第34卷，第5期 2014年5月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
轻小型双光谱红外成像探测系统研究与分析
沈满德，姜清秀，任欢欢，季李程武汉纺织大学电子与电气工程学院，湖北武汉430073
Vol. 34 ,No. 5 -pp1434-1438
May,2014
摘要结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点，针对现代最先进的像元尺寸为30m、像元数320×240的红外双色探测器，提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案，利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测，仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8～4.2和8.811.2um双光谱处在一120℃～200℃温度范围内同时探测。系统仅使用锗和硒化锌两种材料，引入了一个非球面和一个谐衍射面，实现了消热差、消色差和结构简单轻量化，设计结果表明，该系统在一120～200℃温度范围内，3.8～4.2和8.8～11.2um光谱处的最大均方根半径值分别为 19.07和17.75um，小于红外探测器的像元尺寸30um，在红外探测器两个像元内，3.8～4.2和8.8～11.2 am光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%，成像质量良好，方案工程实现性好，设计方法和设计结果合理可行。
关键词光谱仪；红外探测；减热差
中图分类号：TH744.1
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593 (2014)05-1434-05
结合谐衍射光学元件的特殊性能，提出了一种轻小型双
光谱超宽温度红外探测成像系统方案，利用折射谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测系统，
自前的红外探测系统很多都只能工作在单一光谱。在实
际复杂的背景环境中，由于自标的伪装，气候温度的变化等因素，单一光谱的探测系统仅能探测设计光谱处的目标，准确获取目标信息的虚警率增大，利用红外红外双光谱代替传统的单光谱探测系统探测目标，可大大提高红外探测系统在复杂环境下的目标识别能力口2]。实际工作时，红外光谱探测系统通常都工作在恶劣环境下，这就要求系统在很宽温度范围内有稳定的光学性能3.，由于在红外光谱谱段内可选用的光学材料种类很少，且红外材料的折射率温度变化系数都非常大，温度发生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，将引起红外探测系统焦距变化、像面离焦和成像质量恶化等，导致系统性能的急剧下降。 Sweeney，Sommargren分别提出了谐衍射透镜的概念，谐衍射透镜可以在一系列分离波长处获得相同光焦度。陈津津等报道广一种用于搜索跟踪的红外探测系统但未考患温度对光学性能的影响。薛慧等报道的用于搜索跟踪的红外探测系统结构复杂，且只能在一4060的温度内正常工作难以在较宽的温度环境中使用，且以上两种系统均为单光谱红外探测成像系统，不能实现双光谱探测。
收稿日期：2013-06-13，修订日期：2013-10-25
引人谐衍射光学元件构成折射/谐衍射混合结构，实现广红外探测成像系统不仅能够进行双光谱探测，而且在双光谱范围内还可实现超宽温度范围成像。基于以上理论，设计广一个可工作于红外双光谱谱段的超宽温红外探测成像系统，设计结果表明，在一120～200℃的超宽温度范围内，3.8～4.2 和8.8～11.2um光谱处在一120～200℃超宽温度范围内最大均方根半径值分别为19.07和17.75um，小于红外探测器的像元尺寸30um，成像质量良好，该系统具有结构简单、体积小、重量轻、双光谱探测、超宽温下稳定工作等优点。
谐衍射光学成像理论谐衍射光学元件的衍射效率
1.11
对于谐衍射元件，环带光程差为p入，其中入为设计波长，P为正整数，总相位深度h为
h= pA /(nm)
(1)
其中，n和"分别为介质和环境的折射率。一般情况下，系统工作在空气环境中，=1，则
h=pAo /(n—1)
基金项目：国家自然科学基金项目(61108033)和潮北省教育厅中青年项目（Q20101605)资助
作者简介：沈满德，1973年生，武汉纺织大学电子与电气工程学院副教授
e-mail : opticaldesign@ 126 .com
(2)