１薄透镜的近轴参量“一“’Ｂ：鱼±垒．Ｃ：―Ｕ＋―Ｕｇ（４－－２）Ｃ。一ｃ’令西为光焦度，薄透镜的光焦度垂由透镜的结构参数决定，有：≯＝（ｑ－龟ｂ一１）式中刀为透镜材料的折射率。（４―３）当光阑密接于透镜上时，对于普通薄透镜，其初级单色像差系数Ｓ，ｏｓ，分别为：球差系数毋＝华【白２＋而ｎ＋２ ｎ咖４（ｎ＿１）＋１）ＢＣ｝３ｎ露＋２ｃ２】彗差系数：?（４－－４ａ）％＝华丽ｎ＋ｌ占＋莩ｃ，像散系数： Ｓ吸＝Ｈｎ兀兹万场曲系数：（４－－４ｂ）（４―４ｃ）河南大学光学工程专业２００４级硕士论文ｓ俨塑（４－－４ｄ）畸变系数： ＆＝０（４－－４ｅ）对于设计波长五，衍射级次为埘（不特别指明，一般取ｍ＝１）设计二元器件， 则其傍轴光焦度由衍射级次埘和式（４一Ｉ）表示的相位函数中的二次相位系数也决定九＝＿２咀Ａ（４－－５）相位函数中的非球面项在光阑密接于透镜时只引入球差，故在毋项中将引入 附加项。 参照薄透镜弯曲系数Ｂ和共轭系数Ｃ的定义，取ｑ、ｃ２一ｑ（ｃＩ为ＤＯＥ所在基 面的曲率），因而弯曲系数Ｂ一一，令ｒ为“ｒ；三监：鱼±垒；―星一 ≯ 如一１）（ｃｌ―ｃ２）ｎ－１差系数：（４―６）在普通薄透镜初级像差系数中，取ｎ―ａｏ，可得到光阑密接时，ＤＯＥ的初级像墨＝华【１＋Ｔ２＋４ＴＣ＋３ｃ２】－８锄，４（４－－７ａ）ＳⅡ＝一），２≠２Ｈ（Ｔ＋２Ｃ）／２（４―７ｂ） （４―７ｃ）％＝Ｈ２妒Ｓｌｙ＝０（４－－７ｄ） Ｓ，＝０（４－－７ｅ）可见，除匹兹万场曲系数为零以外，其它单色初级像差特性均与传统透镜相似。４．２．２光阑不与衍射透镜重合时的初级像差系数河南大学光学工程专业２００４级硬士论文设光阑离透镜距离为ｔ，对于单片系统或密接的多片系统， 有歹＝面，各项系 数（由“｝”表示）变为：Ｓ：＝ＳＩ ｓ：＝ＳⅡ＋Ｙ－ｓ，Ｙ（４－－８ｂ）％＝％＋２兰％＋尚２墨Ｙ Ｙ（４―８ｃ）Ｓ≥＝ＳⅣ（４－－８ｄ）￥＝品＋－－ｙ－Ｙ（３Ｓａｔ＋％）＋３哆）２醣＋守３墨时，可以获得平像场。其它单色像差与传统透镜相似。（４―８ｅ）从式（４―７ａ）～（４－８ｅ）可以看出光阑无论是否和ＤＯＥ重合，ＤＯＥ的匹兹万 场曲系数均为零，如果光学系统仅有一个ＤＯＥ构成，则它在保持一定光焦度的同４．３ＤＯＥ的色差性质及色差的校正ＤＯＥ的光焦度４．３．１在可见光和红外波段，大部分透射光学材料，如玻璃、晶体等的折射率都随 波长的增大而减小，从而使透镜的光焦度随波长的增大而减小。 根据傅立叶光学理论“”若一个薄透镜的焦距为，，折射率为力，两个表面的曲 率半径分别为尼和是，则该薄透镜的光焦度妒２手劬一Ｄ哇一寺在傍轴近似下，透镜的位相变换作用可写为“．。，ｆ阮ｙ）＝ｅｘｐＵｋｎＡ。）ｅｘｐＨ寺０２＋ｙ２）】（４＿１０）ＤＯＥ应该同折射透镜一样对入射光起到类似的相位变换作用，此即为（４－１）式 中第一项所起的作用，比较公式（４－１）和（４－１０）可以得到ＤＯＥ相应的光焦度河南大学光学工程专业２００４级硕士论文２硝一寺再考虑到衍射级次的作用，则ＤＯＥ的光焦度为 如＝－２Ａｉｍ２ 当衍射级次ｍ＝１时，ＤＯＥ的光焦度为 九＝－２Ａ１２ 上式表明ＤＯＥ的光焦度与波长成正比。（４－１１）（４－１２）（４―１３）４。３．２ＤＯＥ的色散性质“钆删传统光学材料的色散性质通常以阿贝数ｖＤ和相对部分色散％表示，根据定义有’ （４―１４）：１ｉＤ二且！％＝垃ＨＦ―ｒｌｃｎＦ―ｒｌｃ（４―１５）其中％，唧，％分别为Ｄ、Ｆ、１２谱线的折射率。?下面我们将ＤＯＥ的色散性质以等效阿贝数ｖ尹和等效相对部分色散只驴表示。首先考虑薄透镜的光焦度公式： 矿（兄）＝【行（Ａ）一１］ｃｏ 式中岛为薄透镜两面曲率差值，由此可得折射率（４―１６），ｌ（旯）：１十至盟ｃ０（４一１７）。将式中的≯（∞以（４―１３）式的九代入，得到ＤＯＥ的等效折射率力臃（五）：ｌ一坐ｃｏ（４―１８）那么，ＤｏＥ的等效阿贝数为：Ｖ尹＝研ｎ≯ｒ－１＝者河南大学光学工程专业２００４级硕士论文（螂） ｃ蚴，ＤＯＥ的等效相对部分色散为：学＝器菩＝姓＂。ｃ－；Ｌｐ下面将折射透镜和ＤＯＥ的特性做－－ＥＲ，如表４－１，４－２所示； 表４－１折射透镜和ＤＯＥ的聚焦特性比较 特性 光焦度 折射透镜衍射透镜矧州，ｃ击一专ｖ。一ｂ～＞０九；－２Ａｍ胁＾阿贝数部分色散％：垃力，一，七ｎＦ―ｎｃＶ尹＝菩嘉＝丢瓮ｃ。 辔＝≯ＤＯＥ》ＤＯＥ＝／如Ｄ‘－－＇。