CN110488394B - 一种长波红外复合光学系统 - Google Patents
一种长波红外复合光学系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110488394B CN110488394B CN201910792371.0A CN201910792371A CN110488394B CN 110488394 B CN110488394 B CN 110488394B CN 201910792371 A CN201910792371 A CN 201910792371A CN 110488394 B CN110488394 B CN 110488394B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- super
- infrared
- light
- optical system
- long
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 81
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 9
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical group [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L barium fluoride Chemical group [F-].[F-].[Ba+2] OYLGJCQECKOTOL-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 229910001632 barium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 7
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 4
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 12
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 2
- 238000012897 Levenberg–Marquardt algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
- G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
Abstract
本发明公开一种长波红外复合光学系统，包括：双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，入射光的波长在长波红外波段；透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧透镜组用于对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。本发明精简了光学系统的结构，优化了加工工艺。
Description
技术领域
本发明涉及红外成像光学与微纳光子学领域，更具体地，涉及一种长波红外复合光学系统。
背景技术
红外成像技术是成像光学领域的重要组成部分，广泛应用于安防、监控、医疗、工业、农业、测绘遥感、航空航天、探测制导等关系到国计民生的领域。随着科学技术的进步，目前，新一代红外光学成像系统的发展趋势可概括为如下两个方面：
第一，高性能与高质量的成像效果，如超高分辨率成像与近衍射极限成像。实现这些要求就需要对高级像差和轴外像差实现较好的校正，目前常用的方案就是复杂面型的设计以及多片透镜的相互配合。发明专利CN107144946A通过在系统中进行衍射结构与非球面结构的叠加，实现较高质量的成像；而发明专利CN109343201A则是通过对六片透镜进行搭配，并配合非球面与增透膜结构实现较好的成像性能。这使得红外成像光学系统的结构趋于笨重、复杂。
第二，红外成像系统与小像元、大阵列红外焦平面探测器的一体化。随着红外焦平面探测器向小像元、大阵列、高灵敏度的探测器技术发展，对红外成像光学系统的设计、加工等方面提出了新的需求，同时，红外成像光学系统与红外焦平面探测器融为一体也成为现今红外成像技术的发展趋势之一。发明专利CN109324392A提供了一种中短波宽波段红外光学系统，系统中未使用非球面与衍射面结构，系统结构简单，并给出了成像系统与红外焦平面探测器的一体化方案，但是该发明所面向的红外焦平面探测器像元尺寸为15μm，分辨率仅有640×512，且调制传递函数与衍射极限仍存在差距，不符合当今近衍射极限的高分辨成像要求。
与此同时，光学超表面作为光学领域中一个新颖的研究方向，受到越来越多的关注。光学超表面属于光学超材料的一种，是由许多微结构单元按照特定功能需要排列而形成的一种超薄二维平面结构。从原理上讲，它可以根据需求任意改变光波的相位、振幅和偏振，从而实现对光场的波前调控。并且相比传统光学透镜，光学超表面结构轻便、成本低廉、更加适应平面加工工艺，能够有效代替传统成像光学系统的衍射结构和非球面结构。发明专利CN109031477A针对可见光波段提供了一种超表面级联的广角平面镜头制作方法，能够实现高分辨率广角成像，但是该专利仅限于对级联超表面结构的器件级说明，并未给出与光学系统和探测器融合的面向系统级应用的一体化方案，且单一光学元件会负担很大的光焦度，使得元件公差十分严格，不利于实际加工；另外，由于光学超表面仍主要处于科学研究阶段，加工工艺不完全成熟，尚不适合作为单独光学元件使用。
