CN104297898A - 大视场双波谐衍射红外光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大视场双波谐衍射红外光学系统，该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一、二、三透镜、孔径光阑、第四、五、六透镜和探测器焦平面，六个透镜的光焦度依次为正负正负正负，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一、四透镜的前表面和第三透镜的后表面为非球面，第五透镜的后表面采用谐衍射面；本发明可对大视场短波、中波范围内的宽光谱同时成像；采用谐衍射设计技术，在红外系统的两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性；系统仅采用六片透镜，全长小于50mm，结构简单，轻巧；在双波段范围内的传递函数均接近衍射极限，成像质量良好。

Description

大视场双波谐衍射红外光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种大视场短/中波谐衍射红外光学系统。

背景技术

红外辐射主要有近红外(0.75-2.5μm)、中红外(3-5μm)和远红外(8-14μm)三个大气窗口，传统的单波段成像技术从单元到线阵及焦平面的发展已相当完善，但在获取信息方面由于局限于单一波段，仍有很大不足。

目前对双波段红外成像主要采用谐衍射透镜技术。由于光学材料的约束以及成像器件的技术限制，使得目前红外双波段成像主要集中在中长波。而由于短波红外的特殊的光谱特性，其重要性近年来越来越突出，为此本发明针对中短波红外的光谱特点，通过合理选择光学构型及材料，成功设计出大视场中短波双波段光学系统，成像质量良好。

谐衍射透镜也称为多级衍射透镜，其特点是相邻环带间的光程差是设计波长λ₀的整数p（p≥2）倍，在空气中透镜最大厚度为pλ0/(n-1)，是普通衍射透镜的p倍。谐衍射透镜各衍射级次的衍射效率可表示为：

${\mathrm{\η}}_m=\sin c^2(\frac{{\mathrm{p\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}-m)---\left(3\right)$

其中m=p，p±1，p±2，…所得的一系列分离波长称为谐波长，sinc是辛格函数的表达式。

p越大，波段内可以利用的谐波长就越多，所覆盖的波段也越宽。但是，随着p的增大，材料色散的影响也越大，因此p的取值实际上就是折射透镜色散和衍射透镜色散的平衡问题。我们取p=2，全波段范围内衍射效率能达到80%。

发明内容

本发明的目的是提供一种大视场双波谐衍射红外光学系统。

为实现上述目的，本发明大视场双波谐衍射红外光学系统技术方案如下：

该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器焦平面，所述六个透镜的光焦度依次为正、负、正、负、正、负，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面为非球面，第五透镜的后表面采用谐衍射面，其它透镜表面均为球面。

各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k为光学系统透镜面数。

所述第一透镜的材料为硒化锌，第二透镜的材料为硫化锌，第三透镜的材料为氟化钙，第四透镜的材料为氟化钙，第五透镜的材料为硒化锌，第六透镜的材料为硫化锌。

所述第一透镜与第二透镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔1.7mm、第三透镜与光阑间隔2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四透镜与第五透镜间隔1.4mm、第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六透镜与像面间隔7.2mm。

所述谐衍射透镜的中心波长λ₀=4.2μm，相位匹配因子P=2，取m=2,m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长。

红外光学系统工作波段为：短波1.5～2.7μm、中波3.7～4.8μm为工作波段。

本发明的大视场双波谐衍射红外光学系统可对大视场短波、中波范围内的宽光谱同时成像；采用谐衍射设计技术，恰当选择参数“p”和所设计的系统的中心波长λ₀，巧妙地将谐衍射透镜成功地引入红外双波段系统中，在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性；系统仅采用六片透镜，全长小于50mm，结构简单，轻巧；光学系统在双波段范围内的传递函数均接近衍射极限，成像质量良好。

