1 概 述
预警卫星是工作在地球同步轨道上的军事卫星。利用预警卫星上的红外望远镜可探测导弹助推段喷射的火焰及高温物质的红外辐射,是监视导弹发射,提供飞行信息和告警的重要手段。一般在全球同步轨道上布置3~5颗预警卫星,可监视全球导弹发射。
为了增加扫描范围,降低信噪比和提高分辨率,预警卫星要求有一个大视场大口径的红外光学系统,通常采用施密特望远镜结构,在球形反射镜的曲率中心位置放置一块非球面折射式校正镜,可在弯曲的像面上取得较好的像质。但是对于口径为φ900 mm的施密特望远镜系统来说,估计其校正板的口径在φ500 mm以上,如此大口径的红外光学材料在国内是难以解决的,其加工和检测的难度也很大。国内目前的水平是在口径约φ200 mm的范围内可以保证材料的理化性能和光学性能的均匀性。为从根本上解决大视场大口径红外光学系统的材料、制作和轻量化问题,人们开始将目光转向二元光学技术。美国的Perkin-elmer公司在施密特望远镜系统中首先采用了二元光学校正板,来取代施密特校正板并取得了良好的效果[1]。这一研究为在预警卫星大口径光学系统中应用二元光学奠定了基础。
2 二元衍射施密特校正板设计
传统的施密特系统由一块反射镜和一块像差校正板组成,反射镜承担了全部的光焦度,在球心放置施密特校正板校正像差并充当孔径光阑。由于施密特系统本身没有慧差、像散和畸变,因而只需校正球差。一般施密特系统的视场可达20°,相对孔径也能做到1~1/2,很容易实现窄波带的完善成像。但是,施密特系统校正板是高次非球面,加工过程有相当大的难度,很大程度上依赖于人的经验判断,尤其是大孔径红外光学元件更难保证其精度。用衍射光学元件取代折射非球面可望解决上述问题。
标准球面反射镜的球差。假设坐标原点设在球面顶点,则球面反射镜的方程为
式中的第一项是标准抛物面函数,不产生球差,其余项是球面反射镜与抛物面之间的光程差,即为球面反射镜的球差。当在空气中时,光程差为
为了消除球差,必须在系统中引入高次位相面来与(4)式的位相分布相抵消。根据施密特望远镜系统的结构,可由(4)式初步计算出位相函数的一系列系数,作为初值值代入ZMAX-EE光学程序,并以各视场的波像差均方根作为评价函数,对衍射面位相系数进行优化,结果得到近衍射极限的成像质量。
根据上述方法,利用ZEMAX-EE程序对一光学系统进行了优化设计,设计的主要指标为
光学系统直径:φ200 mm
波长: 3~5μm (λ0=4·3μm)
视场角: 10°
相对孔径: 1/2
ZEMAX-EE以位相函数表述衍射表面,并针对第一级衍射对光学系统进行优化设计。首先根据所要求的光学系统性能指标和像差特性建立合适的综合评价函数,然后对各类光学变量有选择地进行优化设计,逐步逼近理想的像质效果。光学设计得到的衍射表面为连续位相结构,还需要经过位相量化处理才能成为可实现的衍射光学元件。系统二元衍射校正板的设计参数为
采用(5)式的二元衍射施密特校正板,系统设计达到了衍射极限,图1为系统的波像差图。
3 组合型大口径二元衍射元件的制作
大口径红外望远镜在空间和军事仪器中有广泛的应用需求,但是大口径红外光学元件的制作始终面临一系列难以解决的问题:第一,红外材料种类少、价格高,而且规格有限;第二,红外光学系统通常需要以非球面来校正像差,而传统的非球面加工工艺很大程度上依赖于人的经验判断,以这样的方法很难保证光学元件及系统的精度;第三,红外光学元件测试过程相对复杂,大口径非球面红外光学元件往往需要建立特殊的测试手段,使研制成本很高;第四,折射型大口径光学元件的体积和重量都比较大,入射光吸收严重,既影响系统的光学性能,也不利于光学系统的小型化和轻量化。利用衍射元件技术优势研制组合大口径红外光学元件,为解决上述问题开辟了新的技术途径。组合型衍射元件是以多个衍射单元拼接合成为大口径元件,为解决大口径红外光学材料短缺的问题和大口径光学元件的加工检测困难有重要意义。针对星载红外光学系统的应用需求,提出了采用组合拼接技术研究大口径折衍混合红外光学系统的方法。