Ｆｔ由表４－Ｉ可以看出ＤＯＥ的色散与折射元件的色散相比有两个不同的性质：一 是它只和波长有关，与材料的特性无关。即不管构成ＤＯＥ的材料折射率如何，只 要在同一波段内，就具有相同的色散能力。二是ＤＯＥ的阿贝数符号和传统折射材 料的阿贝数符号相反，且其绝对值较传统材料小的多，说明ＤＯＥ具有较强的色散。 由表４－２可以看出ＤＯＥ因衍射产生的部分色散和光学材料因折射产生的部分 色散有很大不同，对于同样的波长间隔，绝大部分折射材料在蓝光波段的末端表 现出较大的部分色散，向红光波段逐渐减小，而ＤＯＥ的变化情况恰好相反，因此 有利于二级光谱的校正。河南大学光学工程专业２００４级硕士论文表４－２折射材料与ＤＯＥ的相对部分色散比较胁１Ｐｌｔ０．２６９０．３１００．２７９０．２３１０．２１１０．１９０小０．９５１４大０．２９０ ０．８５５７尼０．３６１艮０．１７３Ｐ∞０．５３４０．３８２０．３６００．３２６０．３０９０．１７８０．１７１０．１６２０．１５７０．１５１０．２９５３０．５６１０．５３００．４８９０．４６７Ｑ．４４１１．１５１０儿０．３０４忍０．２３９ 如０．４５７０．３０８０．３０１０．２９４０．２８９０．２８３０．４０３８０．２３９０．２３８０．２３７０．２３６０．２３８０．２４３８０．４５４０．４６１０．４６９０．４７５０．４８２０．３５２３０．２９５６％０．５３８ ％０?４４２０．５３５０．５５８０。５８２Ｏ。６０４０．６３１０?４４ｌＯ?４７３０?５０５０?５３９０?５８２大０?１８３２小０．２３３０忍０．７４２０．７４８０，８３００．９１３４．３．３使用ＤＯＥ消色差由于色差的存在，在光学设计中通常不单独使用单片透镜，而是根据光学材 料在特定波长下的色散特点，使用双胶合或三片透镜，通过适当分配光焦度使两 种或三种波长下的焦距一致而实现消色差，留下其它自由度（如曲率、厚度等） 以校正其它像差。 ＤＯＥ与材料无关且负向的色散特性非常有利于消色差，可与折射光学元件组合 构成综合性能更好的混合消色差系统，这也是ＤＯＥ在成像领域受到青睐的最主要 原因。下面详细分析由ＤＯＥ与传统折射透镜组合而成的混合透镜ＨＬ（ｈｙｂｒｉｄｌｅｎｓ） 的特点及在消色差方面的应用价值。河南大学光学工程专业２００４级硕士论文最简单的混合透镜的结构（图４－２）为平凸透镜和基底为平面的衍射透镜的组 合，即折射透镜与ＤＯＥ密接，目的是利用ＤＯＥ特殊的色散性质，用单个混合透镜消色差。折射透镜二元透镜棍合透镜寤‘－Ⅵ．＿孓图４－２折衍透镜的聚焦特性 设所要求的总光焦度为≯，平凸透镜的光焦度为力，阿贝数 ＂Ｐｒ，ＤＯＥ的光焦度为妒嘲，阿贝数为．１，。。，则消色差条件为；方＋‰＝≯１，， ＶＤＯＥ（４―２１）立＋血：０（４－２２）这种消色差结构与传统的消色差透镜组相比，除了省掉一片负透镜外，还由于ｖ。。＜０，妒。＞０，用ＤＯＥ分担了一部分正光焦度，而使折射元件承担的光焦度减小了，从而减小了单色像差。同时由于衍射元件能够附着在折射元件上，混 合透镜还能减小系统的体积和重量。对于红外系统，还可以不用或少用稀少昂贵 的或有毒的光学材料，降低系统的成本。在紫外波段，由于很难找到适当的消色 差材料，利用ＤＯＥ就可以很容易的解决了。，４．４ＤＯＥ的热差特性当环境温度变化时，制成衍射光学元件的基底材料折射率、元件所在介质的河南大学光学工程专业２００４级硕士论文折射率、基底的面形和衍射环带尺寸等都将发生变化，由此导致元件的光焦度、 衍射位相系数和衍射效率等也随之发生变化，Ｇｒｅｇｏｒｙ Ｐ和Ｊｏｈｎ 做了仔细研究。ＰＢｏｗｅｎ蚴对其４．４．１折射元件的温度特性当采用薄透镜模型时，单个折射光学元件的光焦度可表示为：矽＝＠一ｎ０）（ｑ―ｃｊ）（４―２３）式中／，／为元件的折射率，‰为环境介质的折射率Ｃ。、ｃ２为折射元件两面的曲率， 光学元件的温度特性用光热膨胀系数来表示：定义为单位温度变化引起的焦距的 相对变化。 经推导可得折射元件的光热膨胀系数为嘲：‘＝乡等叩去寺》得材料热膨胀系数如下：似ｚｔ，其中ｚ为环境温度，ｇ。为透镜材料的热膨胀系数，根据光学材料的热膨胀定义可口：上堕：土堕 ％２百方２万贯４．４．２衍射元件的温度特性（４―２５）‰＝拓磊砑（４－２６）如图４－－３所示，当采用薄透镜模型时衍射光学元件第ｍ个环带的半径ｋ为：河南大学光学工程专业２００４级硕士论文ｑＫ“圭＾≯。。