一种长波红外复合光学系统技术方案

本发明专利技术公开一种长波红外复合光学系统，包括：双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，入射光的波长在长波红外波段；透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧透镜组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；红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。本发明专利技术精简了光学系统的结构，优化了加工工艺。

A long wave infrared composite optical system

The invention discloses a long wave infrared composite optical system, which comprises: a double cascade super surface element including: a first super surface, a second super surface and a dielectric substrate layer; the first super surface and the second super surface are respectively arranged on the front surface and the back surface of the dielectric substrate layer; the double cascade super surface element is used for adjusting the wave front of the incident light and realizing the high-level aberration of the incident light After correction, the wavelength of the incident light is in the long wave infrared band; the lens group is placed on one side of the outgoing light of the double cascaded super surface element to correct the primary aberration of the incident light and focus the light before outgoing; the infrared focal plane detector includes a detector window and an infrared focal plane array arranged in order along the optical axis, and the detector window is used to filter out the clutter of the system Astigmatism and light outside the detection band, infrared focal plane array is used to detect and image the focused infrared ray incident light. The invention simplifies the structure of the optical system and optimizes the processing technology.

【技术实现步骤摘要】
一种长波红外复合光学系统
本专利技术涉及红外成像光学与微纳光子学领域，更具体地，涉及一种长波红外复合光学系统。
技术介绍
红外成像技术是成像光学领域的重要组成部分，广泛应用于安防、监控、医疗、工业、农业、测绘遥感、航空航天、探测制导等关系到国计民生的领域。随着科学技术的进步，目前，新一代红外光学成像系统的发展趋势可概括为如下两个方面：第一，高性能与高质量的成像效果，如超高分辨率成像与近衍射极限成像。实现这些要求就需要对高级像差和轴外像差实现较好的校正，目前常用的方案就是复杂面型的设计以及多片透镜的相互配合。专利技术专利CN107144946A通过在系统中进行衍射结构与非球面结构的叠加，实现较高质量的成像；而专利技术专利CN109343201A则是通过对六片透镜进行搭配，并配合非球面与增透膜结构实现较好的成像性能。这使得红外成像光学系统的结构趋于笨重、复杂。第二，红外成像系统与小像元、大阵列红外焦平面探测器的一体化。随着红外焦平面探测器向小像元、大阵列、高灵敏度的探测器技术发展，对红外成像光学系统的设计、加工等方面提出了新的需求，同时，红外成像光学系统与红外焦平面探测器融为一体也成为现今红外成像技术的发展趋势之一。专利技术专利CN109324392A提供了一种中短波宽波段红外光学系统，系统中未使用非球面与衍射面结构，系统结构简单，并给出了成像系统与红外焦平面探测器的一体化方案，但是该专利技术所面向的红外焦平面探测器像元尺寸为15μm，分辨率仅有640×512，且调制传递函数与衍射极限仍存在差距，不符合当今近衍射极限的高分辨成像要求。与此同时，光学超表面作为光学领域中一个新颖的研究方向，受到越来越多的关注。光学超表面属于光学超材料的一种，是由许多微结构单元按照特定功能需要排列而形成的一种超薄二维平面结构。从原理上讲，它可以根据需求任意改变光波的相位、振幅和偏振，从而实现对光场的波前调控。并且相比传统光学透镜，光学超表面结构轻便、成本低廉、更加适应平面加工工艺，能够有效代替传统成像光学系统的衍射结构和非球面结构。专利技术专利CN109031477A针对可见光波段提供了一种超表面级联的广角平面镜头制作方法，能够实现高分辨率广角成像，但是该专利仅限于对级联超表面结构的器件级说明，并未给出与光学系统和探测器融合的面向系统级应用的一体化方案，且单一光学元件会负担很大的光焦度，使得元件公差十分严格，不利于实际加工；另外，由于光学超表面仍主要处于科学研究阶段，加工工艺不完全成熟，尚不适合作为单独光学元件使用。综合上述内容，并结合当前技术发展现状，新一代红外光学成像系统仍存在以下问题：1)复杂面型可以用于高级像差及轴外像差的校正，但是目前复杂面型的加工主要基于光学塑料的注塑成型，而光学塑料具有很高的热膨胀系数，不适用于会引起热效应的红外成像领域；2)利用大量透镜的相互组合可以较好地提升系统成像质量，但是这与红外光学成像系统小型化、轻量化的发展趋势背道而驰；3)由于超表面元件在校正高级像差与轴外像差方面具有突出的优势，因此使用单一超表面元件实现高质量成像成为当前的研究方向之一，但超表面元件仍处于科学研究阶段，产业化进程中仍面临加工工艺不尽成熟的问题，而且使用单一的超表面元件成像会使其负担较大的光焦度，使零件公差十分严格，进一步加剧了工艺生产难度，因此需要搭配一定数量的传统透镜以弥补超表面元件的工艺限制，构成复合光学系统；4)对于复合光学系统，现有超表面多为单面微结构阵列排布，设计时优化参数数量较少，限制了优化求解空间和像差校正性能，有时难以满足较高的复合光学系统设计要求；而且超表面设计优化主要采用时域有限差分法(FDTD)，与传统光学设计中常用的光线追迹法和阻尼最小二乘法互不兼容，不利于复合光学系统的整体设计。