雙層衍射元件在紅外探測(cè)和投影式頭盔顯示中的應(yīng)用.pdf

1、紅外探測(cè)因其重要的軍事用途在其誕生之后就得到了極大的重視，而美國(guó)第一代紅外探測(cè)系統(tǒng)在導(dǎo)彈上的成功應(yīng)用更刺激了世界上其他國(guó)家對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)投入巨大資金進(jìn)行研究，紅外探測(cè)技術(shù)由此走上了快速發(fā)展通道。隨著紅外探測(cè)技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)提出了輕小化和實(shí)現(xiàn)多光譜探測(cè)的要求。衍射元件具有獨(dú)特的色散特性，應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能減輕系統(tǒng)的重量和減小系統(tǒng)的體積。但是普通衍射元件由于衍射效率隨著波長(zhǎng)的變化而變化，只適用在窄光譜成像。雙層衍射元

2、件利用兩種具有不同色散特性的基底材料組合，增加了相位分布函數(shù)中的可變因子，可使得整個(gè)波段內(nèi)各波長(zhǎng)光波的等效相位調(diào)制等于或接近2π，從而提高整個(gè)設(shè)計(jì)波段的衍射效率。
　　 諧衍射元件的不同諧振波長(zhǎng)具有相同的焦距和衍射效率，與折射元件一起構(gòu)成的成像系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)雙波段探測(cè)。
　　 傳統(tǒng)目視頭盔光學(xué)系統(tǒng)為滿足其高分辨率、大視場(chǎng)要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多復(fù)雜，難以輕小化。投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)頭盔光學(xué)系統(tǒng)有根本上的區(qū)別，它基于投影物鏡和逆

3、反射屏，能在保持系統(tǒng)高性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)體積更小和重量更輕。特別是二元衍射光學(xué)元件應(yīng)用到投影式頭盔光學(xué)系統(tǒng)中，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕了重量，縮小了體積。
　　 本文基于以上討論，主要做了以下工作：
　　 1.利用諧衍射元件諧振波長(zhǎng)共焦距的特點(diǎn)，研究了含有諧衍射元件的Petzval型物鏡。該物鏡可工作在3.4-4.2μm和8-11μm，實(shí)現(xiàn)紅外雙波段探測(cè)。結(jié)構(gòu)尺寸為116.7 mm×61.8 mm，重量為130g，達(dá)到了規(guī)

4、定的參數(shù)要求。
　　 2.研究了含有雙層衍射元件的反攝遠(yuǎn)型物鏡和Petzval型物鏡。兩款物鏡在工作波段內(nèi)衍射效率變化小于1％，提高了能量利用率。反攝遠(yuǎn)型物鏡結(jié)構(gòu)尺寸為154.3mm×52.6mm，重量為123g，Petzval型物鏡結(jié)構(gòu)尺寸為125.5 mm×61.8 mm，重量為143g，滿足紅外系統(tǒng)的便攜式要求。其中，反攝遠(yuǎn)型物鏡具有91mm的較大后工作空間，此空間可以用來(lái)安裝溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。
　　 3.研究了含有雙

5、層衍射元件的消熱差光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)的有效焦距為115.0mm，在-40℃-100℃溫度變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)焦距的變化最大值為75.2μm，小于系統(tǒng)的焦深80.0μm，并且其調(diào)制傳遞函數(shù)值在12.51p/mm處，中心視場(chǎng)0.58以上，邊緣視場(chǎng)0.30以上，成像質(zhì)量穩(wěn)定。該系統(tǒng)總的尺寸為165.1mm×88.0mm，各透鏡尺寸均在可加工范圍。
　　 4.研究了含有雙層衍射元件的折/衍混合投影式頭盔用物鏡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸41.1mm×18.1