乙７７乏 ―／，－ ∥Ｉ图４―３衍射元件的面型 五为设计的中心波长。 衍射元件的焦距由环带所在位置决定，当ｒ２≤Ｖ／ｍ）２时，焦距长度可表示为：厂＝器册＝１，２，３…?，度的关系可表示为：（４－２７）随着温度的变化（４―２７）式中只有ｋ和‰在不断变化。其中环带半径＿和温，二＝，＿（１＋窿ｇ△Ｄ（４－２８） ，＿，，二分别为温度变化前后第ｍ个环带的半径。环境介质的折射率和温度的关系为：ｎ：＝‰＋面ｄｎｏ△Ｆ（４－２９）ｎｏ，，‘分别为温度变化前后环境介质的折射率所以衍射元件的焦距和温度的关系可以写为；，’＝九１＋２％△ｒ＋口：（△Ｄ２＋瓦１ｄｄｎ丁Ｏ ＡＴ＋２‰１ｄｄｎＦｏ％（△刃２＋三ｎｏ堕ｄＴ ａｓ２（△Ｄ３）】（４－３０）工厂‘分别为温度变化前后衍射元件的焦距。对于大部分材料，△ｒ的二次方和河南大学光学工程专业２００４级硕士论文三次方式（≤１０。‘）可以忽略。经过整理可以得到下面的光热膨胀系数：铲２叩丢鲁（４－３１）根据（４－２４）、（４―３１）式可知折射元件的温度特性由材料的膨胀系数和材料 的折射率温度系数决定，衍射元件的温度特性只由材料的膨胀系数决定和材料的 折射率温度系数无关。由于红外材料的折射率温度系数ｄｎ／ｄｔ非常大，所以折射 元件的光热膨胀系数绝大多数为负值，衍射元件的光热膨胀系数始终为正值（与 大多数折射元件的光熟膨胀系数相反），因此采用衍射元件的折／衍混合光学系统 可以在较宽的温度带宽范围内实现良好的像质，大大降低了红夕｝光学系统的设计难度。４．５小结从以上各节对ＤＯＥ的描述可知：将ＤＯＥ应用于成像光学系统，组成折／衍混合 型系统，可以使光学系统得到简化。相应的ＤＯＥ的特性在于： （１）场曲为零：如果光学系统仅有一个ＤＯＥ构成，则它在保持一定光焦度的同时， 可以获得平像场。 （２）特殊的色散性质：ＤＯＥ的色散与折射元件的色散相比有两个不同的性质：一 是它只和波长有关，与材料的特性无关。二是ＤＯＥ的阿贝数符号和传统折射材料 的阿贝数符号相反，且其绝对值较传统材料小的多，说明ＤＯＥ具有较强的色散。 （３）特殊的热差性质：折射元件的温度特性由材料的膨胀系数和材料的折射率温 度系数决定，衍射元件的温度特性只由材料的膨胀系数决定，与材料的折射率温 度系数无关，其光热膨胀系数与大多数折射元件的光热膨胀系数相反。３６河南大学光学工程专业２００４级硕士论文参考文献【１】Ｒ．Ｅ．Ｆｉｓｈｅｒ，Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｉｍ？ｒａｍｄｓｙｓｔｅｍ，ＳＰｌＥ，１９８５，５３１：８２－１２０ 【２】Ｐ．Ｎ．Ｒｏｂｂ，Ｔｈｒｅｅ ｍｉｒｒｏｒ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ：ｄｅｓｉｇｎａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９７８，１７（１７）：２６７７－２６８５ 【３】Ｍ．Ｏｉｋａｗａ，Ｓ．Ｍｉｓａｗａ，Ｊ．Ｂａｎｎｏｅｔａ１．，Ｓｔａｃｋｅｄ ｐｌａｎａｒ ｏｐｔｉｃｓ：ａｌｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｐｌａｎａｒ ｍｉｅｒｏｌｅｎｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９８２，２１，３４５６－－－３４６０【４】Ｍ．Ｃ．Ｈｕｒｌｅｙ，Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ．Ｌｏｎｄｏｎ，Ｌｏｎｄｏｎ Ｐｒｅｓｓ，１９８２ 【５】Ｐ．Ｐ．Ｃｌａｒｋ，Ｃ．Ｌｏｎｄｏｎｏ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆｋｉｎｏｆｏｒｍｓ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔ ｄｉａｍｏｎｄ ｔｕｒｎｉｎｇ，Ｏｐｔ．Ｎｅｗｓ，１９８９，１５（１２）：３９－－４０【６】ｗ．Ｇｏｌｔｓｏｓ，Ｍ ｈｏｌｚ，Ｂｉｎａｒｙ ｍｉｃｒｏ１９８９，１０５２：１３１－１３８ ｏｐｔｉｃｓ：Ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｂｅａｍｓｔｅｅｒｉｎｇ，ＳＰⅢ，【７】Ｍ．