含衍射元件的超半球凝视红外成像系统

摘要

本发明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3～5μm。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。

说明书

技术领域

本发明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

本发明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。

本发明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。

本发明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是本发明实施例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是本发明实施例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，本发明依次由负光组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|f_II23′/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>=>>>cr>2>>>1>+>>1>->>c>2>>>r>2>\; >\; >$$>>>a>1>>>r>2>>+>>a>2>>>r>4>>,>$>