專利名稱：一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)及共焦面紅外雙波段探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué) 技術(shù)域，特別是涉及一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)及共焦面紅外雙波段探測(cè)器。
背景技術(shù)：
隨著偽裝技術(shù)的發(fā)展，偵察識(shí)別目標(biāo)的難度也越來(lái)越大，單一波段紅外探測(cè)系統(tǒng)獲取的信息量有限，不能滿足基于現(xiàn)代偵查背景復(fù)雜、氣象條件多變的情況下對(duì)高分辨率和實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆Ｖ?、長(zhǎng)波雙波段探測(cè)可對(duì)復(fù)雜背景進(jìn)行抑制，提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別效果。早期雙波段探測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)多為分光路或部分共光路系統(tǒng)。分光路系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)體積大，可靠性低。在后期進(jìn)行不同波段圖像融合時(shí)，像元配準(zhǔn)誤差大，影響探測(cè)精度和容易混淆被探測(cè)目標(biāo)，得到并不真實(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。共光路系統(tǒng)能夠大大提高像元配準(zhǔn)的精度和探測(cè)距離，但是，傳統(tǒng)的共光路光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)受限于材料特性，導(dǎo)致系統(tǒng)片數(shù)多、透過(guò)率低、體積大、成本高。再加上早期的雙波段紅外探測(cè)器尚不成熟，所以，共光路系統(tǒng)并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。隨著雙波段探測(cè)器的完善和光學(xué)新元件的應(yīng)用，發(fā)展雙波段共光路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)高精度要求的必然。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)及共焦面紅外雙波段探測(cè)器，用以解決現(xiàn)有技術(shù)雙波段共光路系統(tǒng)片數(shù)多、透過(guò)率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的問(wèn)題。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，一方面，本實(shí)用新型提供一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括依次設(shè)置的具有正光焦度的第一透鏡組、正光焦度的第二透鏡組、負(fù)光焦度的第三透鏡組、正光焦度的第四透鏡組；所述第二透鏡組為諧衍射元件；所述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距f，所述第一透鏡組的焦距fl，其中，O. 25〈f/fl〈0. 76。進(jìn)一步，所述第一透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡；所述第二透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡；所述第三透鏡組為一片凸面朝物方的彎月硒化鋅透鏡；所述第四透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡。進(jìn)一步，第三透鏡組的焦距可調(diào)。進(jìn)一步，所述第二透鏡組設(shè)計(jì)了諧衍射面。進(jìn)一步，所述第二透鏡組的諧衍射面上設(shè)計(jì)了非球面。進(jìn)一步，所述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)還包括一個(gè)光欄，放置在所述第四透鏡組后。另一方面，本實(shí)用新型還提供一種包含上述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器。[0013]進(jìn)一步，所述雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的光圈與所述制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器的光圈相同；所述雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的光欄與所述雙波段共焦探測(cè)器冷光欄重合。本實(shí)用新型有益效果如下本實(shí)用新型利用諧衍射元件的物理特性，實(shí)現(xiàn)了共焦面的多波段融合，有利于拓展材料稀缺波段的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度，僅采用常規(guī)紅外材料進(jìn)行設(shè)計(jì)即可；通過(guò)優(yōu)化各表面的面型參數(shù)和適當(dāng)?shù)剡x取諧衍射元件的衍射級(jí)次，設(shè)計(jì)紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)在寬光譜的色差得以校正，每個(gè)波段的像質(zhì)都達(dá)到衍射極限，有利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化；力口工滿足普通金剛石車床車削的技術(shù)要求，降低了生產(chǎn)成本。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例中的紅外雙波段(中波和長(zhǎng)波)共焦光學(xué)系統(tǒng)的光路仿真圖；·[0017]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中諧衍射元件中波和長(zhǎng)波雙波段衍射效率圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中諧衍射元件相位和環(huán)帶隨徑向坐標(biāo)的變化曲線圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例中3. 5 4. 7μπι (中波)波段在特征頻率處的傳遞函數(shù)圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例中7 10 μ m (長(zhǎng)波)波段在特征頻率處的傳遞函數(shù)圖；圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例中中波波段的場(chǎng)曲和畸變圖；圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例中長(zhǎng)波波段的場(chǎng)曲和畸變圖。
