專利名稱：折衍混合偏振型紅外熱像儀光學成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，涉及一種含有折衍混合偏振型熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
紅外熱成像是利用探測儀測定目標的本身和背景之間的紅外線差，使人眼不能直接看到目標的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。第一代熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成。上個世紀九十年代法國湯姆蓀公司研制出致冷型和非致冷型的焦平面紅外熱成像產(chǎn)品，代表第二熱像儀的出現(xiàn)，其特點是主要采用焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個乃至數(shù)十萬個信號放大器，將芯片置于光學系統(tǒng)的焦平面上，取得目標的全景圖像，無需光——機掃描系統(tǒng)，大大提高了靈敏度和熱分辨率，可以進一步提高目標的探測距離和識別能力。隨著探測器像元尺寸的減小，探測器總面積的增加，第二代紅外熱成像光學系統(tǒng)的F數(shù)逐漸降低，視場角增大，一般采用增加透鏡的方法來實現(xiàn)，需要昂貴的紅外稀有材料，使系統(tǒng)效率比下降，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。觀察空中或者水面上的物體時，在天空或者水面輻射紅外波強烈的情況下，所觀察物體與背景的輻射對比度低，不利于圖象的識別。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是要解決降低凝視型紅外熱像儀成像系統(tǒng)重量和成本，提高目標和背景的輻射對比度，減少無益信息的輸入問題，為此本發(fā)明設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，不用特殊材料的折衍混合偏振型紅外熱像儀光學成像裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在光學系統(tǒng)中引入折衍射混合透鏡。圖1所示，在沿著光束傳播的方向依次置有正透鏡、光闌、負透鏡、折衍混合透鏡、紅外偏振片、最后是紅外探測器，正透鏡的凸面對著光線的入射方向，入射的光線經(jīng)正透鏡成像在紅外探測器的像面上；正透鏡的出射面與光闌的輸入端面相對放置，用光闌消除邊緣視場的漸暈以及雜散光；負透鏡的凸面向著光線入射的方向，利用負透鏡的曲率來消除正透鏡產(chǎn)生的單色像差；負透鏡兩個面的曲率大于正透鏡及折衍混合透鏡的曲率；折衍混合透鏡的凸面與負透鏡的凹面相對放置，折衍混合透鏡的凹面與紅外偏振片的輸入面相對放置，折衍混合透鏡用來校正系統(tǒng)的色差和高級像差。折衍混合透鏡的衍射面制作在平面或球面或非球面基底上。
光線進入本發(fā)明的正透鏡向光軸方向發(fā)生偏折，能夠通過光闌的光線射入負透鏡，折衍混合透鏡會聚從負透鏡射出的光線，會聚后的光線經(jīng)過紅外偏振片進行偏振濾光，振動方向與通光方向相同的光線成像在紅外探測器上，光線波前像差被負透鏡進行初步修正，采用折衍混合透鏡來校正紅外光學系統(tǒng)的色差及熱差，形成折射/衍射光學系統(tǒng)技術(shù)同紅外探測器完整組合的偏振型熱像儀。
本發(fā)明的積極效果由于本發(fā)明采用衍射元件與傳統(tǒng)的折射元件組成折射衍射混合透鏡，利用了光在傳播中的折射和衍射兩種特性，增加了光學設(shè)計過程中的自由度，減少用校正像差和色差所需透鏡的數(shù)量，因此，降低了紅外熱像儀成像系統(tǒng)重量。在系統(tǒng)中，利用衍射元件修正波前的作用來校正系統(tǒng)的初級像差與高級像差，利用衍射元件分配光焦度以及與折射元件不同的色散性能來校正系統(tǒng)的色差。本發(fā)明將衍射元件非球面基底上能夠綜合非球面基底和衍射器件的雙重作用，降低由于將分別制作衍射面以及非球面而產(chǎn)生的高成本，并降低安裝公差。本發(fā)明使用紅外偏振片進行偏振濾光，可以濾掉天空以及水面亮背景的偏振型反射光，能夠提高目標和背景的紅外輻射對比度，減少進入探測器的有害信息。圖2為本發(fā)明的光學系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)情況，說明二元光學衍射元件起到非常好的校像差和色差的效果。


圖1是本發(fā)明的紅外熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也是摘要附2是本發(fā)明的光學傳遞函數(shù)圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施作進一步說明如圖1為本發(fā)明所設(shè)計的紅外折射/衍射三片式紅外熱成像光學系統(tǒng)最佳實施例結(jié)構(gòu)示意及光學原理圖包括有正透鏡1、光闌2、負透鏡3、折衍混合透鏡4、紅外偏振片5、紅外探測器6、第一表面7、第二二表面8、第三表面9、第四表面10、第五表面11、第六表面12。
