CN202794679U - 一种红外双波段共焦光学系统及共焦面红外双波段探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种红外双波段共焦光学系统及共焦面红外双波段探测器，所述系统包括：依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组、正光焦度的第四透镜组；所述第二透镜组为谐衍射元件；所述红外双波段共焦光学系统的焦距f，所述第一透镜组的焦距f1，其中，0.25<f/f1<0.76。本实用新型利用谐衍射元件的物理特性，实现了共焦面的多波段融合；通过优化各表面的面型参数和适当地选取谐衍射元件的衍射级次，设计红外双波段光学系统，使系统在宽光谱的色差得以校正，每个波段的像质都达到衍射极限，有利于光学系统的小型化；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。

Description

一种红外双波段共焦光学系统及共焦面红外双波段探测器

技术领域

本实用新型涉及光学技术域，特别是涉及一种红外双波段共焦光学系统及共焦面红外双波段探测器。 

背景技术

随着伪装技术的发展，侦察识别目标的难度也越来越大，单一波段红外探测系统获取的信息量有限，不能满足基于现代侦查背景复杂、气象条件多变的情况下对高分辨率和实时传输的需求。中、长波双波段探测可对复杂背景进行抑制，提高对目标的探测和识别效果。 

早期双波段探测的光学系统多为分光路或部分共光路系统。分光路系统光学设计复杂，系统体积大，可靠性低。在后期进行不同波段图像融合时，像元配准误差大，影响探测精度和容易混淆被探测目标，得到并不真实的信号强度。共光路系统能够大大提高像元配准的精度和探测距离，但是，传统的共光路光学系统设计受限于材料特性，导致系统片数多、透过率低、体积大、成本高。再加上早期的双波段红外探测器尚不成熟，所以，共光路系统并没有得到广泛的应用。 

随着双波段探测器的完善和光学新元件的应用，发展双波段共光路系统是实现红外探测高精度要求的必然。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种红外双波段共焦光学系统及共焦面红外双波段探测器，用以解决现有技术双波段共光路系统片数多、透过率 低、结构复杂、成本昂贵的问题。 

为解决上述技术问题，一方面，本实用新型提供一种红外双波段共焦光学系统，所述系统包括：依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组、正光焦度的第四透镜组；所述第二透镜组为谐衍射元件；所述红外双波段共焦光学系统的焦距f，所述第一透镜组的焦距f1，其中，0.25<f/f1<0.76。 

进一步，所述第一透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜；所述第二透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜；所述第三透镜组为一片凸面朝物方的弯月硒化锌透镜；所述第四透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜。 

进一步，第三透镜组的焦距可调。 

进一步，所述第二透镜组设计了谐衍射面。 

进一步，所述第二透镜组的谐衍射面上设计了非球面。 

进一步，所述红外双波段共焦光学系统还包括一个光栏，放置在所述第四透镜组后。 

另一方面，本实用新型还提供一种包含上述红外双波段共焦光学系统的制冷型共焦面红外双波段探测器。 

进一步，所述双波段共焦光学系统的光圈与所述制冷型共焦面红外双波段探测器的光圈相同；所述双波段共焦光学系统的光栏与所述双波段共焦探测器冷光栏重合。 

本实用新型有益效果如下： 

本实用新型利用谐衍射元件的物理特性，实现了共焦面的多波段融合，有利于拓展材料稀缺波段的光学系统设计自由度，仅采用常规红外材料进行设计即可；通过优化各表面的面型参数和适当地选取谐衍射元件的衍射级次，设计红外双波段光学系统，使系统在宽光谱的色差得以校正，每个波段的像质都达到衍射极限，有利于光学系统的小型化；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。 

附图说明

图1是本实用新型实施例中的红外双波段（中波和长波）共焦光学系统的光路仿真图； 

图2是本实用新型实施例中谐衍射元件中波和长波双波段衍射效率图； 

图3是本实用新型实施例中谐衍射元件相位和环带随径向坐标的变化曲线图； 

图4是本实用新型实施例中3.5～4.7μm（中波）波段在特征频率处的传递函数图； 

图5是本实用新型实施例中7～10μm（长波）波段在特征频率处的传递函数图； 

图6是本实用新型实施例中中波波段的场曲和畸变图； 

图7是本实用新型实施例中长波波段的场曲和畸变图。 

具体实施方式

为了解决现有技术双波段共光路系统片数多、透过率低、结构复杂、成本昂贵的问题，本实用新型提供了一种红外双波段共焦光学系统，以下结合附图以及实施例，对本实用新型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实用新型，并不限定本实用新型。 

如图1所示，本实用新型实施例涉及一种红外双波段共焦光学系统（以下简称光学系统），包括：具有正光焦度的第一透镜组G1、正光焦度的第二透镜组G2、负光焦度的第三透镜组G3、正光焦度的第四透镜组G4。光焦度是焦距的倒数，正光焦度就是正焦距的倒数，即正光焦度表明是正透镜；负光焦度就是负焦距的倒数，即负光焦度表明是负透镜。光学系统满足下列条件：0.25<f/f1<0.76，其中，f为光学系统的焦距；f1为第一透镜组G1的焦距。其中，红外双波段共焦是指两个波段焦面在一个平面上。 