具體實(shí)施方式
為了解決現(xiàn)有技術(shù)雙波段共光路系統(tǒng)片數(shù)多、透過(guò)率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，
以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不限定本實(shí)用新型。如圖I所示，本實(shí)用新型實(shí)施例涉及一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱光學(xué)系統(tǒng))，包括具有正光焦度的第一透鏡組G1、正光焦度的第二透鏡組G2、負(fù)光焦度的第三透鏡組G3、正光焦度的第四透鏡組G4。光焦度是焦距的倒數(shù)，正光焦度就是正焦距的倒數(shù)，即正光焦度表明是正透鏡；負(fù)光焦度就是負(fù)焦距的倒數(shù)，即負(fù)光焦度表明是負(fù)透鏡。光學(xué)系統(tǒng)滿足下列條件0. 25<f/fl<0. 76，其中，f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距；Π為第一透鏡組Gl的焦距。其中，紅外雙波段共焦是指兩個(gè)波段焦面在一個(gè)平面上。其中，第一透鏡組Gl包括正光焦度的第一透鏡，而第一透鏡為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡。由于第一透鏡組Gl僅有一片透鏡，且焦距滿足O. 25〈f/fl〈0. 76，在保證光學(xué)系統(tǒng)的焦距前提下，使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊、加工更簡(jiǎn)單。第二透鏡組G2包括正光焦度的第二透鏡。具體而言，第二透鏡為諧衍射元件，由凸面朝物方的彎月形鍺透鏡加工而成。第三透鏡組G3包括負(fù)光焦度的第三透鏡，其中，第三透鏡為一片凸面朝物方的彎月硒化鋅透鏡。第三透鏡組G3的焦距可調(diào)，即在光線傳輸方向上可以前后移動(dòng)，這樣，就可以依靠其整體平移來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物方距離的目標(biāo)清晰成像的功能。具體方式是當(dāng)目標(biāo)由無(wú)窮遠(yuǎn)擴(kuò)展到近距離時(shí)，第三透鏡向物方空間方向移動(dòng)。第四透鏡組G4包括正光焦度的第四透鏡，其中，第四透鏡為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡。本實(shí)施例中，第一透鏡組G1、第二透鏡組G2、第三透鏡組G3和第四透鏡組G4均采用一片透鏡，但并不限于僅使用一片透鏡，也可以通過(guò)多片透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。在本實(shí)施例中，為了平衡兩個(gè)波段的色差，在第二透鏡上設(shè)計(jì)了諧衍射面；此外，為了改善系統(tǒng)球差、象散和場(chǎng)曲，同時(shí)不增加加工成本，在第二透鏡的諧衍射面上設(shè)計(jì)了非球面。本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)還包括一個(gè)光欄Cl，放置在第四透鏡組G4后，與雙波段共焦探測(cè)器冷光欄重合，以實(shí)現(xiàn)100%的冷光欄效率。本實(shí)施例的雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)適用于制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器。光學(xué)系統(tǒng)的光圈F與適用的制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器的光圈相同。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器時(shí)，光欄Cl與雙波段共焦探測(cè)器冷光欄重合，光欄Cl與雙波段共焦探測(cè)器冷光欄為同一個(gè)部件。 如圖I所示，工作于本實(shí)用新型波段的光線，光線經(jīng)過(guò)共同透鏡組G1，在透鏡組G2的諧衍射面上被衍射再聚焦，然后通過(guò)透鏡組G3和透鏡組G4會(huì)聚，再被孔徑光欄Cl約束光束口徑，將中波和長(zhǎng)波兩個(gè)波段的分立波長(zhǎng)分別成像在共同的探測(cè)器焦面上。其中，第一透鏡在設(shè)計(jì)的中波波段的光焦度為φ 色散因子為γ ,在長(zhǎng)波波段的光焦度為φ ，色散因子為第二透鏡，在設(shè)計(jì)的中波波段的光焦度為ψι，色散因子為υΙ，在長(zhǎng)波波段的光焦度為φ|，色散因子為γ|;第三透鏡,在設(shè)計(jì)的中波波段的光焦度為cpf,色散因子為γ|,在長(zhǎng)波波段的光焦度為φ|，色散因子為γ|;第四透鏡,在設(shè)計(jì)的中波
波段的光焦度為<pf，色散因子為丫 ，在長(zhǎng)波波段的光焦度為φ|，色散因子為γ!。系統(tǒng)總的光焦度滿足公式(I):
ΣΙ 4 ……I…….^ 尋 ml nmmi, ￡g\ mmm .........../" I ^
Iψ*2 * " * ' ρ *""** \ J. /中波波段的軸向色差等于零，即
= 0 (2)
Yi長(zhǎng)波波段的軸向色差等于零，SP Σ =4 Ψ2 —八(
j *** U\ J /
—Y2可見，通過(guò)對(duì)光焦度進(jìn)行分配，適當(dāng)?shù)剡x擇透鏡的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合不同材料的正負(fù)透鏡，加上符合色散系數(shù)要求的諧衍射元件，可以達(dá)到系統(tǒng)焦距和色差校正的要求。在
諧衍射元件的表面加工諧衍射面，所選兩個(gè)波段的衍射級(jí)次和中心波長(zhǎng)滿足\ = ,其
m