综合上述内容，并结合当前技术发展现状，新一代红外光学成像系统仍存在以下问题：
1)复杂面型可以用于高级像差及轴外像差的校正，但是目前复杂面型的加工主要基于光学塑料的注塑成型，而光学塑料具有很高的热膨胀系数，不适用于会引起热效应的红外成像领域；
2)利用大量透镜的相互组合可以较好地提升系统成像质量，但是这与红外光学成像系统小型化、轻量化的发展趋势背道而驰；
3)由于超表面元件在校正高级像差与轴外像差方面具有突出的优势，因此使用单一超表面元件实现高质量成像成为当前的研究方向之一，但超表面元件仍处于科学研究阶段，产业化进程中仍面临加工工艺不尽成熟的问题，而且使用单一的超表面元件成像会使其负担较大的光焦度，使零件公差十分严格，进一步加剧了工艺生产难度，因此需要搭配一定数量的传统透镜以弥补超表面元件的工艺限制，构成复合光学系统；
4)对于复合光学系统，现有超表面多为单面微结构阵列排布，设计时优化参数数量较少，限制了优化求解空间和像差校正性能，有时难以满足较高的复合光学系统设计要求；而且超表面设计优化主要采用时域有限差分法(FDTD)，与传统光学设计中常用的光线追迹法和阻尼最小二乘法互不兼容，不利于复合光学系统的整体设计。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统光学系统结构复杂、超表面元件生产工艺不成熟以及超表面元件与传统光学元件设计优化算法不兼容的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种长波红外复合光学系统，包括：双级联超表面元件、透镜组以及红外焦平面探测器；
所述双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；所述第一超表面和第二超表面均由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级；所述双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，所述入射光的波长在长波红外波段；
所述透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧，包括沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜；所述透镜组用于对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；
所述红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。
可选地，所述第一超表面六方晶格周期阵列的相位分布
和第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布
分别满足如下表达式：
其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2均为多项式系数；进一步利用光线追迹法对所述归一化半径R和相位分布多项式系数A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2进行优化，使双级联超表面元件实现对入射光线的波前调控并能够校正入射光的高级像差，进而确定第一超表面与第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式。
可选地，根据所述六方晶格周期阵列的相位分布与柱状结构单元半径的关系，确定六方晶格周期阵列每个位置处柱状结构单元的半径。
可选地，所述柱状结构单元的材料为锗，所述介质衬底层的材料为氟化钡。
可选地，利用光线追迹法对所述介质衬底层的厚度进行优化。
可选地，双级联超表面元件的光焦度Φ1与透镜组的光焦度Φ2满足条件表达式：Φ1/Φ2>2。
可选地，所述第一正透镜、第二正透镜以及探测器窗口均采用长波红外可以透过的材料，如锗、氟化钡、硫化锌、硒化锌、AMTIR、IG、IRG材料中的一种或任意组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种长波红外复合光学系统，利用传统透镜组消除初级像差，利用双级联超表面结构对入射光波前进行调控，较好地消除系统的高级像差和轴外像差。本发明在系统中引入超表面元件，在满足当今红外成像质量要求的情况下代替了系统中多片传统透镜，大大精简了光学系统的结构，而且超表面元件更适应平面加工工艺；相应地，系统中的传统透镜组又可以弥补当前超表面元件在生产工艺方面的不足。
本发明提供一种长波红外复合光学系统，对超表面元件使用双级联的形式，一方面加倍了优化参数数量，扩大了系统优化求解空间；另一方面对高级像差实现较大程度的校正，便于优化系统的视场特性。本发明提供的双级联超表面微结构阵列的相位分布函数采用了高阶偶次多项式形式，一方面有利于扩大优化求解空间以足够达到目标性能；另一方面便于采用光线追迹法和阻尼最小二乘法进行快速优化，与传统透镜组的快速优化方法相兼容，适合复合光学系统的设计与求解。
本发明提供一种长波红外复合光学系统，利用简单的镜头结构实现了与小像元、大阵列红外焦平面阵列的一体化，达到高分辨红外探测成像，且调制传递函数达到衍射极限，成像质量良好。
附图说明
图1是本发明实施例中一种高分辨小体积的长波红外复合光学系统图；
