CN112859304A - 基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统 - Google Patents

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林鹤
马晓亮
蒲明博
李雄
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    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，包括：平板自由曲面微纳结构透镜、球面反射镜、可见光探测器；将反射光学系统的入瞳镜组采用平板自由曲面微纳结构透镜，实现对光束带宽光谱和入射视场的调制；入射光束通过平板自由曲面微纳结构透镜传输至球面反射镜，经球面反射镜凹球面反射，最终聚焦在可见光探测器像面上。本发明采用基于微纳结构制备工艺的新型自由曲面微纳结构透镜作为反射系统的入瞳光学元件，具有大视场、宽带、高分辨率、轻量化等优势。

Description

基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统
技术领域
本发明提供基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，属于可见光成像和微纳结构器件领域。
背景技术
高分辨率图像是成像探测等领域一直致力研究的方向，目前，成像系统分辨率主要从探测器和系统两方面提高。高分辨率探测器方面，主要采用四种方式：探测器拼接、单镜头扫描拼接、多镜头凝视拼接和多尺度凝视拼接，但四种方法均以牺牲其他成像性能提高分辨率，存在各自的局限性；系统方面，由于光干涉的存在，分辨率的提升关键就是增大系统口径，但小F数大口径光学系统像差校正难度大、视场小、焦深浅、易离焦等限制了其成像探测器件的空间应用。针对于光学系统而言，如何矫正大口径光学像差是成像系统需解决的关键问题。
目前对于大口径、大相对孔径光学系统的像差矫正多引入非球面，一些空间成像、红外导引系统中几乎每一个光学镜片都要添加非球面，对于系统而言，成本无疑极高；另一方面，圆锥系数较大的非球面镜面加工难度很大、面型精度较低、研制周期和集成化较差，从多方面限制了成像系统的性能。因此，基于目前光学元件加工工艺，应用其他光学元件替代或降低复杂非球面元件的使用，同时提高系统成像性能，是一种独辟蹊径的新方向。
发明内容
为解决现有技术的缺陷和提供创新解决方案，本发明的目的在于提供基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，旨在解决上述大口径成像系统存在的视场小、焦深浅、易离焦和像差校正难度大等问题。
本发明技术方案如下：
基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，包括：自由曲面微纳结构透镜、球面反射镜、可见光探测器。所述自由曲面微纳结构透镜、球面反射镜和可见光探测器共用同一光轴，且可见光探测器位于自由曲面微纳结构透镜和球面反射镜光路之间；所述自由曲面微纳结构透镜由平板非球面和微纳结构单元组构成；所述球面反射镜为标准平凹球面反射镜；所述可见光探测器由可见光成像CCD及其他图像采集和传输模块构成，将经由曲面微纳结构透镜和球面反射镜的聚焦光束进行图像处理和传输，实现图像的采集和成像。
需要说明的是经计算验证探测器对光路传输的遮光率小于5％，对系统成像性能几乎无影响。
需要说明的是通过对自由曲面微纳结构透镜的表面亚波长单元结构特征进行优化设计，不会对系统传输能量产生较大损耗。
进一步地，本发明自由曲面微纳结构透镜为平面透镜。
进一步地，本发明自由曲面微纳结构透镜光束入瞳端为偶次非球面结构，光束传输端为平面微纳结构。
进一步地，本发明球面反射镜凹球面为反射面。
本发明提供的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，采用自由曲面微纳结构透镜，实现高分辨率、宽带大视场成像，具有以下有益效果：
1、该系统采用了自由曲面微纳结构透镜，通过偶次非球面平衡系统像差，匹配平面微纳结构对不同视场入射光束进行调制，在不减小系统口径的前提下，增大系统带宽和成像视场范围。
2、该发明中平面微纳结构的引入可对光束进行调制，起到消色差及矫正其他像差的功能，并从减小非球面系数、降低非球面加工难度和将曲面非球面转化为平面非球面等方面，降低系统加工难度，提高系统性能。
3、有效减少光学元件个数，较传统大口径反射光学系统，结构上降低了系统复杂度，性能上提高了工作带宽和入射视场，实现了系统轻量化、集成化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中自由曲面微纳结构透镜结构示意图；
图3为满足实施例中系统需求的自由曲面微纳结构透镜单元结构形式及空间排布方式示意图；
图4为实施例MTF曲线；
图中：1为自由曲面微纳结构透镜，2为球面反射镜，3可见光探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的目的是提供基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，该系具有工作波段宽、视场角范围大、系统口径大、成像分辨率高、系统轻量化和集成化等特点。
本发明提供的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，如图1所示。系统组成包括：自由曲面微纳结构透镜1、球面反射镜2、可见光探测器3；其中，自由曲面微纳结构透镜1捕捉物体成像光束，通过偶次非球面平衡系统像差，匹配平面微纳结构对不同视场入射光束进行调制；经球面反射镜2对光束进行反射，最终聚焦到可见光探测器3像面上。
