CN200986625Y - 一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统，它采用了正负分离负组在前的结构，以获得无盲区超半球凝视成像的效果，应用于中波红外波段，波长范围3～5μ。第1个负光组为单片负透镜，第2个正光组为正负正分离的3组3片结构，其中含1片衍射透镜，具有2W＝200度的视场角，相对孔径D/f’＝1∶2，像面大小为2y’＝12mm。冷光阑位于系统的后部，是整个光学系统的孔径光阑，实现了100％冷光阑效率。从第一面到探测器表面的距离为80至100mm。

Description

一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统。

背景技术

超半球成像系统又称为全景成像系统，在经济、科技、军事、商业等各领域具有广泛的应用。这种系统成像信息量大，特别适合用于各类监视器中。这种系统可以用三种方式实现，一种是用多个光学系统列阵，每个系统仅承担对一部分视场的成像任务，通过处理获得合成图像，因此对图像处理提出了较高的要求；第二种是一个光学系统通过扫描的方法实现全景监视，在某一瞬时只能看到其中的一部分视场，不可能同时看到超半球全景图像，当目标移动很快时，就有可能在监视过程中遗漏重要目标；第三种是单个光学系统实现超半球凝视成像，其典型的光学系统是鱼眼透镜系统，其视场角可达到200度左右，可以同时监视超半球范围内的目标。用于可见光波段的鱼眼透镜系统已在照相、监视等领域多有应用，这类系统一般结构相当复杂，其中不少应用了10片以上的透镜和高质量特殊光学材料，设计难度大，加工装配要求高。图1是一种可见光波段鱼眼透镜，具有2W＝200度的视场，整个系统由8组10片透镜组成，结构相当复杂。图2是一种采用非球面反射面作为前置元件的全景成像系统原理图，利用前置非球面减小轴外光的入射角度，再使用通常的光学系统成像，这种方式的缺点在于镜头的正前方无法看到，存在中心视场盲区。

红外成像技术及其应用在各国都受到广泛重视，其应用领域涉及航空、航天、工业、医疗、交通、军事等各行业。由于红外焦平面探测器技术已经成熟且商品化，使凝视红外成像探测技术得到迅速发展。这类探测器用途广泛，在工业和医用红外成像仪等仪器中也多有应用，为满足各领域的需求提供了优越的基础，也促进了红外光学系统的发展。

通常的红外成像系统以大孔径、小视场为主，用于全景监视的红外成像系统大多采用列阵方式或扫描方式实现。由于红外探测器通常要求致冷，其冷阑位于光学系统后部，所有的成像光线必须进入冷阑才能到达探测器表面成像，而非成像光线如视场外的光应当被其所拦，以减小热辐射背景的影响，因此需要将冷阑作为光学系统的孔径光阑，或通过某种方法使系统的孔径光阑成像于冷阑上，这称为100％冷光阑效率。如果系统的孔径光阑不是冷阑且不能成像于冷阑上，则达不到100％冷光阑效率，这不仅使成像光照度不均，更重要的是在像面上出现边带辐射，产生附加光子噪声，严重影响探测器的信噪比。100％的冷阑效率的要求使该类系统极不对称；又由于可供选择的材料有限，而系统必须保证一定的能量透过率，整个光学系统必须力求简单，透镜片数应尽量少，也给校正像差尤其是色差带来了较大的困难。图3是一种具有100％冷光阑效率的红外成像系统，其视场角2W＝7度，相对孔径D/f’＝1∶4。图4是一种不具有100％冷光阑效率的红外成像系统，视场角2W＝5度，相对孔径为1∶1.5。

衍射光学元件是基于光的衍射理论实现光波的变换，和传统光学元件相比具有许多卓越的功能，在成像系统中应用的代表是二元光学元件，它是于80年代中期由美国MIT林肯实验室首先提出，是指基于光波的衍射理论，利用超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件，它可以在承担一定的光焦度的同时，在校正像差特别是色差方面起到常规光学元件难以起到的作用，有利于光学系统的小型化、高像质，并简化系统的结构。由于红外波段波长较长，在这种系统中应用衍射元件其最小加工线宽可以满足加工工艺要求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统，仅用2至3种光学材料构成4片反远距超广角镜头，获得了不小于1∶2的大相对孔径，并利用衍射光学元件很好地校正了色差。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

它依次由负光组、正光组和冷光阑构成，具有4组4片型结构。其负光组为1组1片型结构的弯月形负透镜，其两个面都弯向像方，正光组为正负正分离的3组3片型结构，正光组中第1片是第1面凸向物方的凸透镜，第2片为平凹透镜或弯向物方的弯月形凹透镜，第3片为凸面朝向物方的凸透镜，冷光阑位于正光组的后部，正光组中的一个面是衍射面，具有100％的冷光阑效率。

本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：它采用了正负分离负组在前的结构，以获得无盲区超半球凝视成像的效果，应用于中波红外波段，波长范围3～5μ，仅使用了2至3种光学材料。负光组为单片负透镜，正光组为正负正分离的3组3片结构，其中含衍射透镜，具有2W＝200度的视场角，相对孔径D/f’＝1∶2，像面大小为2y’＝12mm。冷光阑位于系统的后部，是整个光学系统的孔径光阑，实现了100％冷光阑效率。结构简单紧凑，从第一面到探测器表面的距离控制在100mm以内。系统中的衍射透镜除了承担一定的光焦度，还在校正像差特别是色差方面起到常规光学元件难以起到的作用，实现了光学系统的小型化、高像质，简化了系统的结构。