附图说明

图1是大视场短/中波谐衍射红外光学系统图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，大视场双波谐衍射红外光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器焦平面，第一透镜为负光焦度双凹透镜采用硒化锌材料，第二透镜为正光焦度双凸透镜采用硫化锌材料，第三透镜为负光焦度透镜采用氟化钙材料，第四透镜为正光焦度透镜采用氟化钙材料，第五透镜为负光焦度透镜采用硒化锌材料，第六透镜为正光焦度透镜采用硫化锌材料，六个透镜形成光焦度-、+、-、+、-、+构型，镜筒材料为铝材料。第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面采用非球面，第五透镜后表面采用谐衍射面，其它透镜表面都为球面。

各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度（与前一面透镜的入射高度、透镜曲率半径和透镜间隔有关），为系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数。

通过采用非球面配合谐衍射面相结合的设计，有效抑制色散及其它像差。通过谐衍射透镜时所产生的最大相位差是4π(p=2)，中心波长为λ0=4.2μm，取m=2，m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长，取1.5～2.7μm和3.7～4.8μm为工作波段，覆盖的频谱区衍射效率达80%，全视场内传递函数短波高达0.83，中波大于0.66，均接近衍射极限。

根据附图1所示，我们设计出一种大视场高分辨率被动消热差短波红外光学系统，系统具体的设计参数如下：

工作波段：1.5～2.7μm及3.7～4.8μm；系统的焦距为23.6mm，F数（焦距与口径的比值）为2，视场37.5°，整个光学系统长度为46.5mm。

光学系统的技术参数为：

如图1所示为本发明的结构示意图，第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面采用非球面，第五透镜后表面采用谐衍射面，畸变绝对值小于0.7%，整个系统的传函在22lp/mm时大于0.66。

经过CODEV软件优化，得出系统的距离参数：第一透镜与第二透镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔1.7mm、第三透镜与光阑间隔2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四透镜与第五透镜间隔1.4mm、第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六透镜与像面间隔7.2mm。此间距为系统优化的最佳距离。

光学参数表（单位：mm）

上表中第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面所采用的非球面面型方程为：

$z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+{[1-(1+K){(r/R)}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}---\left(8\right)$

其中z(r)为非球面的面型函数；r为垂直光轴方向的径向坐标；K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。

第五透镜后表面所采用的衍射面位相方程为：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·(C_1\·r^2+C_2\·r^4)---\left(9\right)$

其中Φ(r)为衍射面位相函数；λ为衍射中心波长，取4.2μm；C₁、C₂分别为衍射系数。

如图1所示，外界景物辐射依次按本大视场双波谐衍射红外光学系统所设置的透镜系统经过，光通过谐衍射透镜时所产生的最大相位差是4π(p=2)，中心波长为λ0=4.2μm，取m=2,m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长，取1.5～2.7μm和3.7～4.8μm为工作波段，覆盖的频谱区衍射效率达80%；有效焦距23.6mm，系统总长限制在50mm以内；F数：2；全视场内畸变≤0.7%；两个波段范围内中心视场处传函都接近衍射极限，在22lp/mm时，全视场光学传递函数短波波段均大于0.83，中波波段均大于0.66。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于：该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器焦平面，所述六个透镜的光焦度依次为正、负、正、负、正、负，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面为非球面，第五透镜的后表面采用谐衍射面，其它透镜表面均为球面。

2.根据权利要求1所述的大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于：各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k为光学系统透镜面数。

3.根据权利要求1所述的大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材料为硒化锌，第二透镜的材料为硫化锌，第三透镜的材料为氟化钙，第四透镜的材料为氟化钙，第五透镜的材料为硒化锌，第六透镜的材料为硫化锌。

4.根据权利要求1所述的大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔1.7mm、第三透镜与光阑间隔2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四透镜与第五透镜间隔1.4mm、第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六透镜与像面间隔7.2mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于：所述谐衍射透镜的中心波长λ₀=4.2μm，相位匹配因子P=2，取m=2,m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长。

6.根据权利要求5所述的大视场双波谐衍射红外光学系统，其特征在于，红外光学系统工作波段为：短波1.5～2.7μm、中波3.7～4.8μm为工作波段。