其中，第一透镜组G1包括正光焦度的第一透镜，而第一透镜为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜。由于第一透镜组G1仅有一片透镜，且焦距满足0.25<f/f1<0.76，在保证光学系统的焦距前提下，使光学系统结构更紧凑、加工更简单。 

第二透镜组G2包括正光焦度的第二透镜。具体而言，第二透镜为谐衍射元件，由凸面朝物方的弯月形锗透镜加工而成。第三透镜组G3包括负光焦度的第三透镜，其中，第三透镜为一片凸面朝物方的弯月硒化锌透镜。第三透镜组G3的焦距可调，即在光线传输方向上可以前后移动，这样，就可以依靠其整体平移来实现对不同物方距离的目标清晰成像的功能。具体方式是：当目标由无穷远扩展到近距离时，第三透镜向物方空间方向移动。第四透镜组G4包括正光焦度的第四透镜，其中，第四透镜为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜。本实施例中，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4均采用一片透镜，但并不限于仅使用一片透镜，也可以通过多片透镜来实现上述功能。 

在本实施例中，为了平衡两个波段的色差，在第二透镜上设计了谐衍射面；此外，为了改善系统球差、象散和场曲，同时不增加加工成本，在第二透镜的谐衍射面上设计了非球面。 

本实施例的光学系统还包括一个光栏C1，放置在第四透镜组G4后，与双波段共焦探测器冷光栏重合，以实现100%的冷光栏效率。 

本实施例的双波段共焦光学系统适用于制冷型共焦面红外双波段探测器。光学系统的光圈F与适用的制冷型共焦面红外双波段探测器的光圈相同。当光学系统应用于制冷型共焦面红外双波段探测器时，光栏C1与双波段共焦探测器冷光栏重合，光栏C1与双波段共焦探测器冷光栏为同一个部件。 

如图1所示，工作于本实用新型波段的光线，光线经过共同透镜组G1，在透镜组G2的谐衍射面上被衍射再聚焦，然后通过透镜组G3和透镜组G4会聚，再被孔径光栏C1约束光束口径，将中波和长波两个波段的分立波长分别 成像在共同的探测器焦面上。 

其中，第一透镜在设计的中波波段的光焦度为 

色散因子为 

在长波波段的光焦度为 

色散因子为 

第二透镜，在设计的中波波段的光焦度为 

色散因子为 

在长波波段的光焦度为 

色散因子为 

第三透镜，在设计的中波波段的光焦度为 

色散因子为 在长波波段的光焦度为 

色散因子为 

第四透镜，在设计的中波波段的光焦度为 

色散因子为 

在长波波段的光焦度为 

色散因子为 

系统总的光焦度满足公式（1）： 

中波波段的轴向色差等于零，即： 

长波波段的轴向色差等于零，即： 

可见，通过对光焦度进行分配，适当地选择透镜的几何结构参数，结合不同材料的正负透镜，加上符合色散系数要求的谐衍射元件，可以达到系统焦距和色差校正的要求。在谐衍射元件的表面加工谐衍射面，所选两个波段的衍射级次和中心波长满足 

其中，p是相位匹配因子；λ和λ0分别是中波和长波的中心波长；m是长波衍射级次。谐衍射元件的色散系数决定于谐振条件，选取合适的衍射级次和中心波长即可。本实施例中，取相位匹配因子p=2，对应中心波长λ₀=4μm，整数m选1，对应谐波长为8μm。 

谐衍射元件在两个波段中心波长处具有100%的衍射效率，在两个波段中每一个波段衍射效率都大于95%。值得一提的是，本实施例中的谐衍射光学元件的衍射效率在中心波长处达到100%，在设计波段内平均衍射效率均高于97%。图2表示计算得到的中波和长波的衍射效率。 

另外，本实施实例为了保证100%的口径效率，采用了二次成像的结构， 在谐衍射光学元件的作用下，焦距150mm的系统其长度尺寸仅为90mm，与传统设计相比，大大缩小了体积，减轻了系统重量。 

以下表1示出光学系统的一优选实例。 

表1 

在表1中，曲率半径为每个表面的曲率半径，单位为mm。间隔是指两相邻表面间的距离。例如，表面S 1的间距，即表面S1至表面S2的距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、光学材料请参照同行中的各间距以及光学材料对应的数值。此外，在表1中，表面S1、S2分别为第一透镜远离与邻近第二透镜的表面；表面S3、S4分别为第二透镜远离与邻近第三透镜的表面；表面S5、S6分别为第三透镜远离与邻近第四透镜的表面；表面S7、S8分别为第四透镜远离与邻近第三透镜的表面；表面S9为光栏面。 

表2列出第二透镜的表面S3的非球面系数。 

表2 

表面

k

A

B

C

[0048] 

