二次成像中波红外折射衍射光学系统设计

摘要：中波红外（3～5 μm）在航天遥感中有着重要的应用。由于背景辐射的影响，中波红外光学系统一般要求达到 100%冷光阑效率。在航天应用中由于系统轻量化的要求，同时要求光学系统的设计尽可能简化。光学技术的发展，使得光学设计可以利用非球面，二元光学衍射面等，获得更多的自由度，对成像光学系统的像差进行有效的校正。利用三个光学元件，设计出波段范围 3～5 μm，口径 200 mm，F/2.5 的二次成像光学系统。系统由主光学卡塞格林系统加中继系统组成。中继系统由一片硫化锌透镜组成，成像质量达到衍射极限。

引言 

在中长波红外遥感光学系统中，由于对背景辐射杂光抑制的要求，需要设计成 100%冷光阑和二次成像光学系统。在主光学采用两镜反射光学系统时，中继系统则需要独立校正色差。利用传统的折射球面来设计中继系统时，往往结构过于复杂[2-4]

。 

1988 年，斯沃森（Swanson）和维尔得卡姆（Ve ldkamp）等人利用衍射光学器件的色散特性校正单透镜的轴上色差和球差，研制了新型的二元光学透镜——多阶相位透镜，展示了二元光学透镜用于成像光学系统的巨大潜力和优势。折衍混合成像系统利用了光在二元光学透镜中传播过程中所具有的折射和衍射两种性质。它增加了光学设计的自由度，能够改善系统像质、减小体积。二元光学透镜做成多阶相位时，衍射效率极高，其色散特性与材料无关，在红外系统中，尤为有利。本文在中继光学系统中利用衍射光学元件，对中继系统的色差进行了有效的消除，大大简化了系统的复杂度。设计出了3～5 μm，口径200 mm，F/#＝2.5 的二次成像光学系统。系统由主光学Cassegrain 系统加中继系统组成。中继系统由一片硫化锌透镜组成，成像质量接近衍射极限。

1.二元光学透镜性质 

在成像光学系统中，二元光学衍射透镜同普通透镜一样会聚入射光线，但它不是根据折射，而是衍射原理。由于衍射作用透镜产生色差的有效焦距同波长成反比[6]

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