Ｃ．Ｈｕｌｅｙ，Ｂｌａｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｉ衢ａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ１９７５，２２：１～１３ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ，Ｏｐｔ．Ａｃｔａ，【８】Ｍ．Ｒ Ｆｅｌｄｍａｎ，Ｃ．Ｃ．Ｇｕｅｓｔ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ０１１ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９８７，２６（２０）：４３７７－－４３９０【９】ＭＢｒｅｉｄｕｅ，Ｓ．Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ，Ｂｌａｚｅｄ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｇｒａｔｉｎｇｓ，Ｏｐｔ．Ａｃｔａ．，１９７９，２６：１４２７－１４４１【１０】Ｇ Ｊ．Ｓｗａｎｓｏｎ，Ｂｉｎａｒｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌｏｐｔｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ?ｌｅｖｅｌ Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｍａｓｓ：ＭＩＴＭＩＴ，１９８９１１１］Ⅻ．Ｂ．Ｖｅｌｄｋａｍｐ，１．】，Ｍｃｈｕｇｈ，Ｂｉｎａｒｙ９２－－９７ｏｐｔｉｃｓ，ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡｍｃｒｉｃａｕ，１９９２．２６６（５）：【１２】ｈｔｔｐ：／／ｃｏｎｓｕｎｌｇｒ．１ｉｓａ．ｃａｎｏｎ．ｃｏｒｎ，２００４．【１３】崔庆丰，折衍射混合光学系统的研究，博士论文，长春：长春光学精密机械 与物理研究所，１９９４年【１４】ｗ．Ａ．Ｋｌｅｌｎｈａｎｓ，Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ１９７７，１６：１７０１－１７０４． ｃｕｒｖｅｄＺｏｎｅｐｌａｔｅｓ ａｎｄ Ｆｒｅｓｎｅｌ．１ｅｎｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，【１５】Ｗ．Ｃ．Ｓｗｅａｔｔ，Ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＡ，１９７７，６７：８０３～８０８ｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｓ ｌｅｎｓｅｓ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．河南大学光学工程专业２００４级硕士论文【１６】Ｆｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ，ＺＥＭＡＸＯｐｔｉｃａｌＤｅｓｉ印ＰｒｏｇｒａｍＵｓｅｒ’Ｓ Ｇｕｉｄｅ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＵＳＡ：ＺＥＭＡＸ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００４，１６６．－１８９【ｌ ７】Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ，Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｂｒｉｓｔｏｌ：Ｈｉｌｇｅｒ，１９８６ｔｏ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ，１９６８ａｌｌ【１８】Ｊ．Ｗ－Ｇｏｏｄｍａｎ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ 【１９】Ｇ Ｗ．