CN117170063A - 一种可见光波段的折超混合消色差光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统。该系统包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；透镜组的多个球面透镜沿光轴设置于单面超表面透镜的两侧，对入射光的初级像差进行校正并对光线进行聚焦后出射；单面超表面透镜包括：介质衬底层和柱状微结构阵列；柱状微结构单元的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；单面超表面透镜对入射光的高级像差进行校正后出射；单面超表面透镜的光焦度与透镜组的光焦度满足：可见光焦平面探测器沿光轴设置于透镜组的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。实现光学系统的紧凑化与轻型化，可见光波段入射光色差的消除，保证光学成像质量。
Description
技术领域
本发明属于光学透镜技术领域，更具体地，涉及一种可见光波段的折超混合消色差光学系统。
背景技术
传统成像光学系统通常由不同种类的玻璃透镜等折射元件构成，这类透镜通过光传播过程中积累的相移实现对光波前的调控。然而，其实际工作空间与光学系统整体体积相比较小，空间利用率较低，不利于光学系统的微型化、小型化。此外，在传统透镜构成的光学系统中往往还存在色差，从而影响系统最终的成像效果，因此，消色差透镜在传统光学系统中是十分重要的。
消除色差是光学系统设计中的重点，对于未做消色差设计的光学系统，波长偏离中心波长的入射光会汇聚到光轴的其他位置上，从而产生色焦移，即焦点的偏移，同时光斑的质量也会较差，产生轴向色差。这些色差随着光学系统的工作带宽的增大会逐渐增大，使得系统无法正常聚焦。对于工作在宽波段的光学系统，其消色差设计是十分必要的。
目前常见的消色差超透镜受到单个微结构色散能力的限制，并且存在口径、焦距难以做大的问题，从而限制了其在光学系统中的实际应用，例如：申请号202211587119.4的中国专利申请公开了一种宽带消色差超透镜的设计方法，但是其焦距较短，超透镜口径较小，限制了其在光学系统中的实际应用。因此，存在超表面透镜与传统透镜结合无法在可见光波段消除色差的问题。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于可见光波段的折超混合消色差光学系统，旨在解决超表面透镜与传统透镜结合无法在可见光波段消除色差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；
所述透镜组包括多个球面透镜，沿光轴设置于两片所述单面超表面透镜的两侧，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；所述入射光的波长在可见光波段；
所述单面超表面透镜包括：介质衬底层和设置在靠近入射光侧面上的柱状微结构阵列；所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；所述单面超表面透镜用于对入射光的高级像差进行校正后出射；
所述单面超表面透镜的光焦度与所述透镜组的光焦度/>满足：/>
所述可见光焦平面探测器沿光轴设置于所述透镜组的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。
可选的，第一单面超表面透镜的晶格相位分布和第二单面超表面透镜的晶格的相位分布/>分别满足以下公式：
其中，ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径；A1、B1、C1、D1为第一单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数，A2、B2、C2、D2为第二单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数。
可选的，所述单面超表面透镜上每个位置的柱状微结构单元的半径根据六方晶格周期阵列的相位分布确定。
可选的，两片所述单面超表面透镜之间的距离大于等于1mm。
可选的，所述柱状微结构单元的材料折射率大于等于所述介质衬底层的材料折射率。
可选的，所述柱状微结构单元的材料为二氧化钛，所述介质衬底层的材料为二氧化硅。
可选的，所述透镜组包括第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜；
沿光轴方向，所述第一球面透镜设置于两片所述单面超表面透镜的前侧，所述第二球面透镜和第三球面透镜依次设置于两片所述单面超表面透镜的后侧；
所述第一球面透镜在对入射光的初级像差进行校正的同时承担较大的光焦度。