中，P是相位匹配因子；λ和λ O分別是中波和長(zhǎng)波的中心波長(zhǎng)；m是長(zhǎng)波衍射級(jí)次。諧衍射元件的色散系數(shù)決定于諧振條件，選取合適的衍射級(jí)次和中心波長(zhǎng)即可。本實(shí)施例中，取相位匹配因子P=2，對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)λ『4 μ m，整數(shù)m選I，對(duì)應(yīng)諧波長(zhǎng)為8 μ m。[0039]諧衍射元件在兩個(gè)波段中心波長(zhǎng)處具有100%的衍射效率，在兩個(gè)波段中每一個(gè)波段衍射效率都大于95%。值得一提的是，本實(shí)施例中的諧衍射光學(xué)元件的衍射效率在中心波長(zhǎng)處達(dá)到100%，在設(shè)計(jì)波段內(nèi)平均衍射效率均高于97%。圖2表示計(jì)算得到的中波和長(zhǎng)波的衍射效率。另外，本實(shí)施實(shí)例為了保證100% 的口徑效率，采用了二次成像的結(jié)構(gòu)，在諧衍射光學(xué)元件的作用下，焦距150mm的系統(tǒng)其長(zhǎng)度尺寸僅為90mm，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，大大縮小了體積，減輕了系統(tǒng)重量。以下表I示出光學(xué)系統(tǒng)的一優(yōu)選實(shí)例。表I
面數(shù)曲率半徑材料間隔(mm)備注
~SI 603 諸單晶 45 "____第一透鏡
5273.47air13.5
5334.74 鍺單晶 4.2____第二透鏡
5433.84air28.1
~S5IOJZnSe4
____第三透鏡
S67.4air25.8
~S7 9Μ鍺單晶33
____第四透鏡
5871.06air6.2
59Ininityair28光欄在表I中，曲率半徑為每個(gè)表面的曲率半徑，單位為mm。間隔是指兩相鄰表面間的距離。例如，表面S I的間距，即表面SI至表面S2的距離。備注欄中各透鏡所對(duì)應(yīng)的厚度、光學(xué)材料請(qǐng)參照同行中的各間距以及光學(xué)材料對(duì)應(yīng)的數(shù)值。此外，在表I中，表面S1、S2分別為第一透鏡遠(yuǎn)離與鄰近第二透鏡的表面；表面S3、S4分別為第二透鏡遠(yuǎn)離與鄰近第三透鏡的表面；表面S5、S6分別為第三透鏡遠(yuǎn)離與鄰近第四透鏡的表面；表面S7、S8分別為第四透鏡遠(yuǎn)離與鄰近第三透鏡的表面；表面S9為光欄面。表2列出第二透鏡的表面S3的非球面系數(shù)。表2
表面 k A__B__C_
S3 I O I -2.5374E-7 | 3.6331E-11 | -7.535E-14第二透鏡的非球面的面型方程為Z = ~fjL==, + Ar4 + Br6 + Cr8(4)
l+Vl-(l+k)c2r2[0050]其中，Z為非球面矢高；c為頂點(diǎn)曲率半徑冰為圓錐曲線系數(shù)；A、B、C分別為非球面系數(shù)；r為非球面表面上點(diǎn)的徑向坐標(biāo)。表3列出第二透鏡的表面S3的諧衍射面系數(shù)。表權(quán)利要求1.一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 依次設(shè)置的具有正光焦度的第一透鏡組、正光焦度的第二透鏡組、負(fù)光焦度的第三透鏡組、正光焦度的第四透鏡組；所述第二透鏡組為諧衍射元件；所述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距f，所述第一透鏡組的焦距fl，其中，O. 25〈f/fl〈0. 76。
2.如權(quán)利要求I所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡；所述第二透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形鍺透鏡；所述第三透鏡組為一片凸面朝物方的彎月硒化鋅透鏡；所述第四透鏡組為一片凸面朝物方的彎月形錯(cuò)透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，第三透鏡組的焦距可調(diào)。
4.如權(quán)利要求2所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡組設(shè)計(jì)了諧衍射面。
5.如權(quán)利要求4所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡組的諧衍射面上設(shè)計(jì)了非球面。
6.如權(quán)利要求I 5任一項(xiàng)所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于，所述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)還包括一個(gè)光欄，放置在所述第四透鏡組后。
7.一種包含權(quán)利要求I或6所述的紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器，其特征在于，所述雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的光圈與所述制冷型共焦面紅外雙波段探測(cè)器的光圈相同；所述雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的光欄與所述雙波段共焦探測(cè)器冷光欄重口 ο
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)及共焦面紅外雙波段探測(cè)器，所述系統(tǒng)包括依次設(shè)置的具有正光焦度的第一透鏡組、正光焦度的第二透鏡組、負(fù)光焦度的第三透鏡組、正光焦度的第四透鏡組；所述第二透鏡組為諧衍射元件；所述紅外雙波段共焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距f，所述第一透鏡組的焦距f1，其中，0.25<f/f1<0.76。本實(shí)用新型利用諧衍射元件的物理特性，實(shí)現(xiàn)了共焦面的多波段融合；通過(guò)優(yōu)化各表面的面型參數(shù)和適當(dāng)?shù)剡x取諧衍射元件的衍射級(jí)次，設(shè)計(jì)紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)，使系統(tǒng)在寬光譜的色差得以校正，每個(gè)波段的像質(zhì)都達(dá)到衍射極限，有利于光學(xué)系統(tǒng)的小型化；加工滿足普通金剛石車床車削的技術(shù)要求，降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)G02B1/02GK202794679SQ201220178110
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者劉琳, 賀誼亮, 張興德, 李榮剛 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所