[发明专利]大视场双波谐衍射红外光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种大视场短/中波谐衍射红外光学系统。

背景技术

红外辐射主要有近红外(0.75-2.5μm)、中红外(3-5μm)和远红外(8-14μm)三个大气窗口，传统的单波段成像技术从单元到线阵及焦平面的发展已相当完善，但在获取信息方面由于局限于单一波段，仍有很大不足。

目前对双波段红外成像主要采用谐衍射透镜技术。由于光学材料的约束以及成像器件的技术限制，使得目前红外双波段成像主要集中在中长波。而由于短波红外的特殊的光谱特性，其重要性近年来越来越突出，为此本发明针对中短波红外的光谱特点，通过合理选择光学构型及材料，成功设计出大视场中短波双波段光学系统，成像质量良好。

谐衍射透镜也称为多级衍射透镜，其特点是相邻环带间的光程差是设计波长λ₀的整数p（p≥2）倍，在空气中透镜最大厚度为pλ0/(n-1)，是普通衍射透镜的p倍。谐衍射透镜各衍射级次的衍射效率可表示为：

ηm=sinc2(pλ0λ-m)---(3)]]>

其中m=p，p±1，p±2，…所得的一系列分离波长称为谐波长，sinc是辛格函数的表达式。

p越大，波段内可以利用的谐波长就越多，所覆盖的波段也越宽。但是，随着p的增大，材料色散的影响也越大，因此p的取值实际上就是折射透镜色散和衍射透镜色散的平衡问题。我们取p=2，全波段范围内衍射效率能达到80%。

发明内容

本发明的目的是提供一种大视场双波谐衍射红外光学系统。

为实现上述目的，本发明大视场双波谐衍射红外光学系统技术方案如下：

该光学系统包括沿光入射方向依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、孔径光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜和探测器焦平面，所述六个透镜的光焦度依次为正、负、正、负、正、负，第一透镜为双凹透镜，第二透镜为双凸透镜，第一透镜的前表面、第三透镜的后表面及第四透镜的前表面为非球面，第五透镜的后表面采用谐衍射面，其它透镜表面均为球面。

各透镜的光焦度分配满足总光焦度；即

其中为第i个透镜的光焦度，h_i为近轴光线在透镜上的入射高度，为系统的总光焦度；

总色差系数满足：

其中：C_i为第i个透镜的色差系数，k为光学系统透镜面数。

所述第一透镜的材料为硒化锌，第二透镜的材料为硫化锌，第三透镜的材料为氟化钙，第四透镜的材料为氟化钙，第五透镜的材料为硒化锌，第六透镜的材料为硫化锌。

所述第一透镜与第二透镜间隔1mm、第二透镜与第三透镜间隔1.7mm、第三透镜与光阑间隔2.4mm、光阑与第四透镜间隔1mm、第四透镜与第五透镜间隔1.4mm、第五透镜与第六透镜间隔7.2mm、第六透镜与像面间隔7.2mm。

所述谐衍射透镜的中心波长λ₀=4.2μm，相位匹配因子P=2，取m=2,m=4时对应波长λ=4.2μm，λ=2.1μm为系统的谐振波长。

红外光学系统工作波段为：短波1.5～2.7μm、中波3.7～4.8μm为工作波段。

本发明的大视场双波谐衍射红外光学系统可对大视场短波、中波范围内的宽光谱同时成像；采用谐衍射设计技术，恰当选择参数“p”和所设计的系统的中心波长λ₀，巧妙地将谐衍射透镜成功地引入红外双波段系统中，在两个波段内同时满足了系统的成像和校正像差要求，具有良好的消像差特性；系统仅采用六片透镜，全长小于50mm，结构简单，轻巧；光学系统在双波段范围内的传递函数均接近衍射极限，成像质量良好。

附图说明