Ｍｏｒｒｉｓ，Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ １９８１，２０（９）：２０１７－２０２３ ［２０】Ｔ．Ｓｔｏｎｅ，Ｎ．Ｇｅｏｒｇｅ，Ｈｙｂｒｉｄ １９８８，２７（１４）：２９６２－２９６９ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，Ａｐｐｌ．ｏｐｔ．，ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ－ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ ａｃｈｒｏｍａｔｓ，Ａｐｐｌ．ｏｐｔ．，【２１】金国藩，严瑛白，邬敏贤，二元光学，北京：国防工业出版社，１９９９ 【２２】Ｐ．ＧＢｅｈｒｍａｎｎ，Ｊ．Ｐ．Ｂｏｗｅｎ，Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９９３，３２（１４）：２４８３～２４８９ 【２３】Ｔ．Ｈ．Ｊａｍｌｅｓｏｎ，Ｔｈｅｒｍａｌ１５６－－１６０ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１９８１，２０（２）：河南大学光学工程专业２００４级硕士论文第五章红外光学系统设计红外光学系统是对光波中的红外波段进行工作的系统，它的作用十分类似于 接收目标回波的雷达天线，就是接收能量辐射，并把它传送给探测器。在第三章中 曾对红外光学系统的基本理论和概念作了介绍。本章先简单介绍红外光学系统的 特点和设计原则，然后对红外光学系统工作波段的选取、光学材料的选择及红外 光学系统的基本设计方法和手段进行论述。５．１红外光学系统的特点ｎ一１红外辐射的特有性能使红外光学系统具有下列与普通光学系统，特别是目视 和照相系统不同的特点。 （１）红外辐射源的辐射波段位于１ Ｉｌ ｍ以上的不可见区。普通光学玻璃对２．５ １１ ｍ以上的光波不透明。而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材 料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，这就大大限制了红外光学系统 中所能采用的光学材料的品种，使象差校正特别是色差校正十分困难。因此 在红外光学系统中多采用非球面及二元面或反射系统以弥补这方面的缺陷。 （２）几乎所有红外系统的接收元件不是人眼或者照相底片，而是各种光电器件。 因此，相应光学系统的性能、质量，应以它和探测器匹配的灵敏度、信噪比 等作为主要评定依据，而不是以光学系统的分辨率为主。这是因为分辨率往 往要受到光电器件本身尺寸的限制，因而相应地对光学系统的要求有所降低。 （３）视场小、孔径大。由于红外探测器的接收面积比较小，所以一般红外光学系 统的视场不太大，轴外象差通常可以少考虑。同时这类系统对象质要求不太 高，而要求有较高的灵敏度，以获得所需要的信噪比，因此，大多数采用大 相对孔径，即小Ｆ数的光学系统。同时为提高光电转换效率，以达到足够高 的探测灵敏度，很多场合下采用制冷型探测器，这就要求光学系统具有尽可 能高的冷光栏效率。 （４）常用红外波段的波长比可见光波长长的多。这样在系统光孔尺寸比较小时，３９河南大学光学工程专业２００４级硕士论文由于衍射极限，使红外光学系统的分辨率较低，也就是说要得到高分辨率的 红外光学系统必须有大的孔径。这使得红外系统的重量重、成本高。 （５）红外光学系统最重要的特点是系统工作温度对系统性能影响严重，温度变 化会引起光学材料折射率、光学元件厚度和表面曲率半径等光学系统参数的 变化，其中红外光学材料折射率的温度变化系数比可见光玻璃大２个数量级 左右，普遍造成系统质量严重下降，必须采取适当的补偿措施降低温度变化 对系统性能的影响。５．２红外光学系统的设计原则鉴于上述特点，设计红外光学系统时，应遵循下列原则嘲： （１）光学系统应对所工作的波段有良好的光学性能，即具有高的光学透过率或反’＾射率。 （２）光学系统在尺寸、象质和加工工艺许可的范围内，应使接收口径尽可能大， Ｆ数尽可能小，以保证系统有高的灵敏度。 （３）光学系统应对噪声有较强的抑制能力，以提高信噪比。 （４）光学系统的形式和组成应有利于充分发挥探测器的效能，如合理利用光敏面 面积，保证高的光斑均匀性等。 （５）光学系统和组成元件力求简单，以利于减少能量的损失，降低制造成本。５．３系统工作波段的选取目标的辐射波谱范围常常较宽。究竟怎样选择合适的工作波段才能最有效地 对目标进行探测呢？通常在设计中选择工作波段时应从目标及背景的辐射波谱特 性、传播路径、可供选用的探测器的波谱特性、可供选用的光学系统（ｆｌ括滤光 片）光谱透过特性四个方面综合考虑。其中起主要作用的是目标及背景的辐射波 谱特性。 一切温度离于绝对零度的物体都有其自身的红外辐射特性，这就为目标和景河南大学光学工程专业２００４级硕士论文物的探测、识别奠定了客观基础，在对流层以下，大气给人们留出了几个透明通 道，即所谓“大气窗口”。在红外波段，三个常用窗口是１也．７ ｔｔｍ、３－５ Ｉｔｍ、８～１２１．ｔ ｍ。在窗口之内，红外辐射也有相当程度的衰减，但总算还能被有效的传输：在 窗口之外，大气基本上是不透明的。因此被动式的野外使用的红外系统常常在这 三个大气窗内工作棚。维恩位移定律指出嘲：绝对黑体对应的最大光谱辐射发射量ｊ‰的波长以与绝对温度ｒ成反比，即丸＝詈式中，九的单位是Ｉｌ ｍ；ｒ的单位是Ｋ；口＝２８９７．９５ｌＩ（５一１）ｍ?Ｋ是一个常数。本课题设计的红外光学系统探测的目标为巡航导弹、飞机等。对巡航导弹来 说，由于采用了涡扇发动机，导弹尾焰温度大大降低，仅有几十摄氏度（而常规 导弹采用固体发动机尾烟温度高达２０００摄氏度以上）；对飞机来说我们比较关心 的是迎头探测，这时其在大气中高速飞行与空气摩擦使蒙皮发热而产生的红外辐 射为探测的主要对象，在正常情况下，蒙皮的温度为五六十摄氏度。因此根据维 恩位移定律可知选择第三个大气窗口比较合适，况且在第三个大气窗口国内已经 有比较成熟的探测器件（８３５８所生产的ＭＣＴ－ＰＣ－６０探测器，响应波长８～１２Ｉｌｍ），这就为方案的顺利进行提供了可靠的保障，因此工作波段选择为８～１２ ｌｌ ｍ。５．４系统光学材料的选择透射式红外光学系统中主要光学元件都是由一系列红外光学材料加工制成。 根据使用场合的不同对光学材料的物理和化学性能要求也不相同，合理的选取光 学材料对光学系统的设计有重要意义。５．４．１红外光学材料应具备的性能在选择红外光学材料时应考虑的主要性能有：（１）光谱透过率及其随温度的变 化。（２）折射率和色散及其随温度的变化。（３）机械强度和硬度。（４）抗腐蚀、。４１河南大学光学工程专业２００４级硕士论文防潮解能力等，其中最重要的是第（１）、（２）条。 红外光学材料最重要的性质之一就是它的光谱透过率。任何光学材料都只 有在某一个或几个波段内有较高的透过性能。所选择的光学材料首先要在所使用 的光谱区域内具有良好的透过性，同时折射率和色散是红外光学材料的另一重要 特性。不同的用途，对折射率有不同的要求。例如，用于制造窗口和整流罩的红 外光学材料，为了减少反射损失，要求折射率尽可能低一些；用于制造高放大率、 大视场角光学系统中的棱镜、透镜及其它光学部件的材料则要求折射率高一些， 例如浸没透镜的光学增益与折射率成正比。有时为了消色差或其它象差，需要使 用不同折射率和色散的材料做成复合透镜，尽可能校正光学系统中的像差。同时 光学材料的机械强度和硬度、抗腐蚀、防潮解能力等化学稳定性对其实际使用也 有重要的意义，在光学系统的实际设计中必须同时兼顾。５．４，２红外光学材料的应用目前能透过各红外波段的光学材料有近百种，但在实际设计中经常被采 用的只有十几种。碱卤化合物如氯化钠、氟化钠等，虽然有较好的红外光学性能， 但它们大多数都极易溶于水，在空气中易潮解，而且硬度较低，机械强度差。绝 大多数氧化物单晶（蓝宝石、石英、红宝石等）的透射波长都不超过６微米。半 导体族材料ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ和ＣｄＳｅ等具有毒性，而且柔软。红外光学玻璃的透射长 波限都较低，而且硫属化合物玻璃组分元素大多带有毒性和易爆性，制备困难。 因此它们都不能使用。塑性材料透过率相对较低． 半导体材料与硫化物的特性较好，得到广泛的使用。在这些材料之中，锗是８￣１２ｐｍ光谱带最常用的红外材料。尽管锗也可用于３－５ｕｍ谱带，但它的价格比硅贵褥多，而硅最适用于弘５ｐ ｍ谱带。这两种材料都具有高折射率和低色散，因 此采用它们的设计具有相对小的象差，甚至许多设计都无需消象差。