图2是本发明实施例中长波红外复合光学系统在中心波长为10μm下的光线追迹示意图；
图3是本发明实施例中周期性微纳结构单元示意图；
图4是本发明实施例中周期性微纳结构单元俯视图；
图5是本发明实施例中柱状结构单元在不同半径下得到的相位延迟和透过率示意图；
图6是本发明实施例中双级联超表面元件第一超表面微结构阵列分布图；
图7是本发明实施例中双级联超表面元件第二超表面微结构阵列分布图；
图8是本发明实施例中双级联超表面元件及其波前调控示意图；
图9是本发明实施例模拟的MTF曲线图；
图10是本发明实施例模拟的红外焦平面阵列光敏面处的光斑点列图；
图11是本发明实施例模拟的系统几何像全视场成像效果图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1、双级联超表面元件；101、第一超表面；102、第二超表面；103、介质衬底层；2、传统透镜组；201、第一正透镜；202、第二正透镜；3、红外焦平面探测器；301、探测器窗口；302、红外焦平面阵列；4、柱状结构单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种高分辨小体积的长波红外复合光学系统，目的在于，利用双级联超表面元件对入射红外辐射的波前进行调控，实现对系统高级像差和轴外像差的校正，利用传统透镜组实现对系统初级像差的校正，最终使用小像元、大阵列的红外焦平面探测器对红外辐射实现接收并成像。
本发明首先通过引入超表面元件，代替了非球面、衍射面等复杂面型以及大量镜片的传统透镜结构，使得成像系统趋于小型化、轻量化，同时通过结合传统透镜组，分配了超表面元件的光焦度，放松了超表面元件的零件公差，并且弥补了超表面元件目前加工工艺不成熟的缺陷；其次，对超表面元件采用了双级联的形式，使其优化参数数量加倍，扩大了优化求解空间以足够达到设计目标，并加强了对高级像差和轴外像差的校正作用，有利于优化系统的视场特性；进一步地，超表面微结构阵列的相位分布采用了高阶偶次多项式的形式，进一步扩大优化求解空间，进一步增加了优化参数的数量以足够达到设计目标，并且这种相位分布形式便于利用光线追迹法和阻尼最小二乘法进行快速优化，与传统透镜组的优化算法相互兼容，适合复合光学系统的整体设计；最后，本发明实现了红外成像光学系统与小像元、大阵列的红外焦平面探测器的一体化，达到高分辨红外探测成像，并使光学系统的调制传递函数达到了衍射极限。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高分辨小体积的长波红外复合光学系统。该复合光学系统包括在光轴上沿光路方向依次放置的双级联超表面元件、传统透镜组和红外焦平面探测器，其中双级联超表面元件包含分别设置在前、后表面的第一超表面和第二超表面以及介质衬底层。传统透镜组包含沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜，红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列。
本发明提供的复合光学系统面向以10μm为中心波长的长波红外波段成像，系统的圆视场为19.5°，光圈数为1.125，系统总长小于85mm。
本发明提供的复合光学系统的孔径光阑面设置于所述双级联超表面元件的前表面。
在本发明中，双级联超表面元件的第一超表面与第二超表面均为平面。
在本发明中，双级联超表面元件的第一超表面与第二超表面分别由按照一定相位分布设置的微结构阵列构成，两微结构阵列的相位分布
均满足如下表达式：
其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2均为多项式系数。进一步利用光线追迹法对所述归一化半径R和相位分布多项式系数A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2进行优化。
进一步地，微结构阵列由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级。
进一步地，利用矢量电磁场数值仿真算法优化柱状结构单元的半径、高度、阵列周期等参数，并得到其半径与相位的关系。
进一步地，根据第一超表面与第二超表面的相位分布多项式，对多项式进行周期采样，根据柱状结构单元的半径与相位关系，确定微结构阵列每个位置处柱状结构单元的半径，即确定第一超表面与第二超表面的几何结构。
在本发明中，双级联超表面元件，其第一超表面与第二超表面柱状结构单元的材料均为锗，其介质衬底层的材料为氟化钡。
进一步地，利用光线追迹法对所述介质衬底层的厚度进行优化。
在本发明中，传统透镜组的所有折射面为球面或平面。
进一步地，传统透镜组，其第一正透镜与第二正透镜均采用长波红外透过材料，如锗、氟化钡、硫化锌、硒化锌、AMTIR、IG、IRG等材料中的一种或任意组合。
进一步地，第一正透镜与第二正透镜，其透镜框均作为系统的渐晕光阑，渐晕系数为0.85至0.95，优选地，渐晕系数为0.9。
在本发明中，双级联超表面元件1的光焦度
与所述传统透镜组2的光焦度
满足条件表达式：
在本发明中，红外焦平面探测器，其窗口材料选用长波红外透过材料，如锗、氟化钡、硫化锌、硒化锌、AMTIR、IG、IRG等材料中的一种。
在本发明中，红外焦平面探测器，其红外焦平面阵列的像元间隔为5μm至12μm，像元数量或分辨率为1024×768。
在附图中，为了清楚起见，可夸大元件的形状和尺寸，且相同的标号将始终用于指示相同或相似的元件，这里，为了描述的方便，已经稍微夸大了元件的厚度、尺寸和形状。