S3

0

-2.5374E-7

3.6331E-11

-7.535E-14

第二透镜的非球面的面型方程为： 

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8---\left(4\right)$

其中，Z为非球面矢高；c为顶点曲率半径；k为圆锥曲线系数；A、B、C分别为非球面系数；r为非球面表面上点的径向坐标。 

表3列出第二透镜的表面S3的谐衍射面系数。 

表3 

表面	中心波长	衍射级次	C1	C2	C3
						S3	4μm	2	-2.003E-5	1.6759E-9	-6.224E-12
	8μm	1	-2.785E-5	-4.892E-9	-7.421E-12

二元光学面在中心波长λ₀发生+m级衍射时的相位方程为： 

$\mathrm{\&Phi;}={\mathrm{\&Sigma;}}_i^N{\mathrm{\&alpha;}}_i{r}^{2i}=\frac{{\mathrm{m\&lambda;}}_0}{N_0-1}\left[\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}(C_1{r}^2+C_2{r}^4+C_3{r}^6)\right]---\left(5\right)$

其中，Φ为衍射面上的每一点的相位；N为相位方程的阶数；i为阶次；+m为衍射级次；α_i为级次系数；r为衍射射面上点的径向坐标；λ₀为+m级衍射的中心波长；N₀为波长λ₀的材料折射率；C₁、C₂、C₃分别为衍射面系数。表4列出本实施例光学系统的一些重要参数。 

表4 

	工作波段（μm）	焦距（mm）	F(光圈)数	视场
					中波	3.5～4.7	150	4	5.85×4.4
长波	7～10	150	4	5.85×4.4

表4中包括工作波段、焦距、F（光圈）数和视场，与传统的双波段光学系统相比，本实施例仅采用常用锗单晶和ZnSe晶体就达到了双波段校像差的目的，同时，谐衍射面S3的各项衍射面系数均被控制在普通三轴金刚石车床 的加工线宽内，降低了对加工工艺的要求，有利于减少加工成本。 

图3为谐衍射元件相位和环带随径向坐标的变化曲线，可见，谐衍射元件直径为φ35mm，中波红外和长波红外的相位分布具有2个光栅周期，最小加工线宽为40.7um，完全能够满足加工工艺的要求。 

图4、图5给出了系统的光学传递函数情况，在特征频率12.5线对处3.5～4.7μm波段和7～10μm波段系统的光学传递函数均大于0.5，具有良好的成像质量。图6和图7为系统两个波段的场曲和畸变图。可以看出，光学系统的场曲和畸变在要求的波段内均达到优良像质的指标。 

由上述实施例可以看出，本实用新型利用谐衍射元件的物理特性，实现了共焦面的多波段融合，有利于拓展材料稀缺波段的光学系统设计自由度，仅采用常规红外材料进行设计即可；通过优化各表面的面型参数和适当地选取谐衍射元件的衍射级次，设计红外双波段光学系统，使系统在宽光谱的色差得以校正，每个波段的像质都达到衍射极限，有利于光学系统的小型化；加工满足普通金刚石车床车削的技术要求，降低了生产成本。 

最后应说明的是，尽管为示例目的，已经公开了本实用新型的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本实用新型的范围应当不限于上述实施例。本实施例仅为了说明本实用新型而非限制本实用新型所述的技术放案；任何包含于本实用新型所述中波和长波波段内的双波段，均涵盖于本实用新型所要求的权利范围内；任何不脱离本实用新型技术方案的改进，均涵盖于本实用新型所要求的权利范围内。 

Claims (7)

1.一种红外双波段共焦光学系统，其特征在于，所述系统包括：

依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、正光焦度的第二透镜组、负光焦度的第三透镜组、正光焦度的第四透镜组；所述第二透镜组为谐衍射元件；所述红外双波段共焦光学系统的焦距f，所述第一透镜组的焦距f1，其中，0.25<f/f1<0.76。

2.如权利要求1所述的红外双波段共焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜；所述第二透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜；所述第三透镜组为一片凸面朝物方的弯月硒化锌透镜；所述第四透镜组为一片凸面朝物方的弯月形锗透镜。

3.如权利要求2所述的红外双波段共焦光学系统，其特征在于，第三透镜组的焦距可调。

4.如权利要求2所述的红外双波段共焦光学系统，其特征在于，所述第二透镜组设计了谐衍射面。

5.如权利要求4所述的红外双波段共焦光学系统，其特征在于，所述第二透镜组的谐衍射面上设计了非球面。

6.如权利要求1～5任一项所述的红外双波段共焦光学系统，其特征在于，所述红外双波段共焦光学系统还包括一个光栏，放置在所述第四透镜组后。

7.一种包含权利要求1或6所述的红外双波段共焦光学系统的制冷型共焦面红外双波段探测器，其特征在于，所述双波段共焦光学系统的光圈与所述制冷型共焦面红外双波段探测器的光圈相同；所述双波段共焦光学系统的光栏与所述双波段共焦探测器冷光栏重合。 

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