锗在高温下 的吸收性限制了它在高温环境中的应用。 硫化锌和硒化锌均是通用材料，可以通过化学汽相沉积和热压方法制得。硫 化锌的有些特性会影响它的使用，即它具有高的色散和在传输超过１ｌ微米的光时４２河南大学光学工程专业２００４级硕士论文具有高的吸收率，所以在主要的光学系统中不使用硫化锌。但是硫化锌在机械强 度、表面硬度、热稳定性、化学稳定性等方面具有非常好的性能，常用做保护窗 Ｉ＝Ｉ，硒化锌比硫化锌要贵得多，它特别适用于要求吸收率很低的光学系统。５．４．３红外光学材料的热特性表５－１ ２０１３～４０１３下常用红外光学材料的热特性和光学特性嗍 折射率（１０ＩＩ ｍ）４．００３２ ３．４１７９ ２．４０６５材料锗 硅 硒化锌（ＣＶＤ）折射率（４ｐｍ）４．０２４３ ３．４２５５ ２．４３３１ｄｎ／ｄｔ热膨胀系数Ｘｇ（×１０１）６．１ ４．２ ７．７Ｘｆ（Ｘ１０。６）Ｘｆ（ｘ１０。６）（×１０’３９６ １５０ ６０“１１ ｍ）―１２５．１４ ―５８．０２ －３４．８１（１０ｕⅢ）－１２６．０６ ―５８．２２ －３５．６１硫化锌（ＣＶＤ） Ｇｅ３０ＡｓｌｏＳｅ∞２．２５１８ ２．４４７４２．１９８６ ２．４３０１４９ ７２６．９ １３．８－３２．９７ －３６．５８－３４．９７ ―３７．１９从表５－１中可以看出红外材料的折射率温变系数都很大，其中长波红外光 学系统的主要材料锗的折射率温变系数为３９６ ｘ １０１／１３，比常用的可见光材料Ｋ９ 的折射率温变系数２Ｘ１０―１３高两个数量级，而实际应用的红外光学系统工作温度 范围一般要求较宽，野外工作时大多为－２０１３～６０＂Ｃ，这时要保证红外光学系统的 正常工作，温度对整个光学系统性能的影响不容忽视。研究如何消除温度对红外 光学系统的影响具有非常重要的意义。５．５无热化技术现代恶劣的战争环境通常要求光学系统在一个很宽的温度范围内有稳定的光 学性能，与普通的透可见光的光学材料相比，在红外波段能够选用的光学材料种 类很少，大概只有三、四种，并且这些材料的折射率温度变化系数都非常大，再 加上温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔及结构件材料的热胀冷缩，将引起河南大学光学工程专业２００４级硕士论文系统焦距变化、像面离焦、成像质量恶化等，导致系统性能的急剧下降。因此在 设计红外光学系统时应充分重视环境温度对光学系统性能的影响，即进行无热化 设计ｍ。光学系统的无热化设计是通过一定的光学、机械、电子等的补偿方法，使 光学系统在一个较大的温度范围内保持像质不变或变化很小，以满足使用要求。 光学系统的无热化技术可分三类ｍ，： （１）机械被动式无热设计：这种技术的核心是通过使一个或一组透镜产生轴 向位移，从而补偿由于温度变化所引起的焦移。这种轴向位移可以通过使用对温 度敏感的材料，通过其热胀冷缩来获得，也可以利用有形状记忆特性的合金来获得。（２）机械（电子）主动式无热技术。这种技术实质上同上一种一样，也是通 过使一个或一组透镜产生轴向位移以达到补偿效果，但是实现的方法不同。首先 利用传感器探测出温度，传感器将信息传给处理器，处理器利用存贮在存贮器里 的温度一位移对照表查出对应的位移，或利用关于温度的位移多项式计算出对应 的位移，接着驱动电机，带动透镜产生轴向位移。 ，（３）光学被动式无热设计。这种技术利用光学材料热特性之间的差异，通过 不同特性材料之闻的合理组合来消除温度的影响，从而获得无热效果。 无论是机械被动补偿法还是机电主动补偿法都只能补偿像面位移，无法保证 焦距。而且，不可避免地使系统复杂化，体积变大，重量增加，可靠性降低。光 学被动式无热技术则具有不增加重量、不需供电、可靠性好等特点，成为红外光 学系统无热化设计的主要途径，并发展了多种分析和设计方法睁１”。近年来，由于 衍射光学元件在理论和工艺方面取得的进展，采用衍射元件（或二元光学元件） 构成的混合系统，由于衍射元件独特的温度特性，在合理分配光焦度的情形下， 可以用更为简单的结构实现整个系统像面温度的自动补偿“”…。５．Ｇ红外光学系统的设计方法及手段光学设计在近４０多年来，经历了一个由人工设计（人工计算像差、人工修改ｊ可南大学光学工程专业２００４级硕士论文结构参数进行设计）到光学自动设计（使用计算机和光学自动设计程序进行设计） 的飞跃。