可选的，所述第一球面透镜、第二球面透镜以及第三球面透镜均采用可见光可以透过的材料，包括玻璃N-PSK53A、N-SF66中的一种或任意组合。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，采用折射透镜与超表面透镜混合的形式，超表面透镜凭借其重量轻、体积小的优势，有利于实现光学系统的紧凑化与轻型化；通过超表面的微结构阵列实现对入射光的精细调控，通过两片单面超表面透镜实现了可见光波段入射光色差的消除，能够在合理的设计下保证光学成像质量；同时使用球面透镜与超透镜进行配合使系统适用于宽波段。
2、本发明提供一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，调制传递函数(MTF)曲线接近衍射极限,在截止频率96lp/mm处MTF大于0.6，系统点列图均方根(RMS)半径小于4微米，最大色焦移小于0.1％，利用简单的镜头结构实现了与小像元、大阵列可见光焦平面阵列的联合，实现高分辨可见光探测成像，成像质量良好，消色差性能优异；同时超透镜可以采用半导体工艺批量制造，提高了光学加工精度和可靠性，降低了批量化生产的成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种可见光波段的折超混合消色差光学系统的光线追迹示意图；
图2是本发明实施例提供的一种可见光波段的折超混合消色差光学系统的两片单面超表面透镜的示意图；
图3是本发明实施例中单面超表面透镜的柱状微结构单的主视图；
图4是本发明实施例中单面超表面透镜的柱状微结构单的俯视图；
图5是本发明实施例得到的相位突变和透过率示意图；
图6是本发明实施例模拟的MTF曲线图；
图7是本发明实施例模拟的可见光焦平面探测器阵列光敏面处的光斑点列图；
图8是本发明实施例模拟的色焦移曲线图。
在所有附图和表格中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1、单面超表面透镜，101、第一单面超表面透镜，102、第二单面超表面透镜，2、透镜组，201、第一球面透镜，202、第二球面透镜，203、第三球面透镜，3、可见光焦平面探测器，4、柱状微结构单元，5、介质衬底层。
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。
超表面是一种新兴的具有亚波长结构单元的二维阵列，通过对其表面阵列结构单元的形状、尺寸以及排列方式的人为设计，可以实现对入射光的相位、偏振态等多种光学特性进行调控。超透镜是超表面在光学领域的一个实际应用，其不仅可以实现与传统玻璃透镜相同的聚焦成像功能，还能保留其作为微纳器件的超薄特性从而有利于提升整个系统的紧凑型，有利于系统集成化。将其与传统的折射透镜相结合，为可见光波段的消色差系统的设计提供了新方案。此外，与传统折射透镜相比，超透镜重量轻、成本低、体积小，能够有效代替传统成像光学系统中的折射透镜，从而提高光学系统的紧凑性，有利于解决光学系统微型化、小型化的难题。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
如图1和图2所示，一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，包括：透镜组2、两片单面超表面透镜1和可见光焦平面探测器3；
所述透镜组2包括多个球面透镜，沿光轴设置于两片所述单面超表面透镜1的两侧，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；所述入射光的波长在可见光波段；
所述单面超表面透镜1包括：介质衬底层5和设置在靠近入射光侧面上的柱状微结构阵列；所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元4按照六方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元4的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；所述单面超表面透镜1用于对入射光的高级像差进行校正后出射；
所述单面超表面透镜1的光焦度与所述透镜组2的光焦度/>满足：
所述可见光焦平面探测器3沿光轴设置于所述透镜组2的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。
本发明实施例提供了一种高分辨、小体积的可见光波段的折超混合消色差光学系统，该光学系统包括从物方到像方在光轴上沿光路方向依次放置的，第一球面透镜201、第一单面超表面透镜101、第二单面超表面透镜102、第二球面透镜202和第三球面透镜203和可见光焦平面探测器3。光阑设置为第一球面透镜201的前表面。利用第一单面超表面透镜101和第二单面超表面透镜102对入射光进行调控，实现对可见光波段的入射光进行消色差。可选的，两片所述单面超表面透镜之间的距离大于等于1mm。采用两片单面超表面透镜对入射光的调控效果优于单片单面超表面透镜，实现近衍射极限成像，成像质量良好，消色差性能优异。同时利用传统透镜组实现对系统初级像差的校正并聚焦，最终汇聚到可见光焦平面探测器上。