结合图1所示，本发明提供一种高分辨小体积的长波红外复合光学系统，包含从物方到像方沿光轴依次排列的双级联超表面结构1、传统透镜组2和红外焦平面探测器3。其中双级联超表面结构1包含第一超表面101、第二超表面102和介质衬底层103，传统透镜组2包含沿光轴依次放置的第一正透镜201和第二正透镜202，红外焦平面探测器3包含沿光轴依次放置的探测器窗口301和红外焦平面阵列302。
本实施例中，该光学系统的圆视场角为2ω＝19.5°，光圈数为FNO＝1.125，系统总长为84mm，工作波段中心波长为10μm。
所述的长波红外复合光学系统的孔径光阑面设置于所述双级联超表面元件1的前表面。
所述双级联超表面元件1的第一超表面101与第二超表面102分别由一系列按照一定相位分布设置的微结构阵列构成，两微结构阵列的相位分布
均满足如下表达式：
进一步利用光线追迹法对所述归一化半径R和相位分布多项式系数A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2进行优化，具体数值参见表一。光学系统光线追迹示意图如图2所示。
所述第一超表面与第二超表面微结构阵列的周期性微纳结构单元的示意图如图3所示。利用矢量电磁场数值仿真算法优化所述柱状结构单元4的半径、高度、阵列周期等参数，并得到其半径与相位的关系。
在本实施例中，所述周期性微纳结构单元的俯视图如图4所示，柱状结构单元4在不同半径下得到的相位延迟和透过率如图5所示，图中阴影区为低透过率区，该区域的柱状结构单元应当舍去，优化所得的柱状结构单元4的高度为7μm，周期性微纳结构单元的周期为6μm。
进一步地，根据所述第一超表面101与第二超表面102的相位分布多项式，对多项式进行周期性采样，根据所述柱状结构单元4的半径与相位的关系，确定所述微结构阵列每个位置处所述柱状结构单元4的半径，即确定第一超表面101与第二超表面102的几何结构。
进一步地，所述柱状结构单元4的材料为锗，所述介质衬底103的材料为氟化钡。
进一步地，结合图2，利用光线追迹法对所述介质衬底层103的厚度进行优化，优化得到的介质层衬底厚度为6mm。
在本实施例中，得到的双级联超表面元件1第一超表面101与第二超表面102微结构阵列分布分别如图6和图7所示，所得双级联超表面元件1及其波前调控示意图如图8所示。
进一步地，所述长波红外复合光学系统的传统透镜组2，其所有折射面采用球面，所述第一正透镜201和第二正透镜202的材料均为红外锗玻璃材料。
结合图2所示，进一步地，利用光线追迹法确定传统透镜组2的详细结构参数，具体数值参见表二。
进一步地，所述第一正透镜201与所述第二正透镜202的透镜框均作为光学系统的渐晕光阑，渐晕系数为0.9。
进一步地，在本实施例中，双级联超表面元件1的光焦度为Φ1＝0.01309，传统透镜组2的光焦度为Φ2＝0.03206。Φ1/Φ2＝2.449。
在本实施例中，所述红外焦平面探测器3的窗口301采用IG2硫系玻璃材料。
进一步地，所述红外焦平面探测器3的红外焦平面阵列302的技术指标如下：
像元间隔：12μm；
像元数或分辨率：1024×768；
中心波长：10μm。
图9是本实施例中系统模拟的MTF曲线图，在红外焦平面探测器的截止频率41lp/mm处，边缘视场的调制传递函数MTF>0.4，并且轴上视场、带视场和边缘视场的MTF曲线均达到衍射极限。
图10是本实施例中系统模拟的红外焦平面阵列光敏面处的点列图，轴上视场(a)、带视场(b)和边缘视场(c)的成像光斑直径均小于红外焦平面阵列的像元间隔。这意味着本实施例全视场下光学成像分辨率高于红外焦平面阵列分辨率，即验证本发明可在全视场实现高分辨率红外成像。
结合图11给出的模拟的几何像全视场成像效果图所示，本实施例中的复合光学系统可以实现清晰的红外成像。
本实施例中复合光学系统的详细结构参数参见表一、表二。
表一：双级联超表面元件第一超表面与第二超表面归一化半径R及多项式系数A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2详细数值。
表二：本实施例中复合光学系统光学结构参数。
本发明提供一种高分辨小体积的长波红外复合光学系统，利用双级联超表面结构对入射光波前进行调控，与后方的传统透镜组共同实现消像差的作用。相比全部使用光学镜片的传统红外镜头，该复合光学系统精简了镜头的镜片数，简化了镜头的折射面结构及生产工艺；并且利用简单的镜头结构实现了与小像元、大阵列红外焦平面探测器的一体化，达到高分辨红外探测成像；调制传递函数达到衍射极限。综上所述，本发明提供的复合光学系统具有结构简单、成本低廉、分辨率高、成像质量良好的特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种长波红外复合光学系统，其特征在于，包括：双级联超表面元件、透镜组以及红外焦平面探测器；
所述双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；所述第一超表面和第二超表面均由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级；所述双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，所述入射光的波长在长波红外波段；