在人工设计时期，设计一个光学系统需要相当长的时间，在校正像差过 程中，很大程度上要依靠设计人员的经验和像差理论知识。电子计算机出现以后， 很快被用来替代人工计算像差，并进一步发展成为像差自动校正，使光学设计者 从繁重的计算工作中得以解脱，但计算机的重要之处在于它是设计的优化工具而 不是设计工具，目前的光学设计软件都具有强大的设计优化功能，而且都可以直 接用于红外系统的设计。计算机优化的主要目的是减小评价函数的值，最终得到 的值是否为局部极值，这在很大程度上依赖于设计者初始结构的选择，只要原始 系统选择合理，像差自动校正程序能很快得出要求的设计结果。 光学系统设计过程可用图５－１简洁描述，首先要选择合适的初始结构，它为 成功的光学设计提供基础，初始结构的选择可以有两种方法，一种是从国内外的 光学设计手册、专利、镜头数据库中选取，如果手中没有以上资源或其中没有合 适的结构可供选择，则需要进行计算，算出满足光焦度、视场等光学特性要求的 雏形作为初始结构，然后对初始结构进行光路计算与优化计算，接着进行像质评 价，如此多次循环迭代，直到光学系统的像质满足要求为止，如果经过多次循环 迭代后所得系统像质仍不满足要求，就需要调整初始结构，进入下一轮循环。 现有的光学设计软件如Ｃｏｄｅ Ｖ和ｚｅｍａｘ等，不但能够快速而有效地设计出常 温下的各种光学系统，而且相继增加了环境温度分析模块，帮助设计者进行温度 变化时光学系统性能的优化和修正ｎ５’１”．Ｃｏｄｅ Ｖ还提供了一个常用材料的线性热 膨胀系数数据库，大大减轻了设计者的设计负担“。．随着光学辅助设计软件的进 一步完善，无热化设计将被包含进去。届时设计人员只需给出环境温度的变化范 围，并选择相应材料，软件就能给出光学系统的像质变化参数。更进～步的发展， 将建立完善的光学材料热特性参数库，使软件能自动对光学系统进行无热优化．籁闺￥拳状鸯Ⅵ铽窄书鼹薅菩ｏｎ爿咿雕Ｈ扑米特Ｋ怔霹砸靶醛捌皋魁扑泉１【占团河南大学光学工程专业２００４级硕士论文参考文献［１】赵秀丽，红外光学系统设计，北京：机械工业出版社，１９８６ 【２】孟军和，弹用光学系统的研究进展，２００５年全国光学技术及其应用研讨会论文 集，２００５：ｉ０～１５ 【３】赵秀丽，红外光学系统设计，北京：机械工业出版社，１９８６ ［４】王永仲，现代军用光学技术，北京：科学出版社，２００３ ［５】张敬贤，李玉丹，金伟其，激光与红外成像技术，北京：北京理工大学出版社，１９９５【６】６ Ｒ．Ｅ．Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＳＰⅢ，１９８５，５３１：８２【７】Ｖ Ｐｏｖｅｙ，Ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ，ＳＰＩＥ，１９８６，６５５：１４２【８】８ Ｍ．Ｒｏｂｅｒｔｓ，Ａｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃｓ：ａ ｒｅｖｉｅｗ，ＳＰＩＥ，１９８９，１０４９：７２～８ １ 【９】Ｙ Ｋａｎａｇａｗａ）Ｍｕｌｔｆｌｅｎｓ３３（３４）：８００９～８０１３ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈａｌｌａｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒｔ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９９４，【ｌＯ】＆Ｃ．Ｇｉｂｂｏｎｓ，Ｃｏｍｐａｃｔ ｈｉ曲ｃｏｌｄ ｓｈｉｅｌｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ４４３１９１７，１９８４―０２－１４ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ，【１ｌ】胡玉禧，周绍祥，杨建蜂，相里斌，红外系统的光机熟一体化设计，红外技术，２０００，２２（２）；３２～３５【１２】Ｔ．Ｈ．Ｊａｍｌｅｓｏｎ，Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ 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