由于单面超表面透镜1的光焦度与透镜组2的光焦度/>满足：/>透镜组在整个光学系统中承担较大的光焦度，单面超表面透镜(101和102)仅在整个光学系统中承担较小的光焦度；由于单面超表面透镜承担较小的光焦度，可以避免较大的色差，更好地对入射光的高级像差进行校正后出射。
可选的，所述透镜组2包括第一球面透镜201、第二球面透镜202和第三球面透镜203；
沿光轴方向，所述第一球面透镜201设置于两片所述单面超表面透镜1的前侧，所述第二球面透镜202和第三球面透镜203依次设置于两片所述单面超表面透镜1的后侧；
所述第一球面透镜201在对入射光的初级像差进行校正的同时承担较大的光焦度。
可选的，所述第一球面透镜201、第二球面透镜202以及第三球面透镜203均采用可见光可以透过的材料，包括玻璃N-PSK53A、N-SF66中的一种或任意组合。
在本发明实施例提供的光学系统中，第一球面透镜201选用型号N-PSK53A光学玻璃，第二球面透镜202和第三球面透镜203选用型号N-SF66光学玻璃；第一球面透镜201避免单面超表面透镜承担太大的光焦度，初级象差主要由普通透镜进行校正，高级相差由单面超表面透镜校正，同时，将第一球面透镜201设置在第一单面超表面透镜101的前侧起到保护第一单面超表面透镜101的表面微结构的作用。柱状微结构单元4的材料折射率大于等于所述介质衬底层5的材料折射率，超表面透镜的柱状微结构单4元为高折射率材料二氧化钛，考虑可见光波段的特性，所选的介质衬底层5的材料应当具有可见光的高透过率，介质衬底层5的材料为二氧化硅，并且均采用平面加工工艺。进一步的，单面超透镜不含微结构的一侧衬底表面镀有可见光波段的增透膜，进一步提高光学系统的透过率。
本实施例中采用的可见光焦平面探测器用于对可见光进行聚焦成像，其像元尺寸为5.2um，像元数量或分辨率为1920×1080。当光学系统的MTF曲线接近衍射极限且截止频率与探测器像元间距满足公式：截止频率＝1/(2*像元尺寸)时，表示此光学系统与探测器匹配。
示例性的，在一具体实施例中，本发明提供的光学系统面向以0.55um为中心波长、0.4-0.7um的可见光波段实现消色差以及聚焦成像，系统的入瞳直径为20mm，视场角为5.5°，系统焦距为62mm，光圈数为3.1，系统总长不超过67mm，在0.4-0.7un波段，焦距变化小于0.1％。
可选的，第一单面超表面透镜101的晶格相位分布和第二单面超表面透镜102的晶格的相位分布/>分别满足以下公式：
其中，ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径；A1、B1、C1、D1为第一单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数，A2、B2、C2、D2为第二单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数。
第一单面超表面透镜101和第二单面超表面透镜102表面均为平面结构，且表面相位突变满足以上公式，单面超表面透镜上的柱状微结构单元4高度均相同。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，使超表面透镜实现对入射光高级像差的校正，进而确定超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式。在确定相位分布后，根据六方晶格周期阵列的相位分布与柱状微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微结构单元的半径。
利用仿真算法对超表面微结构单元的高度、直径、周期进行仿真，当微结构色散趋于一致时，确定微结构的高度、周期以及直径与产生相位突变的对应关系；根据微结构直径与产生相位突变的对应关系，结合超表面六方晶格周期阵列的相位分布，确定对应位置微结构的直径。由于微结构量级与可见光波段接近，易产生谐振效应，从而会降低透过率以及影响超表面透镜对入射光的调节，所述微结构在选取时根据仿真算法，选择相位稳定变化以及透过率高的微结构直径、周期、高度。
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，扩大优化求解空间，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。
本发明实施例中，如图5所示，微结构为圆柱结构，其周期P为200nm，高度H为800nm，直径D范围在0～190nm；根据相位-色散分布，找出其中在同一色散水平线附近、且能够覆盖全2π相位的微结构阵列，即为所需的微结构单元。在此直径范围和固定高度下，微结构单元具有较高的透过率并且色散趋于一致。