本发明提供的可见光成像系统的入瞳光学器件采用自由曲面微纳结构透镜，其表面微纳结构排布方式示意图，如图2所示。A面为沿光线传输方向面，B面为入瞳光线入射面。通过设计沿入射方向透镜表面外侧单元结构的属性和空间排布，可对操控任意入射光和反射光相位分布，实现成像需求。
本发明实施例中，所述偶次非球面系数通过如下公式确定：
Figure BDA0002939262240000031
其中，c表示曲面与光轴交点处的曲率，k为偶次非球面的圆锥系数，a2、a4、a6、a8、a10为偶次非球面的2次、4次、6次、8次、10次项系数，r为偶次非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为偶次非球面距离透镜中心水平方向上的距离。
对于自由曲面微纳结构透镜A面上的偶次非球面，a4、a6、a8、a10分别为6.146×10-9、-1.867×10-11、7.366×10-15、-1.085×10-18。
本发明提供的自由曲面微纳结构透镜B面上的微纳结构单元设计原理是基于超表面的光束调制功能，通过表面微纳结构单元结构的旋向和空间排布实现对传输光束的相位调制，实现光束偏折，超表面光束相移φ(x,y)为：
Figure BDA0002939262240000032
其中，m为任意整数；f为焦距；λ为入射平面波波长；(x,y)为二维平面内坐标。
本发明提供的自由曲面微纳结构透镜B面上的微纳结构单元在x,y平面呈二维平面分布，匹配A面非球面的微纳结构单元尺寸由入射波长及系统口径决定，最小单元尺寸在亚微米到微米量级之间。微纳结构排布方式，如图3所示，实施例中利用16个单元结构实现2π相位覆盖，结构周期300nm，高度800nm，正方形柱体结构尺寸从小到大依次为53nm、62nm、74nm、89nm、100nm、109nm、116nm、123nm、130nm、137nm、144nm、153nm、163nm、167nm、173nm、182nm，通过不同波长相位结构参数匹配，实现一定带宽内色散调控。
本发明实施例中，可见光探测器3均采用目前实际应用中较成熟技术，在此不在赘述其结构形式，例如可见光探测器3可采用美国ON Semiconductor公司生产的KAF-32000光电探测器。
本发明实施例中，基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统的性能参数为：可见光工作波长432nm-683nm，峰值波长587nm；凝视视场角范围7°；系统入瞳口径1m；自由曲面微纳结构透镜有效图形区尺寸1m，采用平面透镜，厚度6mm，材料康宁C79-80；球面反射镜口径1.1m，曲面半径3m，材料石英，凹球面镀反射铝膜，镀SiO2保护膜；像质评价以MTF为标准，成像质量评价如图4所示，在150lp/mm时MTF不低于0.7。
本发明实施例中，利用基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统可建立凝视视场7°的大口径宽带可见光成像系统，具有视场大、分辨率高、色差小、系统重量轻和成本低等优点。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或者材料必须具有特定的方位、以特定的方位构造和设计，因此不能理解为对本发明的限制。
尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变，以上均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，其特征在于，包括：自由曲面微纳结构透镜(1)，球面反射镜(2)和可见光探测器(3)；
所述自由曲面微纳结构透镜(1)、球面反射镜(2)和可见光探测器(3)共用同一光轴，且可见光探测器(3)位于自由曲面微纳结构透镜(1)和球面反射镜(2)光路之间；
所述自由曲面微纳结构透镜(1)捕捉成像光束，通过偶次非球面平衡系统像差，匹配平面微纳结构对不同视场入射光束进行调制，经球面反射镜(2)对光束进行反射，最终聚焦到可见光探测器(3)像面上；
所述自由曲面微纳结构透镜(1)由平板非球面和微纳结构单元组构成。
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，其特征在于，所述偶次非球面系数通过如下公式确定：
Figure FDA0002939262230000011
其中，c表示曲面与光轴交点处的曲率，k为偶次非球面的圆锥系数，a2、a4、a6、a8、a10为偶次非球面的2次、4次、6次、8次、10次项系数，r为偶次非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为偶次非球面距离透镜中心水平方向上的距离。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，其特征在于，所述自由曲面微纳结构透镜(1)，所述表面微纳结构可根据系统口径、视场和分辨率等要求匹配不同单元结构特征尺寸和空间排布方式。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，其特征在于，所述自由曲面微纳结构透镜(1)B面上的微纳结构单元在x,y平面呈二维平面分布，匹配A面非球面的微纳结构单元尺寸由入射波长及系统口径决定，最小单元尺寸在亚微米到微米量级之间。
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面微纳结构透镜的宽带大视场成像系统，其特征在于，所述球面反射镜(2)为标准平凹球面反射镜，凹球面为反射面。
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