專利名稱：紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學元件、光學系統(tǒng)，具體涉及一種用于機載或星載紅外遙感等領(lǐng)域中的紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
雙波段紅外光學成像系統(tǒng)由于具有可以同時對3-5μm和8-12μm波段進行成像的特點，一直是國內(nèi)外紅外光學系統(tǒng)研究人員研究發(fā)展的對象。由于受傳統(tǒng)紅外光學元件性能的限制，因此傳統(tǒng)的紅外光學系統(tǒng)很難對3-5微米和8-12微米兩個波段同時成像，必須采取特殊的方式才能實現(xiàn)雙波段成像。美國的Kebo，Reynold S.通過采用插入附加透鏡組的方法在傳統(tǒng)的紅外光學系統(tǒng)上實現(xiàn)對雙波段的轉(zhuǎn)換成像(歐洲專利EP0367197 B1)，英國的HerbertMorrison Runciman通過分束片來插入附加透鏡實現(xiàn)紅外雙波段的同時成像(英國專利GB 2299911A)。
隨著衍射光學元件研究的深入，折/衍混合光學系統(tǒng)得到了研究和發(fā)展，衍射元件技術(shù)在雙波段成像系統(tǒng)中也得到了應用，美國的Chipper和Robert B.發(fā)明了折/衍混合雙波段成像光學系統(tǒng)(美國專利U.S.6,018,414)，在該折/衍混合雙波段光學成像系統(tǒng)的前透鏡組和后透鏡組中各采用了一塊衍射元件，成功實現(xiàn)了雙波段成像。
由于衍射元件的通光效率即衍射效率與波長有關(guān)，如果偏離衍射元件的中心閃耀波長，衍射元件的衍射效率就急劇下降，因此盡管折衍混合系統(tǒng)可以實現(xiàn)雙波段成像，但衍射元件衍射效率低下是一個不容忽視的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一折衍混合紅外雙波段成像光學系統(tǒng)，通過在光學系統(tǒng)中采用二個中心閃耀波長衍射元件的方法來解決上述雙波段光學系統(tǒng)種衍射元件衍射效率低下的問題。
本發(fā)明紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，與常規(guī)成像系統(tǒng)類似，系統(tǒng)從物方至像方按順序由前透鏡組8的透鏡1、透鏡2、透鏡3和二元衍射元件4，后透鏡組7的透鏡5組成。前透鏡組8的透鏡數(shù)目不限于3塊，可以根據(jù)光學系統(tǒng)的成像要求作必要的增減，同樣后透鏡組7的透鏡數(shù)目不只限于一塊透鏡，可以根據(jù)光學系統(tǒng)的成像要求作必要的增加。來自物方的光束依此透過透鏡1、透鏡2、透鏡3、二元衍射元件4和透鏡5，在像平面6上成像。透鏡材料必須是對兩個紅外波段均是透明的材料，首先優(yōu)選的材料應是折射率在3-5μm和8-12μm波段比較接近的材料，如Ge、GaAs、ZnS等。所說的二元衍射元件4是一個鍺片制成的3-5μm和8-12μm波段的雙中心波長閃耀二元衍射元件。雙中心波長閃耀二元衍射元件是由等分的若干個同心圓區(qū)域，相鄰的兩同心圓區(qū)域分別以3-5μm和8-12μm波段的中心波長為衍射元件的閃耀波長交替排列構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示，黑圈區(qū)域9表示3-5微米波段的中心波長為閃耀波長，白圈區(qū)域10表示8-12微米波段的中心波長為閃耀波長。按照這一結(jié)構(gòu)，還可以制作二個以上中心波長閃耀的二元光學衍射元件，這樣在一個光學系統(tǒng)上就可實現(xiàn)二個以上波段的光學成像。
本發(fā)明的優(yōu)點在于采用折衍混合光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)雙波段光學成像，簡化了光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用雙中心波長閃耀二元光學衍射元件使系統(tǒng)通光效率大幅提高。
圖1為紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中1為前透鏡組8的第一塊透鏡；2為前透鏡組8的第二塊透鏡；3為前透鏡組8的第三塊透鏡；4為前透鏡組8的二元衍射元件；5為后透鏡組7的透鏡；6為像平面；7為前透鏡組；8為后透鏡組。
圖2為雙中心閃耀波長衍射元件結(jié)構(gòu)圖，圖中9為黑圈區(qū)域(在該區(qū)域衍射元件對一中心波長閃耀)；10為白圈區(qū)域(在該區(qū)域衍射元件對另一中心波長閃耀)。
圖3為雙波段光學成像系統(tǒng)實施例光學系統(tǒng)光學傳遞函數(shù)曲線。
具體實施例方式