本發(fā)明的一個實施例為設(shè)計波段為8～12μm，口徑為100mm、視場角為12.8°、系統(tǒng)焦距為91.2mm，F(xiàn)數(shù)為0.9。
圖1中光線射入正透鏡1的第一表面7向光軸方向發(fā)生偏折，從正透鏡1的第二表面8射出，第二表面8為高次非球面，第二表面8將入射光線進行像差校正。正透鏡1采用的材料為鍺。光闌2放置在正透鏡1與負透鏡3之間是為了消除漸暈與雜散光。光線經(jīng)負透鏡3的第三表面9射入，經(jīng)第四表面10射出。負透鏡3采用硒化鋅材料。折衍混合透鏡4采用鍺材料，光焦度為正面對入射光線的第五表面11為凸面，衍射元件制作在第五表面11上，光線經(jīng)第六表面12射出。第五表面11是折衍混合表面主要用來校正色差以及高級像差，基底采用非球面，利用非球面校正高級像差。天空或者水面反射的光線是偏振的，在到達紅外偏振片5時，旋轉(zhuǎn)偏振片使得偏振光的振動方向與偏振片的通光方向垂直，偏振光不能通過，而物體輻射的紅外光不具有偏振性能夠通過偏振片，濾掉有害光，提高了目標和背景的輻射對比度，減少無益信息的輸入。
紅外偏振片5可采用金屬線柵型紅外偏振片或紅外晶體偏振片或液晶型偏振片或二元位相型偏振片。紅外探測器6采用凝視型非制冷紅外探測器或制冷型紅外探測器或線陣掃描制冷型紅外探測器。
正透鏡1的第二表面8的非球面擬合公式如下α4Zsub(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1jαiri]]>c是球面頂點的曲率為0.006197，圓錐系數(shù)k＝0.574617，αi是非球面系數(shù)，α2＝0.000002，α4＝-2.47994e-9.0。
折衍混合透鏡4的第五表面11的面形擬合公式如下基底非球面擬合公式Zsub(r)=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1jαiri]]>衍射面擬合公式Zdiff(r)=1(N0-1)Σ1jA2jr2j+λ0(N0-1)[|IntΣ1jA2jr2j)|]]]>第五表面11的面形擬合公式Ztotal(r)=Zsub(r)+Zdiff(r)]]>中心波長λ0為10μm，基底材料在中心波長的折射率N0＝4.003125，基底非球面系數(shù)c＝0.01688，k＝0.484509，α2＝-0.000264，α4＝-1.40144e-7，A2j為衍射面系數(shù)A2＝0.00068631，A4＝0.007115。
權(quán)利要求
1.折衍混合偏振型紅外熱像儀光學成像裝置，其特征在于在沿著光束傳播的方向依次置有正透鏡(1)、光闌(2)、負透鏡(3)、折衍混合透鏡(4)、紅外偏振片(5)、最后是紅外探測器(6)，正透鏡(1)的凸面對著光線的入射方向，入射的光線經(jīng)正透鏡(1)成像在紅外探測器(6)的像面上；正透鏡(1)的出射面與光闌(2)的輸入端面相對放置，用光闌(2)消除邊緣視場的漸暈以及雜散光；負透鏡(3)的凸面向著光線入射的方向，利用負透鏡(3)的曲率來消除正透鏡(1)產(chǎn)生的單色像差；負透鏡(3)兩個面的曲率大于正透鏡(1)及折衍混合透鏡(4)的曲率；折衍混合透鏡(4)的凸面與負透鏡(3)的凹面相對放置，折衍混合透鏡(4)的凹面與紅外偏振片(5)的輸入面相對放置，折衍混合透鏡(4)用來校正系統(tǒng)的色差和高級像差。
2.根據(jù)權(quán)利1要求所述的折衍混合偏振型紅外熱像儀光學成像裝置，其特征在于折衍混合透鏡(4)的衍射面制作在平面或球面或非球面基底上。
3.根據(jù)權(quán)利1要求所述的折衍混合偏振型紅外熱像儀光學成像裝置，其特征在于第五表面(11)是折衍混合表面，第五表面(11)的基底采用非球面。
全文摘要
本發(fā)明涉及含有折衍混合偏振型熱成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括，正透鏡、光闌、負透鏡、折衍混合透鏡、紅外偏振片、紅外探測器；本發(fā)明采用衍射元件與傳統(tǒng)的折射元件組成折衍混合透鏡，增加光學設(shè)計自由度，減少用來校正像差和色差所需透鏡的數(shù)量，降低了成像系統(tǒng)重量。利用衍射元件修正波前的作用來校正系統(tǒng)的初級像差與高級像差，利用衍射元件分配光焦度以及與折射元件不同的色散性能來校正系統(tǒng)的色差。本發(fā)明將衍射元件非球面基底上能夠綜合非球面基底和衍射器件的雙重作用，降低高成本，并降低安裝公差。本發(fā)明使用紅外偏振片進行偏振濾光，濾掉天空以及水面亮背景的偏振型反射光，提高目標和背景的紅外輻射對比度，減少進入探測器的有害信息。
文檔編號C03C4/10GK1896790SQ20051001706
公開日2007年1月17日 申請日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者孫強, 張云翠 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所