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决传统光学系统结构复杂、超表面元件生产工艺不成熟以及超表面元件与传统光学元件设计优化算法不兼容的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种长波红外复合光学系统，包括：双级联超表面元件、透镜组以及红外焦平面探测器；所述双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；所述第一超表面和第二超表面均由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级；所述双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，所述入射光的波长在长波红外波段；所述透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧，包括沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜；所述透镜组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；所述红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。可选地，所述第一超表面六方晶格周期阵列的相位分布和第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布分别满足如下表达式：其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2均为多项式系数；进一步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，使双级联超表面元件实现对入射光线的波前调控并能够校正入射光的高级像差，进而确定第一超表面与第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布方式。可选地，根据所述六方晶格周期阵列的相位分布与柱状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结构单元的半径。可选地，所述柱状结构单元的材料为锗，所述介质衬底层的材料为氟化钡。可选地，利用光线追迹法对所述介质衬底层的厚度进行优化。可选地，双级联超表面元件的光焦度Φ1与透镜组的光焦度Φ2满足条件表达式：Φ1/Φ2>2。可选地，所述第一正透镜、第二正透镜以及探测器窗口均采用长波红外可以透过的材料，如锗、氟化钡、硫化锌、硒化锌、AMTIR、IG、IRG材料中的一种或任意组合。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本专利技术提供一种长波红外复合光学系统，利用传统透镜组消除初级像差，利用双级联超表面结构对入射光波前进行调控，较好地消除系统的高级像差和轴外像差。本专利技术在系统中引入超表面元件，在满足当今红外成像质量要求的情况下代替了系统中多片传统透镜，大大精简了光学系统的结构，而且超表面元件更适应平面加工工艺；相应地，系统中的传统透镜组又可以弥补当前超表面元件在生产工艺方面的不足。本专利技术提供一种长波红外复合光学系统，对超表面元件使用双级联的形式，一方面加倍了优化参数数量，扩大了系统优化求解空间；另一方面对高级像差实现较大程度的校正，便于优化系统的视场特性。本专利技术提供的双级联超表面微结构阵列的相位分布函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长波红外复合光学系统，其特征在于，包括：双级联超表面元件、透镜组以及红外焦平面探测器；/n所述双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；所述第一超表面和第二超表面均由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级；所述双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，所述入射光的波长在长波红外波段；/n所述透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧，包括沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜；所述透镜组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；/n所述红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种长波红外复合光学系统，其特征在于，包括：双级联超表面元件、透镜组以及红外焦平面探测器；
所述双级联超表面元件包括：第一超表面、第二超表面以及介质衬底层；所述第一超表面和第二超表面分别设置于介质衬底层的前表面和后表面；所述第一超表面和第二超表面均由一系列柱状结构单元按照六方晶格周期阵列排列而成，柱状结构单元的高度全部相同且介于所探测的红外波长量级，柱状结构单元的半径介于亚波长量级；所述双级联超表面元件用于对入射光的波前进行调控，实现对入射光的高级像差进行校正后出射，所述入射光的波长在长波红外波段；
所述透镜组置于双级联超表面元件出射光的一侧，包括沿光轴依次设置的第一正透镜和第二正透镜；所述透镜组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；
所述红外焦平面探测器包含沿光轴依次设置的探测器窗口和红外焦平面阵列，所述探测器窗口用于滤除系统的杂散光及探测波段外的光线，所述红外焦平面阵列用于对聚焦后的红外光线入射光实现探测成像。


2.根据权利要求1所述的长波红外复合光学系统，其特征在于，所述第一超表面六方晶格周期阵列的相位分布和第二超表面六方晶格周期阵列的相位分布分别满足如下表达式：






其中，ρ为超表面径向坐标，R为归一化半径，A1、B1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，张恒，侯铭铭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42