在本发明实施例所提供的光学系统中具体参数数值见表一、表二。
表一：超表面透镜参数表
表二：复合光学系统光学结构参数表
本发明实施例提供可见光波段的折超混合消色差光学系统的MTF曲线图如图5所示，在截止频率96lp/mm下，所有视场下的MTF值均高于0.6，MTF曲线接近衍射极限，系统点列图RMS半径小于4微米，最大色焦移小于0.1％，实现近衍射极限成像。
本发明提供了一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，具有高分辨、小体积的优点，利用超表面透镜与传统透镜共同实现消色差聚焦的效果。相比仅使用折射透镜的传统消色差光学系统，不仅精简了镜头的数量，而且没有采用复杂的非球面镜头，简化了系统的结构及生产工艺，降低了批量化生产成本，并且利用简单的镜头结构实现了与小像元、大阵列可见光焦平面探测器的结合，调制传递函数接近衍射极限，消色差性能优异，从而实现对可见光波段的高分辨率成像。具有结构简单、易生产制造、成本较低、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 (8)
1.一种可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，包括：透镜组、两片单面超表面透镜和可见光焦平面探测器；
所述透镜组包括多个球面透镜，沿光轴设置于两片所述单面超表面透镜的两侧，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；所述入射光的波长在可见光波段；
所述单面超表面透镜包括：介质衬底层和设置在靠近入射光侧面上的柱状微结构阵列；所述柱状微结构阵列由多个柱状微结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成；所述柱状微结构单元的高度介于可见光波长量级，直径介于亚波长量级；所述单面超表面透镜用于对入射光的高级像差进行校正后出射；
所述单面超表面透镜的光焦度与所述透镜组的光焦度/>满足：/>
所述可见光焦平面探测器沿光轴设置于所述透镜组的出射光一侧，用于对聚焦后的可见光实现探测成像。
2.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，第一单面超表面透镜的晶格相位分布和第二单面超表面透镜的晶格的相位分布/>分别满足以下公式：
其中，ρ为超表面径向坐标、R为归一化半径；A1、B1、C1、D1为第一单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数，A2、B2、C2、D2为第二单面超透镜超表面的二次项、四次项、六次项、八次项的系数。
3.如权利要求2所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述单面超表面透镜上每个位置的柱状微结构单元的半径根据六方晶格周期阵列的相位分布确定。
4.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，两片所述单面超表面透镜之间的距离大于等于1mm。
5.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的材料折射率大于等于所述介质衬底层的材料折射率。
6.如权利要求5所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述柱状微结构单元的材料为二氧化钛，所述介质衬底层的材料为二氧化硅。
7.如权利要求1所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述透镜组包括第一球面透镜、第二球面透镜和第三球面透镜；
沿光轴方向，所述第一球面透镜设置于两片所述单面超表面透镜的前侧，所述第二球面透镜和第三球面透镜依次设置于两片所述单面超表面透镜的后侧。
8.如权利要求7所述的可见光波段的折超混合消色差光学系统，其特征在于，所述第一球面透镜、第二球面透镜以及第三球面透镜均采用可见光可以透过的材料，包括玻璃N-PSK53A、N-SF66中的一种或任意组合。
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| CN117930472A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 武汉宇熠科技有限公司 | 一种红外共焦的安防镜头 |
| CN117930472B (zh) * | 2024-03-25 | 2024-05-28 | 武汉宇熠科技有限公司 | 一种红外共焦的安防镜头 |
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