红外双波段折衍混合光学成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种红外双波段折衍混合光学成像系统，该光学系统由含有衍射元件的前透镜组和后透镜组组成，特征是：衍射元件是一个３－５μｍ和８－１２μｍ波段的双中心波长闪耀二元衍射元件，因此光学成像系统通光效率得到大幅度提高，并且成像系统的结构简单，该光学成像系统可应用于机载或星载红外遥感等领域。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件、光学系统，具体涉及一种用于机载或星载红外遥感等领域中的红外双波段折衍混合光学成像系统。
技术介绍
双波段红外光学成像系统由于具有可以同时对3-5μm和8-12μm波段进行成像的特点，一直是国内外红外光学系统研究人员研究发展的对象。由于受传统红外光学元件性能的限制，因此传统的红外光学系统很难对3-5微米和8-12微米两个波段同时成像，必须采取特殊的方式才能实现双波段成像。美国的Kebo，Reynold S.通过采用插入附加透镜组的方法在传统的红外光学系统上实现对双波段的转换成像(欧洲专利EP0367197 B1)，英国的HerbertMorrison Runciman通过分束片来插入附加透镜实现红外双波段的同时成像(英国专利GB 2299911A)。随着衍射光学元件研究的深入，折/衍混合光学系统得到了研究和发展，衍射元件技术在双波段成像系统中也得到了应用，美国的Chipper和Robert B.专利技术了折/衍混合双波段成像光学系统(美国专利U.S.6,018,414)，在该折/衍混合双波段光学成像系统的前透镜组和后透镜组中各采用了一块衍射元件，成功实现了双波段成像。由于衍射元件的通光效率即衍射效率与波长有关，如果偏离衍射元件的中心闪耀波长，衍射元件的衍射效率就急剧下降，因此尽管折衍混合系统可以实现双波段成像，但衍射元件衍射效率低下是一个不容忽视的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一折衍混合红外双波段成像光学系统，通过在光学系统中采用二个中心闪耀波长衍射元件的方法来解决上述双波段光学系统种衍射元件衍射效率低下的问题。本专利技术红外双波段折衍混合光学成像系统结构如附图1所示，与常规成像系统类似，系统从物方至像方按顺序由前透镜组8的透镜1、透镜2、透镜3和二元衍射元件4，后透镜组7的透镜5组成。前透镜组8的透镜数目不限于3块，可以根据光学系统的成像要求作必要的增减，同样后透镜组7的透镜数目不只限于一块透镜，可以根据光学系统的成像要求作必要的增加。来自物方的光束依此透过透镜1、透镜2、透镜3、二元衍射元件4和透镜5，在像平面6上成像。透镜材料必须是对两个红外波段均是透明的材料，首先优选的材料应是折射率在3-5μm和8-12μm波段比较接近的材料，如Ge、GaAs、ZnS等。所说的二元衍射元件4是一个锗片制成的3-5μm和8-12μm波段的双中心波长闪耀二元衍射元件。双中心波长闪耀二元衍射元件是由等分的若干个同心圆区域，相邻的两同心圆区域分别以3-5μm和8-12μm波段的中心波长为衍射元件的闪耀波长交替排列构成的，其结构如附图2所示，黑圈区域9表示3-5微米波段的中心波长为闪耀波长，白圈区域10表示8-12微米波段的中心波长为闪耀波长。按照这一结构，还可以制作二个以上中心波长闪耀的二元光学衍射元件，这样在一个光学系统上就可实现二个以上波段的光学成像。本专利技术的优点在于采用折衍混合光学系统结构来实现双波段光学成像，简化了光学系统的结构，采用双中心波长闪耀二元光学衍射元件使系统通光效率大幅提高。附图说明图1为红外双波段折衍混合光学成像系统结构图，图中1为前透镜组8的第一块透镜；2为前透镜组8的第二块透镜；3为前透镜组8的第三块透镜；4为前透镜组8的二元衍射元件；5为后透镜组7的透镜；6为像平面；7为前透镜组；8为后透镜组。图2为双中心闪耀波长衍射元件结构图，图中9为黑圈区域(在该区域衍射元件对一中心波长闪耀)；10为白圈区域(在该区域衍射元件对另一中心波长闪耀)。图3为双波段光学成像系统实施例光学系统光学传递函数曲线。具体实施例方式根据附图1所示红外双波段折衍混合光学成像系统的光学结构，我们设计出一星载的双波段红外光学成像系统，系统的具体指标为1.卫星高度650Km；2.地面分辨率 300m；3.刈幅宽度720Km；4.成像波段3.50～3.90μm和10.5～12.5μm；5.探测器 InSb/HgCdTe双色器件(单元大小80μm×80μm)根据成像系统总体指标，我们设计的双波段红外光学系统的技术参数为1.