大视场双波谐衍射红外光学系统

摘要

本发明涉及大视场双波谐衍射红外光学系统，该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一、二、三透镜、孔径光阑、第四、五、六透镜和探测器焦平面，六个透镜的光焦度依次为正负正负正负，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一、四透镜的前表面和第三透镜的后表面为非球面，第五透镜的后表面采用谐衍射面；本发明可对大视场短波、中波范围内的宽光谱同时成像；采用谐衍射设计技术，在红外系统的两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性；系统仅采用六片透镜，全长小于50mm，结构简单，轻巧；在双波段范围内的传递函数均接近衍射极限，成像质量良好。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种大视场短/中波谐衍射红外 光学系统。

背景技术

红外辐射主要有近红外(0.75-2.5μm)、中红外(3-5μm)和远红 外(8-14μm)三个大气窗口，传统的单波段成像技术从单元到线阵及 焦平面的发展已相当完善，但在获取信息方面由于局限于单一波段， 仍有很大不足。

目前对双波段红外成像主要采用谐衍射透镜技术。由于光学材料 的约束以及成像器件的技术限制，使得目前红外双波段成像主要集中 在中长波。而由于短波红外的特殊的光谱特性，其重要性近年来越来 越突出，为此本发明针对中短波红外的光谱特点，通过合理选择光学 构型及材料，成功设计出大视场中短波双波段光学系统，成像质量良 好。

谐衍射透镜也称为多级衍射透镜，其特点是相邻环带间的光程差 是设计波长λ₀的整数p（p≥2）倍，在空气中透镜最大厚度为pλ 0/(n-1)，是普通衍射透镜的p倍。谐衍射透镜各衍射级次的衍射效 率可表示为：

${\eta }_m=\sin c^2(\frac{{\mathrm{p\lambda }}_0}{\lambda }-m)---\left(3\right)$

其中m=p，p±1，p±2，…所得的一系列分离波长称为谐波长， sinc是辛格函数的表达式。

p越大，波段内可以利用的谐波长就越多，所覆盖的波段也越宽。 但是，随着p的增大，材料色散的影响也越大，因此p的取值实际上 就是折射透镜色散和衍射透镜色散的平衡问题。我们取p=2，全波段 范围内衍射效率能达到80%。

发明内容

本发明的目的是提供一种大视场双波谐衍射红外光学系统。

为实现上述目的，本发明大视场双波谐衍射红外光学系统技术方 案如下：

该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透 镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器 焦平面，所述六个透镜的光焦度依次为正、负、正、负、正、负，第 一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一透镜的前表面、第三 透镜的后表面及第四透镜的前表面为非球面，第五透镜的后表面采用 谐衍射面，其它透镜表面均为球面。

各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高 度，为系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k为光学系统透镜面数。

所述第一透镜的材料为硒化锌，第二透镜的材料为硫化锌，第三 透镜的材料为氟化钙，第四透镜的材料为氟化钙，第五透镜的材料为 硒化锌，第六透镜的材料为硫化锌。

所述第一透镜与第二透镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔 1.7mm、第三透镜与光阑间隔2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四 透镜与第五透镜间隔1.4mm、第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六 透镜与像面间隔7.2mm。

所述谐衍射透镜的中心波长λ₀=4.2μm，相位匹配因子P=2，取 m=2,m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长。

红外光学系统工作波段为：短波1.5～2.7μm、中波3.7～4.8μ m为工作波段。

本发明的大视场双波谐衍射红外光学系统可对大视场短波、中波 范围内的宽光谱同时成像；采用谐衍射设计技术，恰当选择参数“p” 和所设计的系统的中心波长λ₀，巧妙地将谐衍射透镜成功地引入红外 双波段系统中，在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要 求，具有良好的消像差特性；系统仅采用六片透镜，全长小于50mm， 结构简单，轻巧；光学系统在双波段范围内的传递函数均接近衍射极 限，成像质量良好。

附图说明

图1是大视场短/中波谐衍射红外光学系统图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，大视场双波谐衍射红外光学系统包括沿光入射方向 依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透 镜、第五透镜、第六透镜和探测器焦平面，第一透镜为负光焦度双凹 透镜采用硒化锌材料，第二透镜为正光焦度双凸透镜采用硫化锌材 料，第三透镜为负光焦度透镜采用氟化钙材料，第四透镜为正光焦度 透镜采用氟化钙材料，第五透镜为负光焦度透镜采用硒化锌材料，第 六透镜为正光焦度透镜采用硫化锌材料，六个透镜形成光焦度-、+、 -、+、-、+构型，镜筒材料为铝材料。第一透镜的前表面、第三透镜 的后表面及第四透镜的前表面采用非球面，第五透镜后表面采用谐衍 射面，其它透镜表面都为球面。

各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高 度（与前一面透镜的入射高度、透镜曲率半径和透镜间隔有关），为 系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数。

通过采用非球面配合谐衍射面相结合的设计，有效抑制色散及其 它像差。通过谐衍射透镜时所产生的最大相位差是4π(p=2)，中心波 长为λ0=4.2μm，取m=2，m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm 为系统的谐振波长，取1.5～2.7μm和3.7～4.8μm为工作波段，覆 盖的频谱区衍射效率达80%，全视场内传递函数短波高达0.83，中波 大于0.66，均接近衍射极限。

根据附图1所示，我们设计出一种大视场高分辨率被动消热差短 波红外光学系统，系统具体的设计参数如下：

工作波段：1.5～2.7μm及3.7～4.8μm；系统的焦距为23.6mm， F数（焦距与口径的比值）为2，视场37.5°，整个光学系统长度为 46.5mm。

光学系统的技术参数为：

如图1所示为本发明的结构示意图，第一透镜的前表面、第三透 镜的后表面及第四透镜的前表面采用非球面，第五透镜后表面采用谐 衍射面，畸变绝对值小于0.7%，整个系统的传函在22lp/mm时大于 0.66。

经过CODEV软件优化，得出系统的距离参数：第一透镜与第二透 镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔1.7mm、第三透镜与光阑间隔 2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四透镜与第五透镜间隔1.4mm、 第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六透镜与像面间隔7.2mm。此间 距为系统优化的最佳距离。

光学参数表（单位：mm）

上表中第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表 面所采用的非球面面型方程为：

$z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+{[1-(1+K){(r/R)}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}---\left(8\right)$

其中z(r)为非球面的面型函数；r为垂直光轴方向的径向坐标； K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B 为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。

第五透镜后表面所采用的衍射面位相方程为：

$\phi \left(r\right)=\frac{2\pi }{\lambda }·(C_1·r^2+C_2·r^4)---\left(9\right)$

其中Φ(r)为衍射面位相函数；λ为衍射中心波长，取4.2μm； C₁、C₂分别为衍射系数。

如图1所示，外界景物辐射依次按本大视场双波谐衍射红外光学 系统所设置的透镜系统经过，光通过谐衍射透镜时所产生的最大相位 差是4π(p=2)，中心波长为λ0=4.2μm，取m=2,m=4时对应波长λ=4.2 μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长，取1.5～2.7μm和3.7～4.8μm 为工作波段，覆盖的频谱区衍射效率达80%；有效焦距23.6mm，系统 总长限制在50mm以内；F数：2；全视场内畸变≤0.7%；两个波段范 围内中心视场处传函都接近衍射极限，在22lp/mm时，全视场光学传 递函数短波波段均大于0.83，中波波段均大于0.66。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技 术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。