附图说明

图1是一种可见光波段鱼眼透镜。

图2是一种采用非球面反射面作为前置元件的全景成像系统原理图。

图3是一种具有100％冷光阑效率的红外成像系统，其视场角2W＝7度，相对孔径D/f’＝1∶4。

图4是一种不具有100％冷光阑效率的红外成像系统，视场角2W＝5度，相对孔径为1∶1.5。

图5和图6是本实用新型实施例1的光学系统图。

图7是实施例1的轴上像差曲线图。

图8是实施例1的像散、像面弯曲和畸变曲线图。

图9和图10是本实用新型实施例2的光学系统图。

图11是实施例2的轴上像差曲线图。

图12是实施例2的像散、像面弯曲和畸变曲线图。

图中：1、负光组，2、正光组，3、正光组第1片透镜，4、正光组第2片透镜，5，正光组第3片透镜，6、冷光阑，7、像面。

具体实施方式

如图5、图9所示，本实用新型依次由负光组1、正光组2和冷光阑6构成，具有4组4片型结构。其负光组为1组1片型结构的弯月形负透镜1，其两个面都弯向像方，正光组为正负正分离的3组3片型结构，正光组中第1片是第1面凸向物方的凸透镜3，第2片为平凹透镜或弯向物方的弯月形凹透镜4，第3片为凸面朝向物方的凸透镜5，冷光阑6位于正光组的后部，正光组中的一个面是衍射面，具有100％的冷光阑效率。

系统的总焦距为f′，负光组的焦距为f_I′，正光组的焦距为.f_II′，其中第1片正透镜焦距为f_II1′，第2、3片的合成焦距为f_II23′，有1.5＜|f_I′/f′|＜2.5及4.6＜|f_II′/f′|＜5.2，并且0.75＜f_II1′/f_II′＜1.1及|fII₂₃′/f′|＜0.2。

从弯月形负透镜1的第一面到像面7，即探测器表面的距离为80mm至100mm，冷光阑到透镜最后一面的距离在1mm至5mm之间。

实施例1：

4组4片结构，其第1个负光组为单片弯月形负透镜，第2个正光组中第1片是凸向物方的凸透镜，第2片为平凹透镜，其第2面是平面基底的二元面，第3片为非球面透镜，光学材料依次为：Si，ZnS，ZnS，ZnS，如图5和图6所示。该方案的结构参数如表1所示，像差曲线如图7和图8所示。

表1

面号	半径	间隔	材料
				1	R1＝38.2	d1＝2.9	Si
2	R2＝14.983	d2＝54
				3	R3＝31.6	d3＝4.8	ZnS
4	R4＝248.36	d4＝4.9
				5	R5＝-28	d5＝2.4	ZnS
6	R6＝平面*	d6＝2.2
				7	R7＝48.2	d7＝3.4	ZnS
8	R8＝-34**	d8＝3
				冷光阑	平面	d9＝19.92
像面	平面

其中^*表示衍射面，相位函数为＝a₁ρ²+a₂ρ⁴，式中ρ为归一化半孔径坐标，a₁＝-250，a₂＝183.3，该面的归一化半孔径值为15mm。^**表示非球面，面形方程为 $z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4,$ 式中c为该面的曲率，r为非球面上的点到光轴的距离，α₁＝2.506×10^-5，α₂＝-8.3×10^-8。

实施例2：

4组4片结构，其第1个负光组为单片弯月形负透镜，第2个正光组中第1片为双凸透镜，第2片为弯向物方的弯月形凹透镜，第3片为凸面朝向物方的平凸透镜，其第2个面为平面基底的二元面，光学材料依次为：Si，ZnS，Si，Ge，如图9和图10所示。该方案的结构参数如表2所示，像差曲线如图11和图12所示。

表2

面号	半径	间隔	材料
				1	R1＝36.2	d1＝3	Si
2	R2＝14.4	d2＝44
				3	R3＝83.94	d3＝4.8	ZnS
4	R4＝-38.699	d4＝2
				5	R5＝-27.2	d5＝2.4	Si
6	R6＝-48.56	d6＝14
				7	R7＝65.1	d7＝3.4	Ge
8	R8＝平面*	d8＝3
				冷光阑	平面	d9＝19.65
像面	平面

其中^*表示衍射面，相位函数为＝a₁ρ²+a₂ρ⁴，其中ρ为归一化半孔径坐标，a₁＝-150，a₂＝100，该面的归一化半孔径值为10mm。

Claims (3)

1.一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统，它依次由负光组、正光组和冷光阑构成，具有4组4片型结构；其特征在于：其负光组为1组1片型结构的弯月形负透镜(1)，其两个面都弯向像方，正光组为正负正分离的3组3片型结构，正光组中第1片是第1面凸向物方的凸透镜(3)，第2片为平凹透镜或弯向物方的弯月形凹透镜(4)，第3片为凸面朝向物方的凸透镜(5)，冷光阑(6)位于正光组的后部，正光组中的一个面是衍射面，具有100％的冷光阑效率。

2.一种根据权利要求1所述的含衍射元件的超半球凝视红外成像系统，其特征在于：系统的总焦距为f′，负光组的焦距为f_I′，正光组的焦距为f_II′，其中第1片正透镜焦距为f_II1′，第2、3片的合成焦距为f_II23′，有1.5＜|f_I′/f′|＜2.5及4.6＜|f_II′/f′|＜5.2，并且0.75＜f_II1′/f_II′＜1.1及f_II23′/f′|＜0.2。

3.根据权利要求1所述的一种含衍射元件的超半球凝视红外成像系统，其特征在于：从弯月形负透镜(1)的第一面到像面(7)，即探测器表面的距离为80mm至100mm，冷光阑到透镜最后一面的距离在1mm至5mm之间。

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