红外折衍混合施密特望远物镜系统设计波长为4·3μm,相对孔径为1/2,视场角为±5°,其中的衍射光学校正板口径为φ120 mm。系统波像差优于λ/20,达到衍射极限的成像质量。
由于施密特望远镜系统的像面在系统的内部,像面接受系统必然会引起中央挡光。对于衍射光学校正板而言,有效工作区仅为边缘的5个周期。因此将掩模设计成图2所示的扇形,其结构尺寸正好满足现有2英寸硅工艺线的制作要求。衍射光学校正板分为8个扇形单元,以光刻和反应离子束刻蚀工艺制作硅基衍射光学元件。硅折射率n=2·43,对于λ=4·3μm的设计波长来说,16级位相的四次刻蚀深度分别为2·15,1·075,0·583,0·269μm。经台阶仪测试,每块衍射单元表面位相深度误差为10%,套刻精度可达0·5μm。在每块单元图形的边缘同时制作了拼接标记,采用双线夹单线的对准方式,理论上可使径向拼接精度优于1μm。衍射表面刻蚀完成后划片成形,并筛选出可用于组合拼接的衍射单元。
衍射单元的拼接装置为悬臂式圆形支架,中心和边缘用压圈固定,各单元侧面拼接处由3 mm宽的悬臂支撑。中心压圈直径小于光学系统像面尺寸,尽量减少拼接机构本身引起的遮光损失,同时充分利用像面接受器的遮光区。
衍射光学元件是薄平板结构,可以比较方便地在显微镜下精密拼接形成组合元件。组合型衍射光学校正板安装在施密特系统内,如图3所示。
4 拼接组合型二元衍射元件对系统成像性能的影响
衍射元件的制作误差对光学系统的成像质量和能量利用率有不良影响。在组合型衍射光学校正板制作过程中会产生表面微结构的刻蚀误差和衍射单元的拼接误差,前者包括刻蚀深度误差和线宽误差,后者包括衍射单元之间的径向误差和沿圆周方向的角度误差。各种误差对系统光学性能的影响有所不同。刻蚀深度误差是指由于刻蚀时间控制不精确而引起的位相深度偏离理论值。深度误差会引起衍射效率降低。在刻蚀均匀性好的前提下,由于深度误差并不改变衍射元件的位相分布,因而不影响衍射元件的波前校正功能,只是由于衍射效率的降低增加了杂光,使系统的信噪比有所下降。线宽误差是由掩模图形的整体倍率误差、微结构条纹宽度误差和光刻显影误差、对准误差等诸多因素产生的。研究结果表明,线宽误差对元件衍射效率的影响是严重的。线宽误差使离散的位相结构不能再现理论设计的位相分布,因而对光学系统的成像质量有直接的影响。采用数值计算方法拟合出有线宽误差情况下的位相分布曲线,在通过光学设计程序计算出这类误差对光学传递函数的影响。
由于衍射光学校正板为圆对称结构,各扇形衍射单元具有相同的位相分布,因此扇形角度的偏差不会影响像差校正的效果。但是,拼接过程中衍射单元的径向错位会使位相分布发生位移,从而引起光学系统传递函数的衰减。这一过程也可通过模拟计算得出定量关系。
根据衍射元件位相结构的测试结果,可以估算出衍射光学校正板的衍射效率。笔者仅讨论均匀深度误差和均匀线宽误差的情形。16阶位相结构的理论衍射效率为
横向误差ν=1·01时,衍射效率为
衍射光学校正板是无光焦度光学元件,通过第一级衍射产生高次位相分布对像差进行校正。由于各级衍射不形成焦点,目前人们还没有寻找到有效的方法将各级衍射分离并检测实际衍射效率。通常是将衍射校正板放置在相应的光学系统中进行检测,所得到的衍射效率表征整个光学系统的能量利用率,而不单纯是衍射光学校正板的衍射效率。
5 结 论
衍射光学元件在红外光学成像系统中有显著的优势,以衍射光学校正板取代折射非球面用于施密特望远镜系统,对于提高系统精度,简化元件加工的检测手段非常有益。
采用独创的组合型大口径衍射光学元件,可以解决大口径红外材料短缺及现有工艺条件对衍射元件尺寸限制的问题。
参考文献:
[1] T J Mchugh, D A Zweig·Recent advances in binary optics[J]·SPIE,1989,1052:85—90·
作者简介:沈蓓军(1964-),男,江苏省南京市人,中国科学院上海技术物理研究所高级工程师,主要从事颜色光学、空间光学仪器、光学微细加工及检测方面的研究。