所述透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧，包括沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜；所述透镜组用于对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；
所述红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像；
所述透镜组用于分配所述双级联超表面元件的光焦度；
所述第一超表面六方晶格周期阵列的相位分布φ 1和第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布φ 2分别满足如下表达式：
其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A 1、B 1、C 1、D 1 、A 2、B 2、C 2、D 2均为多项式系数；进一步利用光线追迹法对所述归一化半径R和相位分布多项式系数A 1、B 1、C 1、D 1 、A 2、B 2、C 2、D 2进行优化，使双级联超表面元件实现对入射光线的波前调控并能够校正入射光的高级像差，进而确定第一超表面与第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式。
2.根据权利要求1所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，根据所述六方晶格周期阵列的相位分布与柱状结构单元半径的关系，确定六方晶格周期阵列每个位置处柱状结构单元的半径。
3.根据权利要求2所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，所述柱状结构单元的材料为锗，所述介质衬底层的材料为氟化钡。
4.根据权利要求2所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，利用光线追迹法对所述介质衬底层的厚度进行优化。
5.根据权利要求2所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，双级联超表面元件的光焦度Φ 1与透镜组的光焦度Φ 2满足条件表达式：Φ 1/Φ 2>2。
6.根据权利要求2所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，所述第一正透镜、第二正透镜以及探测器窗口均采用长波红外可以透过的材料，包括锗、氟化钡、硫化锌、硒化锌中的一种或任意组合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910792371.0A CN110488394B (zh) | 2019-08-26 | 2019-08-26 | 一种长波红外复合光学系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910792371.0A CN110488394B (zh) | 2019-08-26 | 2019-08-26 | 一种长波红外复合光学系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110488394A CN110488394A (zh) | 2019-11-22 |
| CN110488394B true CN110488394B (zh) | 2021-01-19 |
Family
ID=68553543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910792371.0A Active CN110488394B (zh) | 2019-08-26 | 2019-08-26 | 一种长波红外复合光学系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110488394B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111258059B (zh) * | 2020-01-21 | 2021-09-03 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法 |
| CN111258058B (zh) * | 2020-01-21 | 2021-09-03 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 柔性遥感卫星光学镜片及其制作方法 |
| CN112099114B (zh) * | 2020-09-29 | 2021-12-21 | 烟台睿创微纳技术股份有限公司 | 一种复合透镜及其制作方法、红外探测器 |
| CN114764156B (zh) * | 2021-01-11 | 2024-04-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种红外全介质正交柱面超透镜 |
| CN114025062B (zh) | 2021-10-25 | 2022-07-05 | 华中科技大学 | 一种大口径红外超透镜相机 |
| CN114265132B (zh) * | 2021-12-24 | 2023-03-14 | 中国科学技术大学 | 一种单片混合式透镜及其制备方法 |
| CN116841004A (zh) * | 2022-03-23 | 2023-10-03 | 华为技术有限公司 | 一种红外成像模组和红外成像方法 |