焦距173.3mm；2.相对口径1/2.5；3.瞬时视场0.46mrad； 4.视场 0.5°光学系统具体设计数据如下表1，表1光学元件名称 面序号 曲率半径 间隔或厚度 材料(毫米) (毫米)R11201.093mm透镜1 12mm ZnSeR12424.034mm1.0mmR21117.919mm透镜2 14.10mmGeR22115.731mm1.0mmR31110.234mm透镜3 10.66mm GaAsR32104.427mm10mm衍射元件4 2mm Ge60mmR51 42.561mm透镜5 12.09mmGeR52 29.134mm像平面637.154mm衍射元件4设计参数φ(r)＝-1020.299843r2+653.6751r4-386.305823r6；光学系统光学传递函数如附图3。权利要求1.一种红外双波段折衍混合光学成像系统，系统从物方至像方按顺序由前透镜组(8)的透镜(1)、透镜(2)、透镜(3)和二元衍射元件(4)，后透镜组(7)的透镜(5)组成；前透镜组(8)的透镜数目不限于3块，可以根据光学系统的成像要求作必要的增减，同样后透镜组(7)的透镜数目不只限于1块透镜，可以根据光学系统的成像要求作必要的增加；来自物方的光束依此透过透镜(1)、透镜(2)、透镜(3)、二元衍射元件(4)和透镜(5)，在像平面(6)上成像；其特征在于A.所说的二元衍射元件(4)是一个双中心波长闪耀的二元衍射元件，它是由等分的若干个同心圆区域构成，相邻的两同心圆区域分别以3-5μm和8-12μm波段的中心波长为衍射元件的闪耀波长；按照这一结构，还可以制作二个以上中心波长闪耀的二元光学衍射元件，这样在一个光学系统上就可实现二个以上波段的光学成像；B.透镜材料必须是对两个或二个以上红外波段均是透明的材料，首先优选的材料应是折射率在3-5μm和8-12μm波段比较接近的材料，如Ge、GaAs、ZnS等。2.根据权利要求1.一种红外双波段折衍混合光学成像系统，其特征在于所说的透镜(1)的R11面的曲率半径为201.093mm，R12面的曲率半径为424.034mm，中心厚为12mm，材料为ZnSe；透镜(2)的R21面的曲率半径为117.919mm，R22面的曲率半径为115.731mm，中心厚为14.10mm，材料为Ge；透镜(1)与透镜(2)之间的间隔为1.0mm，材料为空气；透镜(3)的R31面的曲率半径为110.234mm，R32面的曲率半径为104.427mm，中心厚为10.66mm，材料为GaAs；透镜(2)与透镜(3)之间的间隔为1.0mm，材料为空气；衍射元件(4)的设计参数为φ(r)＝-1020.299843r2+653.6751r4-386.305823r6，厚度为2mm，材料为Ge；透镜(3)与衍射元件(4)之间的间隔为10mm，材料为空气；透镜(5)的R51面的曲率半径为42.561mm，R52面的曲率半径为29.134mm，中心厚为12.09mm，材料为Ge；衍射元件(4)与透镜(5)之间的间隔为60mm，材料为空气。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外双波段折衍混合光学成像系统，系统从物方至像方按顺序由前透镜组（８）的透镜（１）、透镜（２）、透镜（３）和二元衍射元件（４），后透镜组（７）的透镜（５）组成；前透镜组（８）的透镜数目不限于３块，可以根据光学系统的成像要求作必要的增减，同样后透镜组（７）的透镜数目不只限于１块透镜，可以根据光学系统的成像要求作必要的增加；来自物方的光束依此透过透镜（１）、透镜（２）、透镜（３）、二元衍射元件（４）和透镜（５），在像平面（６）上成像；其特征在于：Ａ．所说的二元衍射元件（４ ）是一个双中心波长闪耀的二元衍射元件，它是由等分的若干个同心圆区域构成，相邻的两同心圆区域分别以３－５μｍ和８－１２μｍ波段的中心波长为衍射元件的闪耀波长；按照这一结构，还可以制作二个以上中心波长闪耀的二元光学衍射元件，这样在一个光学系统上就可实现二个以上波段的光学成像；Ｂ．透镜材料必须是对两个或二个以上红外波段均是透明的材料，首先优选的材料应是折射率在３－５μｍ和８－１２μｍ波段比较接近的材料，如：Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＳ等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈蓓军，薛永祺，汪骏发，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]