根據(jù)附圖1所示紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計出一星載的雙波段紅外光學成像系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體指標為1.衛(wèi)星高度650Km；2.地面分辨率 300m；3.刈幅寬度720Km；4.成像波段3.50～3.90μm和10.5～12.5μm；5.探測器 InSb/HgCdTe雙色器件(單元大小80μm×80μm)根據(jù)成像系統(tǒng)總體指標，我們設(shè)計的雙波段紅外光學系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)為1.焦距173.3mm；2.相對口徑1/2.5；3.瞬時視場0.46mrad；
4.視場 0.5°光學系統(tǒng)具體設(shè)計數(shù)據(jù)如下表1，表1光學元件名稱 面序號 曲率半徑 間隔或厚度 材料(毫米) (毫米)R11201.093mm透鏡1 12mm ZnSeR12424.034mm1.0mmR21117.919mm透鏡2 14.10mmGeR22115.731mm1.0mmR31110.234mm透鏡3 10.66mm GaAsR32104.427mm10mm衍射元件4 2mm Ge60mmR51 42.561mm透鏡5 12.09mmGeR52 29.134mm像平面637.154mm衍射元件4設(shè)計參數(shù)φ(r)＝-1020.299843r2+653.6751r4-386.305823r6；光學系統(tǒng)光學傳遞函數(shù)如附圖3。
權(quán)利要求
1.一種紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)，系統(tǒng)從物方至像方按順序由前透鏡組(8)的透鏡(1)、透鏡(2)、透鏡(3)和二元衍射元件(4)，后透鏡組(7)的透鏡(5)組成；前透鏡組(8)的透鏡數(shù)目不限于3塊，可以根據(jù)光學系統(tǒng)的成像要求作必要的增減，同樣后透鏡組(7)的透鏡數(shù)目不只限于1塊透鏡，可以根據(jù)光學系統(tǒng)的成像要求作必要的增加；來自物方的光束依此透過透鏡(1)、透鏡(2)、透鏡(3)、二元衍射元件(4)和透鏡(5)，在像平面(6)上成像；其特征在于A.所說的二元衍射元件(4)是一個雙中心波長閃耀的二元衍射元件，它是由等分的若干個同心圓區(qū)域構(gòu)成，相鄰的兩同心圓區(qū)域分別以3-5μm和8-12μm波段的中心波長為衍射元件的閃耀波長；按照這一結(jié)構(gòu)，還可以制作二個以上中心波長閃耀的二元光學衍射元件，這樣在一個光學系統(tǒng)上就可實現(xiàn)二個以上波段的光學成像；B.透鏡材料必須是對兩個或二個以上紅外波段均是透明的材料，首先優(yōu)選的材料應是折射率在3-5μm和8-12μm波段比較接近的材料，如Ge、GaAs、ZnS等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1.一種紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng)，其特征在于所說的透鏡(1)的R11面的曲率半徑為201.093mm，R12面的曲率半徑為424.034mm，中心厚為12mm，材料為ZnSe；透鏡(2)的R21面的曲率半徑為117.919mm，R22面的曲率半徑為115.731mm，中心厚為14.10mm，材料為Ge；透鏡(1)與透鏡(2)之間的間隔為1.0mm，材料為空氣；透鏡(3)的R31面的曲率半徑為110.234mm，R32面的曲率半徑為104.427mm，中心厚為10.66mm，材料為GaAs；透鏡(2)與透鏡(3)之間的間隔為1.0mm，材料為空氣；衍射元件(4)的設(shè)計參數(shù)為φ(r)＝-1020.299843r2+653.6751r4-386.305823r6，厚度為2mm，材料為Ge；透鏡(3)與衍射元件(4)之間的間隔為10mm，材料為空氣；透鏡(5)的R51面的曲率半徑為42.561mm，R52面的曲率半徑為29.134mm，中心厚為12.09mm，材料為Ge；衍射元件(4)與透鏡(5)之間的間隔為60mm，材料為空氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外雙波段折衍混合光學成像系統(tǒng),該光學系統(tǒng)由含有衍射元件的前透鏡組和后透鏡組組成,特征是:衍射元件是一個3－5μm和8－12μm波段的雙中心波長閃耀二元衍射元件,因此光學成像系統(tǒng)通光效率得到大幅度提高,并且成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單,該光學成像系統(tǒng)可應用于機載或星載紅外遙感等領(lǐng)域。
文檔編號G02B13/14GK1352403SQ01132130
公開日2002年6月5日 申請日期2001年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者沈蓓軍, 薛永祺, 汪駿發(fā) 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所