| CN114624878B (zh) * | 2022-03-24 | 2024-03-22 | 深圳迈塔兰斯科技有限公司 | 光学系统设计的方法及装置 |
| CN117270200B (zh) * | 2023-11-21 | 2024-02-20 | 武汉二元科技有限公司 | 一种折超混合镜头的设计方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100994129B1 (ko) * | 2008-10-27 | 2010-11-15 | 한국전자통신연구원 | 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템 |
| CN103018884B (zh) * | 2012-12-26 | 2015-05-27 | 宁波舜宇红外技术有限公司 | 一种长波红外光学系统 |
| WO2018204856A1 (en) * | 2017-05-04 | 2018-11-08 | President And Fellows Of Harvard College | Meta-lens doublet for aberration correction |
| CN108152241B (zh) * | 2017-12-01 | 2020-01-31 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 长波红外成像光学系统 |
| CN109031660B (zh) * | 2018-09-04 | 2020-12-01 | 武汉大学 | 消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法 |
| CN109031477A (zh) * | 2018-09-20 | 2018-12-18 | 中山大学 | 一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法 |
-
2019
- 2019-08-26 CN CN201910792371.0A patent/CN110488394B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110488394A (zh) | 2019-11-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110488394B (zh) | 一种长波红外复合光学系统 | |
| US9651763B2 (en) | Co-aperture broadband infrared optical system | |
| US10782513B2 (en) | Total internal reflection aperture stop imaging | |
| CN105759410A (zh) | 折反式大口径大视场成像系统 | |
| CN104965299A (zh) | 一种大口径长焦距折返式红外非制冷成像系统 | |
| US20220269046A1 (en) | Miniature imaging lens for close-range imaging | |
| CN104049343A (zh) | 紧凑型双视场中波红外消热差镜头 | |
| CN107991763A (zh) | 一种高清长焦距长波红外镜头 | |
| CN102033316B (zh) | 长波长焦非制冷无热化红外光学系统 | |
| CN105676430A (zh) | 一种星敏感器光学成像系统 | |
| CN109239897A (zh) | 一种离轴三反无焦光学系统 | |
| CN110716297B (zh) | 一种长焦距大靶面红外连续变焦光学系统 | |
| CN104267484B (zh) | 一种小尺寸非制冷双视场红外光学系统 | |
| CN109343201B (zh) | 光学被动消热差的低畸变广角长波非制冷红外光学系统 | |
| CN114019652A (zh) | 一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头 | |
| CN117331195A (zh) | 一种红外成像光学系统、镜头 | |
| CN203965714U (zh) | 一种长焦距长波红外连续变焦镜头 | |
| JP2737272B2 (ja) | 赤外用変倍光学系 | |
| CN112612128B (zh) | 大靶面小f数的中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统 | |
| CN107526154A (zh) | 便携式广角光学无热化长波红外镜头 | |
| CN110865452B (zh) | 一种机载中波制冷红外连续变焦光学系统 | |
| CN114252982A (zh) | 焦距35mm的消热差红外镜头及其装配方法、成像方法 | |
| CN210090812U (zh) | 一种折转式光路长波红外制冷双视场镜头 | |
| CN209028289U (zh) | 一种离轴三反无焦光学系统 | |
| CN111090170A (zh) | 5倍长波双视场两档变焦红外光学系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |